基于虛擬技術(shù)的同步帶仿真分析研究

李　鵬（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京　100854）

?

基于虛擬技術(shù)的同步帶仿真分析研究

李鵬
（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京100854）

摘要隨著衛(wèi)星天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，同步帶傳動(dòng)在天線(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而利用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)對(duì)同步帶的傳動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行研究，分析其動(dòng)態(tài)特性與柔性傳動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)將來(lái)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與傳動(dòng)系統(tǒng)的控制具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞虛擬技術(shù)，同步帶，仿真，ADAMS

引言

同步帶傳動(dòng)是利用帶輪的齒槽和帶齒的嚙合而實(shí)現(xiàn)的一種傳動(dòng)，其吸取了帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，帶輪與帶之間沒(méi)有相互滑動(dòng)，且具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、沖擊小、無(wú)需潤(rùn)滑、污染小、帶體薄而輕、強(qiáng)度大、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)[1]。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期逐漸興起，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一項(xiàng)新概念技術(shù)。虛擬樣機(jī)類(lèi)似于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的物理樣機(jī)，其采用精確、逼真的數(shù)字模型來(lái)表示物理樣機(jī)的各個(gè)部分、各個(gè)部件和整個(gè)原型樣機(jī)，更易于設(shè)計(jì)和顯示，且可以方便地進(jìn)行反復(fù)修改，從而有效地節(jié)約研制資金和研制周期。目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家特別是美國(guó)在虛擬樣機(jī)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性研究已取得了令人矚目的成就，例如，美國(guó)波音公司在波音777飛機(jī)的開(kāi)發(fā)中就使用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，節(jié)省了研制成本。而在我國(guó)，虛擬樣機(jī)技術(shù)尚處于起步階段，主要應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，許多高校也正在使用和研究[2, 3]。

利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)同步帶傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，可以了解同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)，以及傳動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性，了解其失效形式，了解并熟悉不同類(lèi)型的同步帶樣式及其各自的特點(diǎn)，了解相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，有助于提高衛(wèi)星通信天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性，降低衛(wèi)星通信天線(xiàn)的研制成本，縮短研制周期，提高研制效率[4, 5]。通過(guò)對(duì)同步帶傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，不僅可以積累相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，了解相關(guān)的知識(shí)，還可為將來(lái)研制衛(wèi)星通信天線(xiàn)產(chǎn)品打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1　虛擬仿真技術(shù)概述

在ADAMS中，有3種建立柔性體的方法：第一種是利用ADAMS中的柔性梁連接，將一個(gè)構(gòu)件離散成許多段剛性構(gòu)件，這些離散后的剛性構(gòu)件之間采用柔性梁連接，但這種方法僅限于簡(jiǎn)單構(gòu)件設(shè)計(jì)使用，其離散連接的實(shí)質(zhì)仍是剛性體和柔性連接，還不能稱(chēng)為真正的柔性體。第二種方法是利用其它有限元分析軟件將構(gòu)件離散成細(xì)小的網(wǎng)格，再進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，然后，將計(jì)算的模態(tài)保存為模態(tài)中性文件MNF（Model Neutral File），直接讀取到ADAMS中建立柔性體。第三種方法是利用ADAMS/AutoFlex模塊，直接在ADAMS/View中建立柔性體的MNF文件，然后再用柔性體替代原來(lái)的剛性體。

離散柔性連接件是直接利用剛性體之間的柔性梁連接，將一個(gè)構(gòu)件分成多個(gè)小塊，在各個(gè)小塊之間建立柔性連接獲得的模型。每段離散件有自己的質(zhì)心坐標(biāo)系、名稱(chēng)、顏色和質(zhì)量信息等屬性，每段離散件就是一個(gè)獨(dú)立的剛性構(gòu)件，可以像編輯其它剛性構(gòu)件一樣來(lái)編輯，如賦予其不同的材料、顏色等屬性，也可對(duì)每段離散件之間的柔性梁進(jìn)行編輯，指定柔性梁的參數(shù)。使用柔性梁連接的優(yōu)點(diǎn)是其能夠直接幫助用戶(hù)計(jì)算橫截面的屬性，比直接使用柔性梁連接將兩個(gè)構(gòu)件連接起來(lái)更方便[6, 7]。

2　同步帶傳動(dòng)的影響因素

2.1傳動(dòng)比對(duì)同步帶傳動(dòng)的影響

通過(guò)對(duì)兩種不同傳動(dòng)比的同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，分析傳動(dòng)比的改變對(duì)同步帶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。如表1所示，兩套系統(tǒng)均采用XL齒型的同步帶和帶輪，帶輪的中心距相同，左邊是從動(dòng)輪，右邊是主動(dòng)輪，主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)輸出也相同，系統(tǒng)（1）的傳動(dòng)比為1:1；系統(tǒng)（2）從動(dòng)輪不變，主動(dòng)輪齒數(shù)為系統(tǒng)（1）的一半，即傳動(dòng)比為1:2。

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以看出，在運(yùn)動(dòng)輸入、中心距等條件相同時(shí)，較小的傳動(dòng)比在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有更好的性能，具體表現(xiàn)在較小的同步帶預(yù)張緊力、較小的同步帶動(dòng)張緊力、較小的帶輪受力等方面。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性也有所提升，具體表現(xiàn)為從動(dòng)輪的角加速度波動(dòng)較小。傳動(dòng)比的減小能夠產(chǎn)生更大的傳動(dòng)力矩，但是從動(dòng)輪的響應(yīng)時(shí)間會(huì)相應(yīng)地延長(zhǎng)，速度也會(huì)減慢，所以，設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)要根據(jù)需求權(quán)衡利弊，選取合適的參數(shù)。

表1　不同傳動(dòng)比傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

2.2節(jié)距對(duì)同步帶傳動(dòng)的影響

通過(guò)對(duì)兩種不同齒型的同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，分析齒型的不同對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。如表2所示，兩套系統(tǒng)分別采用XL和XXL齒型的同步帶和帶輪，傳動(dòng)比均為1:1，帶輪的直徑和中心距相同，左邊是從動(dòng)輪，右邊是主動(dòng)輪，主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)輸出也相同。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，在運(yùn)動(dòng)輸入、中心距、帶輪直徑等條件相同時(shí)，較小的節(jié)距在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有更好的性能，具體表現(xiàn)在較小的同步帶預(yù)張緊力、較小的同步帶動(dòng)張緊力、較小的帶輪受力等方面。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性也有所提高，具體表現(xiàn)為從動(dòng)輪的角加速度波動(dòng)較小。但是需要注意的是，節(jié)距的減小，會(huì)影響帶傳動(dòng)的傳動(dòng)能力（節(jié)距越小,承載能力越小），所以，選用時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理地匹配有關(guān)參數(shù)。

表2　不同節(jié)距傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

2.3環(huán)繞方式對(duì)同步帶傳動(dòng)的影響

結(jié)合動(dòng)中通天線(xiàn)的方位傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)兩種不同環(huán)繞方式的同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，分析環(huán)繞方式對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。如表3所示，兩套系統(tǒng)除皮帶環(huán)繞方式不同外，其余參數(shù)均相同，帶輪尺寸也按照實(shí)際尺寸進(jìn)行造型。

通過(guò)表3的數(shù)據(jù)可以看出，在帶輪大小、布局相同時(shí)，兩種環(huán)繞方式的仿真結(jié)果卻不盡相同，方案（1）的各個(gè)帶輪包角更大，這就意味著同時(shí)有更多的帶齒參與了傳動(dòng)，從而減小了每個(gè)帶齒的平均受力。另外，無(wú)論是皮帶的預(yù)張緊力還是運(yùn)動(dòng)時(shí)的張緊力，方案（1）的數(shù)據(jù)都較小，各個(gè)帶輪的受力也較小。通過(guò)對(duì)各個(gè)帶輪的角加速度進(jìn)行比較，可以得出，與方案（2）相比，方案（1）具有更好的穩(wěn)定性，因?yàn)槊總€(gè)帶輪的角加速度變化比較平緩，沒(méi)有急劇地增大或減小。

表3　不同環(huán)繞方式傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

2.4張緊方式對(duì)同步帶傳動(dòng)的影響

結(jié)合動(dòng)中通天線(xiàn)的方位傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)兩種張緊方式的同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，分析張緊方式對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。

如表4所示，方案（3）和（4）均采用雙張緊結(jié)構(gòu)，帶輪、張緊輪大小均與方案（1）和（2）相同，差別僅在于兩個(gè)張緊輪的距離不同。通過(guò)表中各個(gè)結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，與方案（3）比較，方案（4）中同步帶的初始張緊力雖然較大，但是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中同步帶的張緊力卻相對(duì)小很多，而且?guī)л喓蛷埦o輪的加速度曲線(xiàn)也相對(duì)更穩(wěn)定。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文利用ADAMS中的傳動(dòng)模塊對(duì)同步帶的傳動(dòng)進(jìn)行了研究，借助虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)同步帶傳動(dòng)中的影響因素進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)單變量對(duì)比法，比較了傳動(dòng)比、齒型、張緊方式等因素對(duì)同步帶傳動(dòng)的影響，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

表4　不同張緊方式傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

參考文獻(xiàn)

1季彬彬. 基于ADAMS的復(fù)式系桿同步帶傳動(dòng)周轉(zhuǎn)輪系運(yùn)動(dòng)分析[J]. 南通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, (9): 60～62

2李妍. 基于MFBD的汽車(chē)圓弧齒同步帶動(dòng)力學(xué)仿真分析研究[J]. 長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, (2): 156～159

3梁戈. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型[J].機(jī)械設(shè)計(jì), 1996, (9): 21～22

4周鵬. 汽車(chē)同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法及傳動(dòng)性能研究[D]. 長(zhǎng)春理工大學(xué), 2009: 6～16

5毛俊東, 王宏杰. 天線(xiàn)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗, 2013, (3): 56～62

6馬志平, 葛正浩, 姚增凱, 等. 同步帶傳動(dòng)的虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)態(tài)性能研究[J]. 機(jī)械傳動(dòng), 2013, (3): 31～48

7楊玉萍. 同步帶傳動(dòng)中張緊輪安裝位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2010, 9(1): 48～49

文章編號(hào)：1009-8119（2016）05（1）-0057-03