链传动仿真及其动载荷分析闫思江1，孙莉莉1，陈春光1，闫 晗2 （1.青岛港湾职业技术学院，山东 青岛 266404；2.大庆第二采油厂 信息中心，黑龙江 大庆 163000） 摘要：结合链传动运动特性的理论分析，依托RecurDyn软件，对引起链传动动载荷的主要因素进行了仿真及分析。所得结论可为设计和改造链传动设备以及降低振动和噪声提供参考依据。 关键词：链传动；仿真；动载荷 0 引言链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。由于链传动是有中间挠性件的啮合传动，故无弹性滑动和打滑现象，能保证平均传动比不变，无需初始拉力，对轴的作用力较小。链传动适用于两轴平行且距离较远、瞬时传动比无严格要求以及工作环境恶劣的场合，广泛用于农业、采矿、冶金、石油化工及运输等各种机械中。本文结合链传动运动特性的理论分析，使用当前世界上对链传动仿真最理想的软件RecurDyn，对引起动载荷的主要因素进行仿真分析。 1 链传动的组成链传动由轴线平行的主动链轮和从动链轮、链条以及机架组成，依靠链轮齿和链的啮合来传递运动和动力，如图1所示。  图1 链传动的组成 1-主动链轮；2-链条；3-从动链轮 2 链传动的运动特性如图2所示，当链条绕上链轮时，在啮合区域的部分链将折成正多边形，该正多边形的边长相当于链节距p（mm）。链速v（m/s）的计算公式为：  其中：z1和z2分别为主动链轮和从动链轮的齿数；n1和n2分别主动轮和从动轮的转速，r/min。 链传动的平均传动比为：  由式（1）和式（2）求出的链速及传动比均为平均值。实际上，即使主动链轮角速度ω1为常数，链条的瞬时速度和瞬时传动比也是变化的。 设链传动的主动边始终处于水平位置（见图2），当链条绕上链轮时，其销轴中心的位置随链轮的转动而不断变化。当销轴中心位于β角这一瞬时，销轴中心的圆周速度vA=ω1r1（r1为主动轮节圆半径），水平方向的分速度vx1=vAcosβ=ω1r1cosβ，垂直方向的分速度vy1=vAsinβ=ω1r1sinβ。设一个链节所对的中心角为φ1，φ1=360°/z1，则β角在-φ1/2到+φ1/2之间变化。当β=±φ1/2时，水平方向的链速最小，即vx1min= ω1r1cos（φ1/2）；当β=0°时，水平方向的链速最大，即vx1max=ω1r1。同理，vy1的大小也是周期性变化的，这一变化导致链条的上下抖动。  图2 链传动的运动图 由上述分析可知，每绕过一个链节，链速就周期性地由小到大，再由大变小地发生变化。正是这样的变化，造成链传动速度的不均匀性。如果过大，可导致跳齿现象。 在从动链轮上，每个链节在啮合过程中所对的中心角为φ2=360°/z2，γ角在-φ2/2到+φ2/2间变化。由于链速v及γ角的变化，使得从动轮的角速度ω2也发生变化。此时v=ω1r1cosβ=ω2r2cosγ（r2为从动轮节圆半径），i=ω1/ω2=r2cosγ/（r1cosβ）。所以链传动的瞬时传动比也是变化的，只有当r1=r2，即z1=z2，且链传动的中心距为链节距p的整数倍时，β才会和γ时时相等，传动比才能恒定不变［1］。 3 基于RecurDyn的运动仿真［2］3.1 创建几何模型 首先进入工具箱中的链传动子系统，分别使用其中的Roller Sprochet、Roller Link、Chain Assembly等工具，建立如图3所示的几何模型。 3.2 创建物理模型 在Professional下，通过施加运动学约束、驱动约束、力载荷、初始条件等装配形成表达多体力学关系的物理模型。这里通过STEP函数使主动轮转速由零逐渐加速到常数值。 3.3 仿真与结果分析 系统仿真采用的主要参数如下：主动轮齿根圆直径为Φ305.89mm、分度圆直径为Φ345.58mm、齿顶圆直径为Φ363.41mm；从动轮齿根圆直径为Φ386.89mm、分度圆直径为Φ426.05mm、齿顶圆直径为Φ445.03mm；滚子链条内链节内宽为35mm、滚子外径为Φ39.69mm、销轴直径为Φ19.85mm、内（外）链板厚为8mm。  图3 链传动几何模型 通过Analysis进行仿真，经过Post等提取出主、从动链轮的角速度和作用在链轮轴上的力，如图4、图5所示。 由图4可知，在0s～1s之间，主动轮角速度采用三次函数由零逐渐增大直至为一常数，但从动轮角速度仍在变化，这正是多边形效应所致。 由图5可知，链传动在工作时，对链轮轴的作用力是变化的动载荷，其原因是从动轮的角加速度是变化的，所以从动轮及与其相联接的质量也将具有不均匀的回转加速度，由于回转质量的加速和减速，从而产生了动载荷，其大小与回转质量和加速度的大小有密切关系，链的加速度愈大，动载荷也将愈大。链的加速度为：   图4 主、从动链轮的角速度  图5 作用在主、从动链轮轴上的力  将主动轮速度提高4倍，观察速度大小对动载荷的影响，仿真结果如图6、图7、图8所示。由图6、图7、图8可以看出，主动轮角速度越大，从动轮上的角加速度变化越大，进而导致轴上反作用力变化越大即动载荷越大；速度越高，轮齿与链节之间的作用力变化频率越高，但速度大小对链轮与链条间的作用力大小影响不大，当链节进入链轮的瞬间，链节和轮齿以一定的相对速度相啮合，从而使链和轮齿受到冲击并产生附加动载荷。  图6 主动轮速度变化前、后从动链轮角加速度的变化 当销轴位于β=±φ1/2时将得到最大加速度：  图7 主动轮速度变化前、后从动链轮轴上的受力 图8 主动轮速度变化前、后链节与链齿间的作用力 由于链节对轮齿的连续冲击，将使传动产生振动和噪声，并将加速链的损坏和轮齿的磨损，同时增加了能量的损耗。附加动载荷的大小取决于工作载荷、系统传动部分的惯性质量大小以及链条的张紧力。减小链节节距、降低惯性质量大小和张紧力均可降低冲击力的大小，图9为节距变化时轮齿与链节间作用力的变化情况，图10为链轮齿数变化时从动轮角加速度的变化情况。 4 结论通过以上分析，得到如下结论：①对于链传动，瞬时传动比不恒定，从动轮总是变速运动；②各个轴均受到动载荷的作用；③速度越高，从动轮角加速度变化越大，各个轴的动载荷越大；④链轮的节距越大，链轮齿数越少，链速的不均匀性越明显，动载荷也越大；⑤链节与轮齿间作用力的大小与速度关系并不大，与节距有关，节距越大，冲击力越大，所产生的附加动载荷也越大；⑥在设计链传动时，完全可采用该虚拟技术进行预测与评估。 图9 节距变化时链节与链齿间的作用力 图10 链轮齿数变化时从动轮角加速度的变化 （参考文献：和英文摘要参考文献：
［1］ 焦晓娟，张湝渭，彭斌彬.RecurDyn多系统优化仿真技术［M］.北京：清华大学出版社，2010. ［2］ 许镇宇，朱景梓，郑林庆，等.机械零件［M］.北京：人民教育出版社，1981. ［3］ 闫思江，李凡国.变杆长参数四杆机构的运动学仿真［J］.机械传动，2011（12）：46-48. Chain Transmission Simulation and Variable Load Analysis YAN Si-jiang1，SUN Li-li1，CHEN Chun-guang1，YAN Han2 Abstract：Combining chain movement characteristics of theoretical analysis，using RecurDyn software，this paper do simulation study on the main factors which can cause variable load in chain transmission process.The conclusion will provide referential basis for the design and transformation of chain transmission equipment，to reduce the vibration and noise in chain transmission. Key words：chain transmission；simulation；variable load 中图分类号：TP391.7∶TH132.45 文献标识码：A 文章编号：1672-6413（2016）01-0062-02 收稿日期：2015-03-06； 修订日期：2015-12-18 作者简介：闫思江 （1963-），男，吉林蛟河人，教授，博士，从事机械设计及理论的科研与教学工作。 |
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