淺析鏈傳動(dòng)仿真及其動(dòng)載荷
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作者：張毅
鏈傳動(dòng)適用于兩軸平行且距離較遠(yuǎn)、瞬時(shí)傳動(dòng)比無(wú)嚴(yán)格要求以及工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，廣泛用于農(nóng)業(yè)、采礦、冶金、石油化工及運(yùn)輸?shù)雀鞣N機(jī)械中。本文結(jié)合鏈傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性的理論分析，使用當(dāng)前世界上對(duì)鏈傳動(dòng)仿真最理想的軟件RecurDyn，對(duì)引起動(dòng)載荷的主要因素進(jìn)行仿真分析。
1 鏈傳動(dòng)的組成
鏈傳動(dòng)由軸線平行的主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪、鏈條以及機(jī)架組成，依靠鏈輪齒和鏈的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，如圖1所示。
由上述分析可知，每繞過(guò)一個(gè)鏈節(jié)，鏈速就周期性地由小到大，再由大變小地發(fā)生變化。正是這樣的變化，造成鏈傳動(dòng)速度的不均勻性。如果過(guò)大，可導(dǎo)致跳齒現(xiàn)象。
在從動(dòng)鏈輪上，每個(gè)鏈節(jié)在嚙合過(guò)程中所對(duì)的中心角為9。=360。/22，y角在-妒。／2到+g2/2間變化。由于鏈速v及y角的變化，使得從動(dòng)輪的角速度∞：也發(fā)生變化。此時(shí)
（r2為從動(dòng)輪節(jié)圓半徑），
。所以鏈傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比也是變化的，只有當(dāng)r1=r2，即z1=z2，且鏈傳動(dòng)的中心距為鏈節(jié)距p的整數(shù)倍時(shí)，口才會(huì)和y時(shí)時(shí)相等，傳動(dòng)比才能恒定不變。
3基于RecurDyn的運(yùn)動(dòng)仿真
3.1 創(chuàng)建幾何模型
首先進(jìn)入工具箱中的鏈傳動(dòng)子系統(tǒng)，分別使用其中的Roller Sprochet.Roller Link、Chain Assembly'等工具，建立如圖3所示的幾何模型。
3.2創(chuàng)建物理模型
在Professional下，通過(guò)施加運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、驅(qū)動(dòng)約束、力載荷、初始條件等裝配形成表達(dá)多體力學(xué)關(guān)系的物理模型。這里通過(guò)STEP函數(shù)使主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速由零逐漸加速到常數(shù)值。
3.3 仿真與結(jié)果分析
系統(tǒng)仿真采用的主要參數(shù)如下：主動(dòng)輪齒根圓直徑為db305. 89 mm、分度圓直徑為Q345. 58 mm、齒頂圓直徑為<p363. 41 mm;從動(dòng)輪齒根圓直徑為@386. 89 mm、分度圓直徑為q)426. 05 mm、齒頂圓直徑為@445. 03 mm;滾子鏈條內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬為35 mm、滾子外徑為q)39. 69 mm、銷(xiāo)軸直徑為@19. 85 mm、內(nèi)（外）鏈板厚為8 mm。
通過(guò)Analysis進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)Post等提取出主、從動(dòng)鏈輪的角速度和作用在鏈輪軸上的力，如圖4、圖5所示。
由圖4可知，在0 s～1 s之間，主動(dòng)輪角速度采用三次函數(shù)由零逐漸增大直至為一常數(shù)，但從動(dòng)輪角速度仍在變化，這正是多邊形效應(yīng)所致。
由圖5可知，鏈傳動(dòng)在工作時(shí)，對(duì)鏈輪軸的作用力是變化的動(dòng)載荷，其原因是從動(dòng)輪的角加速度是變化的，所以從動(dòng)輪及與其相聯(lián)接的質(zhì)量也將具有不均勻的回轉(zhuǎn)加速度，由于回轉(zhuǎn)質(zhì)量的加速和減速，從而產(chǎn)生了動(dòng)載荷，其大小與回轉(zhuǎn)質(zhì)量和加速度的大小有密切關(guān)系，鏈的加速度愈大，動(dòng)載荷也將愈大。鏈的加速度為：
當(dāng)銷(xiāo)軸位于p=±9，／2時(shí)將得到最大加速度：
將主動(dòng)輪速度提高4倍，觀察速度大小對(duì)動(dòng)載荷的影響，仿真結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。由圖6、圖7、圖8可以看出，主動(dòng)輪角速度越大，從動(dòng)輪上的角加速度變化越大，進(jìn)而導(dǎo)致軸上反作用力變化越大即動(dòng)載荷越大；速度越高，輪齒與鏈節(jié)之間的作用力變化頻率越高，但速度大小對(duì)鏈輪與鏈條間的作用力大小影響不大，當(dāng)鏈節(jié)進(jìn)入鏈輪的瞬間，鏈節(jié)和輪齒以一定的相對(duì)速度相嚙合，從而使鏈和輪齒受到?jīng)_擊并產(chǎn)生附加動(dòng)載荷。
由于鏈節(jié)對(duì)輪齒的連續(xù)沖擊，將使傳動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并將加速鏈的損壞和輪齒的磨損，同時(shí)增加了能量的損耗。附加動(dòng)載荷的大小取決于工作載荷、系統(tǒng)傳動(dòng)部分的慣性質(zhì)量大小以及鏈條的張緊力。減小鏈節(jié)節(jié)距、降低慣性質(zhì)量大小和張緊力均可降低沖擊力的大小，圖9為節(jié)距變化時(shí)輪齒與鏈節(jié)間作用力的變化情況，圖10為鏈輪齒數(shù)變化時(shí)從動(dòng)輪角加速度的變化情況。
4結(jié)論
通過(guò)以上分析，得到如下結(jié)論：①對(duì)于鏈傳動(dòng)，瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定，從動(dòng)輪總是變速運(yùn)動(dòng)；②各個(gè)軸均受到動(dòng)載荷的作用；③速度越高，從動(dòng)輪角加速度變化越大，各個(gè)軸的動(dòng)載荷越大；④鏈輪的節(jié)距越大，鏈輪齒數(shù)越少，鏈速的不均勻性越明顯，動(dòng)載荷也越大；⑤鏈節(jié)與輪齒間作用力的大小與速度關(guān)系并不大，與節(jié)距有關(guān)，節(jié)距越大，沖擊力越大，所產(chǎn)生的附加動(dòng)載荷也越大；⑥在設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)時(shí)，完全可采用該虛擬技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估。
5摘要：結(jié)合鏈傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性的理論分析，依托RecurDyn軟件，對(duì)引起鏈傳動(dòng)動(dòng)載荷的主要因素進(jìn)行了仿真及分析。所得結(jié)論可為設(shè)計(jì)和改造鏈傳動(dòng)設(shè)備以及降低振動(dòng)和噪聲提供參考依據(jù)。
