同步带传动的理论研究新产品新工艺的开发

随着同步带在应用领域不断扩展及需求量逐年增加，对同步带传动使用要
求也在提高。同步带传动中也暴露了许多问题和缺陷，需要用试验来分析验证
和从理论上加以论证，这些问题推动了同步带传动理论的研究和发展。
从梯形齿廓同步带发明并应用至今，现已有多种齿形同步带在工程中得到
广泛应用， 提高同步带的承载能力和工作寿命是同步带技术研究的核心和主题。
在强度研究方面，突出的是美国BOOKIN，我们从带齿间的载荷分
布、带与带轮间的节距差值、带的疲劳强度和断裂特性、带的不完全啮合影响
的多方面试验分析了同步带的强度 [11] 。同步带传动特性研究方面，日本学者笼
谷正则等人从初拉力、回转传动误差、爬齿现象等多方面分析了同步带的传动
特性。带的振动和噪声研究方面，日本学者讨论了引起振动和噪声的原因及影
响因素，提出了降低振动和噪声的方法。
目前国内同步带传动的理论研究与国外在此领域发达的***相比还有一定
差距，对于新产品新工艺缺少理论的指导，因此造成设计上很大的盲目性。国
产同步带的质量和数量和国外相比还存在一定差距，仅能满足一般工业用途，
在一些要求较高的场合，仍没有优势。由于知识产权的保护，国内研究机构及
企业并不能整体掌握进口传动带的关键技术 [12] 。国内一些高校及企业在引进消
化吸收的基础上， 积极地进行理论试验研究， 开发新型同步带型号及生产设备。
人字齿与带轮之间的接触分析是对人字带承载啮合过程进行仿真的一种重要分
析方法，是连接同步带齿形设计与力学分析的桥梁。国内、国外许多学者对有
螺旋角时带齿承载接触分析工作主要集中在单斜齿上， 对人字齿的研究比较少。
同步带领域的研究热点集中在如何提高其承载能力和使用寿命上，从提高
带齿强度、提高传动精度及降低传动噪声等方面改善传动质量，努力使同步带
由易损件变为耐用零件。另外，对于具有双侧齿形、背面带有 V 槽和可同时驱
动同步带轮和三角带轮等综合性能同步带的开发和使用，也是研究人员非常感
兴趣的领域 [13] 。其次，研究如何改进同步带制造工艺，降低生产成本，解决制
造上的困难等问题。
1.2.3 BOOKIN同步带的结构及材料
BOOKIN同步带由带背、强力层和带齿组成 [14] ，带齿面及带背上覆盖了一层包布，
强力层是同步带的承重层，在工作时用受拉来传递动力，由于它的材料具
有抗拉强度高、***强度好且受拉变形小的特点，保证了工作时带的节线长
基本不变。因此，对带的强力层材料有较高的强度和伸长率要求。
玻璃纤维强力层是由多股玻璃纤维绳按螺旋形绕制而成，要求其与基体有
粘结力。玻璃纤维具有良好的柔韧性和较高的弯曲疲劳寿命，在与基体材料的
粘结性及耐腐蚀性方面优于钢丝，能在潮湿环境下工作而不生锈。缺点是国内
目前生产的玻璃纤维绳抗拉强度较低，质量还需进一步提高。近年来美、日等
开始采用芳纶线绳做同步带的强力层材料。作为一种新的合成纤维，芳纶各方
面性能均高于氯丁橡胶，弹性模量高、耐腐蚀、有高温的稳定性、强度大、密
度小，所以是一种理想的强力层材料。缺点是价格昂贵。
早期的同步带用橡胶采用液体浇注型聚氨酯橡胶，具有较高的耐磨性和耐
油性，生产工艺简单，成型方便。但是聚氨酯的耐热性和耐水性不好，高温时
容易蠕变，强度严重下降，且浇注法生产的同步带没有包布层 [15] 。目前同步带
齿材料主要是氯丁橡胶，它抗动态屈挠性能好，不易龟裂，与强力层的粘结性
好， 氯丁橡胶同步带外层都有一层包布层作为保护层。 氢化***橡胶是 70 年代
末开发出来的，其具有耐高低温的优点，且其拉伸性、***性、抗腐蚀性、
耐磨性和耐油性均较之前材料有所提高，加工工艺不复杂 [16] 。
包布层只用于氯丁橡胶作带基的同步带上，一般选尼龙作为材料，保护带
齿不受磨损，增加了带齿的耐磨性，同时提高了带齿的抗拉强度 [17] ，在同步带
硫化过程中一次成型。
1.2.4 同步带失效形式
同步带在传动中的失效形式主要有一下五种，几种形式有可能单独发生，
也有可能同时发生多种 [18] 。

（1）带齿折断：带齿在与轮齿啮合过程中，受到剪切应力和挤压应力的作
用，齿根弯曲应力***大，且齿根处截面突变引起应力集中，齿根处容易产生疲
劳裂纹并向周围逐渐扩展，致使整个带齿与带基体逐渐脱离。
（2）强力层断裂：在同步带传动中，强力层作用有过大的拉力，造成强力
层的玻璃纤维绳被拉断。此外当带轮直径过小时，传动时收到周期性的弯曲疲
劳应力作用，也会产生疲劳断裂 [19] 。设计中应合理确定强力层的材料和厚度。
（3）带齿磨损：随着工作条件的不同带齿的磨损形式不同，包括工作面及
带齿齿顶圆角处和齿谷底部的磨损。
（4）带背龟裂：同步带在运转一段时期后，带背承受了中期性变化的弯曲
应力，加之工作温度过低和材料老化，会产生龟裂的现象。
（5）强力层从带背中抽出或包布层在齿面上脱落：同步带在传递过程中，
由于强力层、包布层与带基体材料粘结力过小，而从带的基体中抽出