一種新型齒形鏈的設(shè)計(jì)與分析*

程 美

(湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,湖南株洲 412001)

一種新型齒形鏈的設(shè)計(jì)與分析*

程 美

(湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,湖南株洲 412001)

綜合滾子鏈和無聲鏈的優(yōu)點(diǎn),創(chuàng)新設(shè)計(jì)了雙目齒形鏈,根據(jù)嚙合曲面理論進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,采用TCA進(jìn)行了模擬分析,得出了鏈片的完整嚙合過程,結(jié)果反應(yīng)出鏈條耐磨性較好、噪音降低了,應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)具有一定的價(jià)值。

齒形鏈;運(yùn)動(dòng)分析;分析模型;TCA

0 引 言

當(dāng)兩傳動(dòng)軸間的距離過遠(yuǎn)時(shí),且需要傳輸較大功率時(shí),通常采用鏈傳動(dòng),應(yīng)用廣泛的是滾子鏈和無聲鏈[1]。如圖1所示,滾子鏈?zhǔn)怯涉湴?、活?dòng)滾子及銷裝配連接而成,當(dāng)鏈條與鏈輪接觸時(shí),活動(dòng)滾子可以轉(zhuǎn)動(dòng),相互之間的嚙合是滾動(dòng)接觸,產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。所以,對嚙合條件要求較低,通常適用于低速、高扭力的情況,傳輸速率為0～15 m/s。如圖2所示,無聲鏈?zhǔn)怯射N連接齒形鏈板交互組裝而成,傳輸負(fù)荷能力較滾子鏈高,且產(chǎn)生噪音小,廣泛應(yīng)用于高速、高傳動(dòng)效率和低噪音的情況,傳輸速率為0～15 m/s,平均傳動(dòng)效率高達(dá)97% ～99%[2]。

圖1 滾子鏈

圖2 無聲鏈

從結(jié)構(gòu)上看,無聲鏈?zhǔn)嵌鄬渔湴褰惶嬷丿B組成,比滾子鏈的磨耗大得多。而滾子鏈的工作噪音較大,其原因一方面是鏈條在鏈輪節(jié)圓內(nèi)形成多邊形效應(yīng),與鏈輪齒碰撞產(chǎn)生振動(dòng)及噪音;另一方面是活動(dòng)滾子沖擊鏈輪底部造成振動(dòng)與噪音。鑒于上述分析,筆者有意設(shè)計(jì)一種結(jié)合滾子鏈和無聲鏈二者優(yōu)點(diǎn)的新型雙目齒形鏈,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

1 新型雙目齒形鏈設(shè)計(jì)

為了提高耐磨性,新型雙目齒形鏈的主體構(gòu)造如圖3所示,采用了滾子鏈結(jié)構(gòu),將圖4所示的齒形羅拉取代活動(dòng)滾子,齒形羅拉是垂直固定于鏈板上,齒形羅拉不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 滾子鏈

圖4 齒形羅拉替代活動(dòng)滾子

鏈條齒形羅拉如圖5所示,上半部采用半圓弧,下半部參考無聲鏈輪廓,通過齒形與鏈輪接觸嚙合。圖5中,P為鏈片軸孔中心,Q齒形羅拉外緣圓心,p為鏈片節(jié)距,rb2為鏈片內(nèi)緣半徑,(a1,a2)為Q和P之間的距離。

圖5 齒形羅拉設(shè)計(jì)參數(shù)圖

2 雙目齒形鏈運(yùn)動(dòng)分析

2.1 分析模型構(gòu)建

鏈條傳動(dòng)時(shí),有緊邊鏈條與松邊鏈條,主要的動(dòng)力傳輸是由主動(dòng)輪帶動(dòng)緊邊鏈條,再由緊邊鏈條驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪[3]。筆者僅分析緊邊鏈條與主動(dòng)輪的最初嚙合接觸模式,并如圖6所示對鏈條進(jìn)行正規(guī)化,使得鏈條進(jìn)入主動(dòng)輪的角度不發(fā)生變化[4]。

圖6 鏈條正規(guī)化

由于文中所分析的齒形雙目鏈?zhǔn)强魁X形羅拉的外緣固定在鏈輪上,所以當(dāng)圓弧邊外緣固定于漸開線鏈輪齒上時(shí),在理想狀態(tài)下,固定鏈片的軸孔中心會位于鏈輪圓心的輻射線上。

不同鏈片搭配在不同的鏈輪上,造成鏈片的真正固定位置有所不同。進(jìn)行鏈條嚙合分析前,要假定鏈片的固定位置,經(jīng)過分析后將得到鏈片的真正固定位置[6]。采用圖7所示的假設(shè)固定模式,即假設(shè)鏈片的正中央位于固定坐標(biāo)系Sf軸時(shí)為固定。

圖7 鏈片假定固定模式

根據(jù)假設(shè)固定模式,假定圖8中鏈片0為固定鏈片,則鏈片1做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),鏈片2的前齒與鏈輪齒接觸時(shí),將受到鏈片1的拉力和鏈輪齒的接觸力,以及緊邊鏈條所產(chǎn)生的緊邊張力,此三力是瞬時(shí)平衡。由力學(xué)的三力平衡定理可知,三力平衡是彼此平行或共點(diǎn),而由圖8可以看出此三力為共點(diǎn)關(guān)系。

圖8 鏈片三力平衡圖

2.2 運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)分析模型,采用TCA方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。TCA(Tooth Contact Analysis)方法是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行齒面接觸區(qū)域的分析和修正的方法,是以齒輪嚙合理論為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)為工具,建立嚙合曲面的模型,仿真齒輪副的嚙合過程、產(chǎn)生接觸區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù),并分析它們在不同安裝形式下的齒面接觸區(qū)域的情況,進(jìn)而完成對非正確的接觸區(qū)域的修正[6-7]。圖9為左齒嚙合期的TCA結(jié)果(其他時(shí)期結(jié)果圖未列出),各時(shí)期的臨界點(diǎn)數(shù)值如表1所列。

圖9 左齒嚙合期的TCA結(jié)果

TCA方法要求初始值的選擇必須滿足共軛接觸定理,并將其作為迭代運(yùn)算,故必須求得進(jìn)行嚙合接觸的初始點(diǎn),以此為初值進(jìn)行運(yùn)算。對鏈條節(jié)距12. 7 mm、32齒鏈輪[8]進(jìn)行數(shù)值模擬分析,表1中φp為鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)角度、φ1為鏈輪齒漸開線參數(shù)、φ2為鏈片1與鏈片2之間的夾角、φ3為鏈片2與鏈片3之間的夾角、θ2為漸開線展開角度、α2為鏈片2接觸點(diǎn)與坐標(biāo)系之間的x軸夾角、θ2為鏈輪齒3漸開線展開角度、α3為鏈片3接觸點(diǎn)與坐標(biāo)系之間的x軸夾角。

表1各時(shí)期的臨界點(diǎn)數(shù)值

從運(yùn)動(dòng)分析可以看出,具有兩個(gè)齒形羅拉的鏈片,偶數(shù)鏈片0、2、4的完整嚙合過程,可分為緊邊期、左齒嚙合期、暫時(shí)固定期、右齒嚙合期以及固定期。奇數(shù)鏈片1、3,的運(yùn)動(dòng)過程為緊邊期、懸浮期與固定期,以鏈片1為例,當(dāng)鏈片2進(jìn)入嚙合期時(shí),鏈片1因無齒形羅拉與鏈輪接觸,自然處于懸浮狀態(tài),鏈片2固定后,鏈片1同時(shí)固定,其完整嚙合過程如表2所列。

表2 嚙合過程

另外,鏈片2在嚙合過程中接觸點(diǎn)的變化如圖10所示,可以看出接觸點(diǎn)的范圍以及移動(dòng)方向。由此可以分析出,齒形羅拉尺寸設(shè)計(jì)時(shí)要注意接觸點(diǎn),避免齒形羅拉太短或太長而導(dǎo)致嚙合不順利。

圖10 接觸點(diǎn)變化圖

3 結(jié) 論

新型雙目齒形鏈綜合了滾子鏈和無聲鏈的優(yōu)點(diǎn),一方面保留了滾子鏈的基本結(jié)構(gòu),提高鏈條耐磨性;另一方面將活動(dòng)滾子改為齒形羅拉,改變了嚙合時(shí)的接觸方式,降低噪音。

從運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果看,運(yùn)動(dòng)過程依次經(jīng)過緊邊期、左齒嚙合期、暫時(shí)固定期、右齒嚙合期和固定期,前后鏈片不具備齒形羅拉的運(yùn)動(dòng)過程為緊邊期、懸浮期以及固定期,整個(gè)過程中每個(gè)齒形羅拉都與鏈輪有嚙合作用,經(jīng)過分析測試,該新型齒形鏈條具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 孟繁忠.齒形鏈分類及其多元變異特性研究[J].機(jī)械傳動(dòng), 2014(2):5-9.

[2] 孟繁忠.齒形鏈嚙合原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] 田 波,胡榮恒,王光建.不對稱齒形鏈傳動(dòng)性能的分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2004(1):43-47,2.

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Design and Analysis of a New Kind of Silent Chain

CHENG Mei
(Mechanical and Electrical Engineering Department,Hunan Automotive Engineering Vocational College,Zhuzhou Hunan 412001,China)

According to the advantages of roller chain and the silent chain,the binocular silent chain is innovatively designed in this paper.Motion analysis is conducted according to the meshing surface theory,and simulation analysis with TCA,then the full engagement process is obtained.The results show that the chain is good in wear resistance,and with little noise,thus it would have certain value in practical production.

silent chain;motion analysis;analysis model;TCA

TH132.45

A

1007-4414(2015)05-0114-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.039

2015-08-09

程 美(1984-),女,湖南臨澧人,講師,在讀碩士,主要從事汽車制造專業(yè)教學(xué)與研究。