链传动设计教学的机械设计论文范文

一、链传动设计部分内容的教学逻辑构建

链传动这部分的教学目标应该是：学生掌握链传动的优缺点、应用范围、常见类型、套筒滚子链和套筒链的结构构成；掌握链传动速度不均匀性产生的原因、传动比计算方法、动载荷产生的原因；掌握链传动工作拉力、离心拉力、垂度拉力及轴上载荷的计算方法；掌握链传动主要参数的确定方法、参数大小对性能的影响过程；掌握链传动的设计过程和步骤；弄清链轮的结构特点、链传动的空间布置方法、润滑方法、张紧方法；了解齿形链的设计方法。根据上述教学目标，笔者构建了链传动设计部分的教学逻辑：1．讲解链传动的优缺点。应明确链传动的优缺点是通过与皮带传动和齿轮传动相比较而得出的，链传动是典型的介于皮带传动和齿轮传动之间的一种传动形式；2．讲解链传动的结构构成特点。链的类型有三种，即传动链、起重链、曳引链三种。最常用的是传动链，传动链主要用来传递动力，传动链又可分为套筒链、套筒滚子链（简称滚子链）、齿形链和成型链。滚子链是最为常用的一种传动链，讲解其结构时要结合结构示意图进行讲解，并说明每一部分的功能；3．讲解链轮的结构。这里要分成滚子链链轮和齿形链链轮两种链轮来讲解。要结合链轮的结构图，说明滚子链轮的齿形为什么是“三圆弧一直线”结构，齿形链链轮为什么要做成直边的齿形，说清楚链轮的几个主要结构参数，以及如何计算这些几何参数，说清楚链和链轮的常用材料是什么；4．讲解链传动的运动特性。这部分要通过示意图和公式推导，证明链传动时为何会产生速度的变化、为何会产生加速度、为何会产生冲击载荷，以及这些参数的计算表达，进而揭示链传动规律性变化的运动特性本质；5．讲解链传动的受力分析。受力分析要结合前面的运动分析及前面的皮带传动的有关公式推导过程进行讲解，结合示意图，说清楚工作拉力、离心拉力、垂度拉力的产生原因及公式计算方法；6．讲解传动链的传动失效形式。这部分要结合链传动的过程中，各元件的运动方式、受力分析进行讲解，指出影响每一种失效形式的因素有哪些及如何影响；7．讲解功率曲线及链传动选型方法。这部分要结合链传动的失效形式进行讲解，说明功率曲线的由来，如何根据功率曲线进行实际选型，以及如何进行链传动的静强度计算；8．讲解链传动设计步骤。设计步骤其实就是最为重要的设计思想，是实际设计过程需要遵守的设计流程。这部分的讲解可以结合一个设计题目进行讲解，通过设计过程，让学生弄懂链传动的设计步骤。这部分的教学还要告诉学生如何选择诸如链轮齿数、传动比、链节距、中心距、链节数等参数，说明这些参数的数值过大或过小会产生什么样的性能影响；9．讲解链传动的布置和张紧。这部分要说明为什么链传动与带传动的布置方法会有所区别，讲清楚链传动的张紧意义与皮带传动的区别，讲解张紧方法及注意事项。按照上述的教学逻辑，教师将可以实现知识点上的教学连续性和相互关联性，便于实施层层递进的教学过程，方便学生的学习和掌握。

二、链传动设计部分几个重点内容的教学方法

链传动的教学内容虽然很多，但关键是要抓住最为关键的几部分，其他部分难度不大，可望迎刃而解。链传动这部分的教学难点和重点包括：链传动的运动特性、链传动的受力及失效形式、链传动的结构与参数选择。为了提高上述几个难点部分的教学效果，笔者采用了以下的教学方法。

（一）结合示意图和公式推导深入分析链传动的运动特性讲解过程中先结合链传动的动画，让学生看清楚，链传动是如何工作的。在此基础上，结合图2进行讲解。从图2可以看出，当链绕在链轮上时，这一段链条将曲折成正多边形的一部分。因此链传动的运动情况和绕在多边形轮子上的带传动很相似，边长相当于链节距p，边数相当于链轮齿数z。轮子每转一周，带子转过的长度应为np，当两链轮转速分别为n2和n3时，存在关系式。

（二）结合公式推导讲解链传动的受力及失效形式讲解链传动的受力分析时，应结合皮带传动的受力分析讲解。首先要说明链传动与皮带传动的不同在于，链传动是一种啮合传动，它不是靠摩擦力实现动力传递的。因此，它的工作拉力可以直接应用功率P（kW）和链速ν（m／s）进行计算。计算公式为。和皮带传动一样，链传动也存在离心拉力，计算方法与皮带传动的离心拉力完全一样，离心拉力Fc的大小取决于每米链长的质量q和链速ν，可以用下面的方程进行计算。和皮带传动不同的是，链传动由于不需要很大的张紧力，所以松边一般会有比较大的垂度，加之链的质量较大，会产生垂度拉力Ff。这一定要结合图3进行讲解。可以看出，这个力学模型是一个高度简化的处理方法，将铰接的链节看作一个刚体，从中间对称断开，而将链与链轮啮合处看作是自由铰接点，采用力矩平衡的方法建立力学平衡关系，并推导出垂度拉力的计算公式。该力学平衡关系。

（三）深入分析链传动的参数选择及确定方法这部分的讲解要结合链传动的设计步骤进行。一般来说，设计滚子链时的原始数据为：传动的功率、小链轮和大链轮的转速（或传动比）、原动机种类、载荷性质及传动用途等。设计步骤可以归纳为：选择链轮齿数z1、z2，确定传动比i，确定链传动的型号，确定链节距，确定中心距和链长，链速和链轮的极限转速，计算链传动作用在轴上的力FQ等7个环节。这些环节说到底就是确定有关参数。在讲解选择大小链轮齿数时，关键是小链轮齿数的选择，大链轮齿数根据传动比自然就同时产生了。要说清楚小链轮齿数对链传动的平稳性和使用寿命有较大的影响，链轮齿数不宜过多或过少。过少时：1．增加传动的不均匀性和动载荷；2．增加链节间的相对转角，从而增大功率消耗；3．增加铰链承压面间的压强（因齿数少时，链轮直径小，链的工作拉力将增加），从而加速铰链磨损等；4．增加链传动的圆周力，从而加速了链条和链轮的损坏。可以看出，若Δp不变（磨损量一定），则链轮齿数愈多，分度圆直径的增量Δd就愈大，所以链节愈向外移，链从链轮上脱落下来的可能性也就愈大，链的使用期限也就愈短。因此，链轮最多齿数限制。在讲解传动比的确定方法时，说明链传动的传动比一般i≤8，推荐i＝2～3．5，在低速和外廓尺寸不受限制的地方允许到10（个别情况可到15）。要说清楚传动比过大和过小会产生什么样的问题。比如传动比过大，则链包在小链轮上的包角过小，啮合的齿数太少，这将加速轮齿的磨损，容易出现跳齿，破坏正常啮合，但传动比过小则会使得传动的变速效果降低。设计时如何最终确定合适的传动比，一定要综合考虑。链传动的型号确定很简单，就是根据额定功率和小链轮的转速－功率曲线即可确定。但在确定过程中，教师一定要告诉学生，确定的型号并不是唯一的，可以根据自己面对的实际设计要求进行一定的调整。比如说，如果动载荷不是一个关键的问题，希望链传动的链条数少一些，可以选择上一级大型号的链传动；如果希望链的动载荷小一些，可以选择低一级的链传动型号。当然，这时可能需要采用多排链传动。从而让学生掌握如何灵活地在应用中选择链传动型号。链节距是链传动十分重要的参数。在讲解过程中，教师要告诉学生，链节距越大，链和链轮齿各部分尺寸也愈大，链的拉曳能力也越大，但传动的速度不均匀性、动载荷、噪声等都将增加，并讲清楚为什么会有上述因果关系。要告诉学生，在设计时，在承载能力足够条件下，应选取较小节距的单排链，高速重载时，可选用小节距的多排链。一般，载荷大、中心距小、传动比大时，选小节距多排链；速度不太高、中心距大、传动比小时选大节距单排链。中心距的选择同样也是一个权衡的过程，因为当链速不变，中心距小、链节数少的传动，在单位时间内同一链节的屈伸次数势必增多，因此会加速链的磨损。中心距大、链较长，则弹性较好，抗震能力较高，又因磨损较慢，所以链的使用寿命较长。但中心距如果太大，又会发生松边上下颤动的现象，使传动运行不平稳。因此，实际设计时，推荐的最适宜的中心距a＝（30～50）p。但要告诉学生，这样的确定方法只是一种近似的方法，关键是实际工作中要不断摸索。比如可以采用类比法、实验法等以经验为驱动的方法，通过实践逐渐掌握最佳的中心距确定方法。链速的确定要结合前面关于链传动的动载荷现象进行讲解，因为链速的提高受到动载荷的限制，所以一般最好不超过12m／s。如果链和链轮的制造质量很高，链节距较小，链轮齿数较多，安装精度很高，以及采用合金钢制造的链，则链速也允许超过20m／s～30m／s。每一种型号的链都存在一个最佳转速和极限转速，可以通过有关手册查到，告诉学生尽可能在最佳速度下设计，但不是绝对的。链轮轴上的受力FQ计算只要应用公式就可以算出来。但要告诉学生，为了减少链传动过程中链轮轴上的力，应该尽量减少链的松边垂度，并介绍减少垂度的有关方法。在上述有关设计步骤和参数确定方法讲完后，教师要结合一个链传动的设计例题进行强化，让学生真正掌握设计过程及每一步应该解决的问题。

三、结束语

本文以链传动的教学方法为对象，从链传动部分内容的教学逻辑构建、结合示意图和公式推导深入分析链传动的运动特性、结合公式推导讲解链传动的受力及失效形式、深入分析链传动的参数选择及确定方法等几个方面，系统分析了链传动的教学方法，指出教学过程应该注意的事项。但教学过程中还要就链传动的一些其他内容进行认真思考。比如教授套筒链和套筒滚子链的结构时，应说清楚套筒滚子链与套筒链的结构区别，为什么套筒滚子链的效率会更高？应说清楚为什么链传动中的链节数一般要取偶数，链节数为奇数时为什么要采用过渡链节，过渡链节会带来什么问题？为何在全部使用过渡链节时可以起到很好的缓冲作用？为什么链板要做成“8”字形，意义是什么？多排链的排数为何要进行限制？这些都是设计思想，需要强化。再比如齿形链传动更适合高速传动，其内在的结构原因是什么？为什么齿形链在工作过程中的声音会很小？这些也要从结构原理上进行讲解……可以看出，虽然链传动的结构并不复杂，其应用也非常普遍和常见，但链传动这一部分的教学无论在原理分析、结构参数的确定及设计计算过程的细节问题上，都需要我们在教学过程中认真对待，探索更为有效的教学方法。

作者：安琦单位：华东理工大学机械与动力工程学院