齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)橫向振動(dòng)特性仿真分析

王文成，郭維霄，田輝，劉曉論

(1．承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等?？茖W(xué)校信息中心，河北承德067000;

3．吉林大學(xué)鏈傳動(dòng)研究所，吉林長(zhǎng)春130025)

齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)橫向振動(dòng)特性仿真分析

王文成1，郭維霄2，田輝1，劉曉論3

(1．承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等?？茖W(xué)校信息中心，河北承德067000;

3．吉林大學(xué)鏈傳動(dòng)研究所，吉林長(zhǎng)春130025)

基于Catia和Adams軟件建立了齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究了齒形鏈與鏈輪傳動(dòng)過程中的橫向振動(dòng)特性，分析了主動(dòng)輪和從動(dòng)輪扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及鏈節(jié)的橫向振動(dòng)的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)。結(jié)果表明齒形鏈的橫向振動(dòng)呈現(xiàn)周期性，在嚙合頻率附近振幅最大。

齒形鏈系統(tǒng);橫向振動(dòng);仿真分析

齒形鏈傳動(dòng)與滾子鏈傳動(dòng)相比具有高速、重載、低噪聲、低磨損等優(yōu)點(diǎn)，作為動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞裝置被廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中［1-2］。但是，齒形鏈在高速工況下，橫向振動(dòng)劇烈，嚴(yán)重地限制其運(yùn)行速度的提高以及運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性［3-5］。本文利用Catia三維軟件和Adams多體動(dòng)力學(xué)分析軟件聯(lián)合建立了齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的幾何模型和動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析了齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中鏈輪的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和緊邊鏈段的橫向振動(dòng)的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)。該研究對(duì)于提高齒形鏈傳動(dòng)的平穩(wěn)性、鏈節(jié)定位準(zhǔn)確度等方面具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1　幾何模型建立

齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、齒形鏈條三部分組成，在傳動(dòng)過程中，主動(dòng)輪將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給緊邊鏈段，緊邊鏈段傳遞給從動(dòng)輪。由于鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的多邊形效應(yīng)和嚙合沖擊的作用，導(dǎo)致緊邊鏈段產(chǎn)生橫向振動(dòng)。橫向振動(dòng)是影響傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和定位準(zhǔn)確度的重要因素［6］。

本文利用Catia三維建模軟件建立了齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的幾何模型，如圖1所示［7］。該模型由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和齒形鏈組成。其中鏈輪齒數(shù)Z1=19，Z2=30，齒形鏈節(jié)距P=15．875，4×5型，節(jié)數(shù)LP=50，中心距C=200．463 mm。

2　動(dòng)力學(xué)模型建立

將創(chuàng)建好的幾何模型導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件Adams中，給模型添加合理的運(yùn)動(dòng)副和約束如下:在主動(dòng)輪輸入軸軸心處添加驅(qū)動(dòng)(Motion);在從動(dòng)鏈輪輸出軸軸心處添加負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Torque);在主從動(dòng)鏈輪與大地、鏈板與銷軸、導(dǎo)板與銷軸之間添加旋轉(zhuǎn)副(Revolute)，在旋轉(zhuǎn)副上定義摩擦，模擬相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和摩擦阻力，保證仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征;在鏈板與銷軸、鏈板與鏈輪之間分別添加接觸力(Contact)［8］。施加邊界條件后的齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

仿真時(shí)，為了還原真實(shí)工況條件，在主動(dòng)鏈輪上添加1 000 rpm的轉(zhuǎn)速，從動(dòng)輪上添加阻力矩45 kN，用來模擬負(fù)載并保持齒形鏈處于張緊狀態(tài)。

3　仿真結(jié)果分析

圖3和圖4表示的是齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果數(shù)據(jù)提取，得到的鏈輪扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)結(jié)果。分析圖3(b)和圖4(b)主、從動(dòng)輪的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻域響應(yīng)結(jié)果曲線發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)輪扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅峰值發(fā)生在主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速1 000 rpm條件下的嚙合激勵(lì)頻率316．67 Hz附近，且隨著頻率的增加，振幅逐漸降低。而從動(dòng)輪的振動(dòng)峰值發(fā)生在嚙合頻率及其諧波頻率附近。比較以上兩圖可見，主動(dòng)輪扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中各個(gè)諧波振動(dòng)成分均不明顯，而從動(dòng)輪扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中二次諧波頻率成分較為明顯。

圖5為鏈節(jié)橫向振動(dòng)時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng)結(jié)果曲線，分析發(fā)現(xiàn)，在多邊形效應(yīng)和嚙合沖擊作用的影響下，鏈節(jié)橫向振動(dòng)過程中明顯出現(xiàn)周期性的橫向振動(dòng)峰值。從圖5(b)頻域分析可知，鏈節(jié)橫向振動(dòng)的主要頻率成分依然是其嚙合頻率及其諧波成分。鏈節(jié)的橫向振動(dòng)最大幅值發(fā)生在嚙合頻率附近。

4　結(jié)論

本文針對(duì)齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到以下結(jié)論:主動(dòng)輪扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的主要振動(dòng)頻率成分為嚙合頻率，而從動(dòng)鏈輪的主要振動(dòng)頻率成分為嚙合頻率及二次諧波振動(dòng)頻率。鏈節(jié)橫向振動(dòng)的主要頻率成分同樣是嚙合頻率及其諧波成分，鏈節(jié)的橫向振動(dòng)在嚙合頻率附近振幅最大。該研究結(jié)果對(duì)于解決齒形鏈傳動(dòng)的平穩(wěn)性、提高鏈節(jié)定位精度等有著十分重要的意義。

［1］鄭志峰，王義行，柴邦衡．鏈傳動(dòng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1984．

［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］張京正，王勇，薛云娜．發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈波動(dòng)與沖擊特性［J］．山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2007，37(2):30－33．

［4］鄧強(qiáng)．新型Hy-Vo齒形鏈的剛?cè)狁詈辖佑|動(dòng)力學(xué)分析及試驗(yàn)研究［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2012．

［5］李啟海．新型Hy-Vo齒形鏈的嚙合分析及其設(shè)計(jì)［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007．

［6］馮增銘，孟繁忠，李純濤．新型齒形鏈的嚙合機(jī)制及仿真分析［J］．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39(9):1427－1430．

［7］崔盟軍，宋英杰，李巍杭，等．三維建模軟件在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用［J］．承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010(10): 68－71．

［8］陳立平，張?jiān)魄?，任衛(wèi)群，等．機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

簡(jiǎn)訊

我校召開教育教學(xué)研究學(xué)術(shù)征文頒獎(jiǎng)暨學(xué)術(shù)研討會(huì)12月30日，我校召開2014年教育教學(xué)研究學(xué)術(shù)征文活動(dòng)頒獎(jiǎng)暨學(xué)術(shù)研討會(huì)，總結(jié)、交流本次活動(dòng)的成果，表彰獲獎(jiǎng)單位與個(gè)人。會(huì)議由副校長(zhǎng)于立國(guó)主持，副校長(zhǎng)田乃林宣讀了表彰決定。機(jī)械工程系、外語與旅游系、工業(yè)技術(shù)中心獲得優(yōu)秀組織獎(jiǎng)，張黎明等11人獲得一等獎(jiǎng)、張寶樹等15人獲得二等獎(jiǎng)、付德永等22人獲得三等獎(jiǎng)。

Simulation Research on Lateral Vibration of Silent Chain Drive System

WANG Wen-cheng1，GUO Wei-xiao2，TIAN Hui1，LIU Xiao-lun3
(1．Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 06700，Hebei，China; 2．Information Center，Chengde Petroleum College，Chengde 06700，Hebei，China; 3．Chain Transmission Institute，Jilin University，Changchun 130025，Jilin，China)

The lateral oscillation simulation model of silent chain drive system was created based on the software of Catia and Adams，and then lateral vibration feature during the chain drive was researched．The time domain response and frequency domain response of Torque vibration and lateral vibration was analyzed．The results showed that the lateral vibration is periodic，and the maximum amplitude occurrs at the place near the meshing frequency．

silent chain drive system;lateral vibration;simulation analysis

TH132

A

1008-9446(2015)01-0025-03

2014-12-02

王文成(1985－)，男，河北滄州人，承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系講師，博士，主要從事高速鏈傳動(dòng)理論及應(yīng)用以及微型智能機(jī)械系統(tǒng)方面研發(fā)工作。