基于RecurDyn的同步帶間歇傳動的動態(tài)性能研究

葛正浩， 馬志平， 張凱凱， 梁金生

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

傳統(tǒng)的傳動裝置，一般為鏈傳動或帶傳動，其中鏈傳動由于多邊形效應(yīng)而使鏈條在鏈輪上產(chǎn)生不均勻起伏，造成主從動輪的非同步，從而影響了傳動的精度；帶傳動由于在傳動過程中存在著不可避免的彈性滑動.因此，當(dāng)前現(xiàn)有的傳動裝置，一般不能提供精確的間歇、分度傳動，且存在較大的噪聲和不穩(wěn)定性[1].

同步帶傳動中，同步帶工作面有齒，帶輪的輪緣表面有相應(yīng)的齒槽，依靠帶和帶輪之間的嚙合來傳遞運動和動力，它無滑動，傳動比準(zhǔn)確且恒定，傳動效率高，傳動功率范圍大，傳動速度快，預(yù)緊力小，綜合了摩擦型帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點[2].本文根據(jù)此類問題設(shè)計了可以解決上述技術(shù)問題的高速同步帶間歇傳動裝置,建立了虛擬樣機，并利用RecurDyn對虛擬樣機進行動態(tài)仿真，為論證該裝置的可行性與實用性提供了參考.

1 同步帶間歇傳動裝置的設(shè)計與建模

利用RecurDyn軟件對該模型進行虛擬樣機建模，如圖1所示.

圖1 同步帶間歇傳動裝置

該間歇傳動裝置包括安裝在機架上的減速機，凸輪分度裝置及連接二者的聯(lián)軸器，主動輪，同步帶，從動輪，工位以及提供工作平臺的支撐板等元件.固定產(chǎn)品的工位底部通過伸出桿插入同步帶背面內(nèi)部，通過同步帶運動來帶動其前移，工位兩端伸出桿上裝有滾針軸承，支撐板設(shè)置有與滾針軸承運動軌跡一致的開槽，滾針軸承在開槽內(nèi)滾動，從而實現(xiàn)工位上產(chǎn)品的移動并能限制同步帶的振動.

該機構(gòu)中的減速機和凸輪分度裝置可根據(jù)實際生產(chǎn)需要，根據(jù)不同參數(shù)選擇相應(yīng)的現(xiàn)有產(chǎn)品，以便滿足不同的間歇傳動需求.主動輪和從動輪都是固定的，依靠安裝及帶輪和同步帶的相關(guān)參數(shù)的選擇來保證運動精度.實際使用中，間歇運動的實現(xiàn)既可以采用凸輪間歇傳動機構(gòu)，也可以使用伺服電機.下文就同步帶在間歇運動情況下的動態(tài)性能做系統(tǒng)研究.

2 同步帶間歇運動下的同步帶動態(tài)分析

在主動輪上設(shè)置簡諧運動速度驅(qū)動函數(shù)：IF(mod(TIME,3)-2:-sin(1/2*pi*mod(TIME,3)),0,0)；調(diào)用RecurDyn/Solver對模型進行仿真，選定編號為88的帶元為研究對象，觀察其從運動到與帶輪嚙合直至嚙合結(jié)束整個過程中的動態(tài)特性.主動輪的角速度曲線如圖2所示.

圖2 主動輪角速度曲線

從仿真動畫中可以看到，在主動輪的驅(qū)動下，同步帶速度緩慢增大，在兩帶輪之間運動過程中，同步帶發(fā)生輕微振動，也出現(xiàn)一定的垂度，相比于突然啟動，穩(wěn)定性要增強許多[3].

2.1 同步帶帶元位移曲線的分析

圖3 帶元位移曲線

圖3為88號帶元質(zhì)心在間歇傳動情況下，在坐標(biāo)系中沿x、y、z方向上位移隨時間變化曲線圖.可以看出，帶啟動后，經(jīng)過大概4.8 s的運動，在x方向位移到達0值時，表示開始進入嚙合階段.經(jīng)過1 s的時間停留，帶元繼續(xù)運動.當(dāng)x方向位移再次到達0值，或y方向位移達到最小時，帶元運動至主動輪最下端.由上圖還可以看出，88號帶元從靜止到運動狀態(tài)，開始時雖然也出現(xiàn)了輕微的橫向振動，但此時的振動優(yōu)越于突然恒定加速，之后的運動平穩(wěn)正常，達到理想狀態(tài).同時，間歇傳動的z向竄動更小，這體現(xiàn)出間歇傳動的啟動方式遠優(yōu)越于突然啟動方式[4].

2.2 同步帶帶元速度曲線的分析

圖4 帶元速度曲線

圖4為88號帶元整個運轉(zhuǎn)過程中的速度變化曲線.(a)為速度矢量圖，(b)為3個方向的速度分量曲線.由整體矢量圖可以看出，帶元與主動輪運動規(guī)律基本保持一致.兩圖結(jié)合對照可以看出：在主動輪的帶動下，帶元y方向出現(xiàn)波動，這與之前位移曲線形成對應(yīng)關(guān)系.直到與主動輪嚙合后，速度達到穩(wěn)定狀態(tài)，與主動輪運動規(guī)律保持一致.從x方向速度曲線可以直觀看出，帶元運動速度基本保持與主動輪曲線大體相同的形狀，但是大小值在不斷的變化，這充分說明帶作為粘彈性體對速度的影響作用.整體上看，y方向帶元速度只是在帶元與主動輪嚙合之前，及在與從動輪嚙合之前的松邊運行階段，速度波動較大，同步帶的橫向振動作用明顯，在嚙合過程中，速度曲線光滑，與主動輪曲線保持一致，說明這種啟動方式在帶齒之間形成的沖擊較小，對速度波動影響不大.

2.3 同步帶帶轉(zhuǎn)速與帶元張緊力曲線的分析

圖5 兩帶輪轉(zhuǎn)速曲線

圖6 張緊力變化曲線

由圖5、圖6可以看出，主動輪與從動輪的速度一致性大大高于突然啟動，在主動輪速度變化階段，從動輪速度出現(xiàn)波動，這是由于帶的粘彈性引起的.帶中的張緊力變化較為平穩(wěn)，在主動輪速度變化時出現(xiàn)輕微波動，表現(xiàn)出來的也是一個相對穩(wěn)定的預(yù)緊力狀態(tài).

2.4 同步帶帶元接觸力曲線分析

圖7 接觸力曲線

圖7為88號帶元運動過程中接觸力的合力和各方向分力變化曲線圖.從圖中可以看出，在4.32 s之前，帶元未與主動輪和從動輪嚙合，故接觸力為零值.對應(yīng)于其他曲線圖，在4.32 s時，帶元與主動輪開始接觸，進入嚙合階段，接觸力開始出現(xiàn).由于慣性作用，接觸的瞬間，帶元會受到較大的沖擊力，在此力的作用下，帶齒會瞬間處于非接觸狀態(tài)或者較小面積的接觸狀態(tài)，帶會瞬間縮短產(chǎn)生接觸力.在嚙合停留階段，接觸力保持不變.帶齒與帶輪齒不同程度的接觸面積，材料差異，帶齒誤差等因素，最終導(dǎo)致了接觸力在數(shù)值上的大小波動.由圖7還可以看出，接觸力在整個嚙合過程中有一個最大值，至于具體數(shù)值的大小，與定義的接觸參數(shù)有關(guān).在12.96 s時，帶元與主動輪嚙合完成，接觸力又變?yōu)榱阒?

綜合以上曲線圖可以得出結(jié)論：上述對同步帶間歇傳動模型的仿真，結(jié)果與實際情況也比較一致.同步帶傳動系統(tǒng)的啟動明顯優(yōu)于突然恒速啟動，也充分證明了設(shè)計的同步帶間歇傳動裝置在應(yīng)用上的實用性.

3 結(jié)束語

利用RecurDyn對同步帶間歇傳動模型進行動態(tài)性能分析，結(jié)果與實際情況比較一致.同步帶傳動系統(tǒng)的啟動明顯優(yōu)于突然恒速啟動，也充分證明了同步帶間歇傳動裝置在應(yīng)用上的實用性.可按實際生產(chǎn)要求，選用不同的伺服電機或者凸輪分度裝置，以此來實現(xiàn)不同的高速間歇傳動.設(shè)計的同步帶間歇傳動裝置具有同步傳動、不跑偏、速度穩(wěn)而快的特點，具有更加穩(wěn)定的工況，可設(shè)計成系列化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品供用戶選擇使用.

[1] 葛正浩，張凱凱，梁金生，等．基于虛擬樣機技術(shù)同步帶傳動的動態(tài)性能研究[J]．機械傳動，2011,35(3)：64-66.

[2] 焦曉娟，張湝渭，彭斌彬，等.RecurDyn多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：57-58.

[3] 喬燕熊，劉衍平．基于RecurDyn的帶式輸送機啟動階段的動態(tài)分析[J]．起重運輸機械，2010,25(4)：52-55．

[4] 楊玉萍．錢永明，沈世德．同步帶傳動縱向振動的分析[J]．機械傳動，2002，26(4)：38-40．