一种开环链传动机构研究与仿真的分析
基于ADAMS的圆环链传动系统仿真分析
基于ADAMS的圆环链传动系统仿真分析于之龙【摘要】为了研究圆环链传动系统的动力学行为,应用Pro/E和ADAMS建立圆环链传动系统仿真模型,链环之间的接触用弹簧阻尼模型来定义,链环之间的阻力用场力来定义,仿真结果与圆环链传动系统实际运行结果一致.通过仿真验证了该模型的有效性,为研究该类系统的动力学特性提供了一种合理、可靠的方法.【期刊名称】《机械管理开发》【年(卷),期】2018(033)009【总页数】3页(P99-101)【关键词】圆环链传动;弹簧阻尼模型;场力;建模;仿真【作者】于之龙【作者单位】山西新景矿煤业有限责任公司, 山西阳泉045000【正文语种】中文【中图分类】TD528.3引言圆环链传动是一种啮合传动方式。
圆环链传动有很多优点,很强的适应能力、承受外力冲击的能力和抗震能力、较高传动效率,同时安装水平的要求比较低[1]。
由于其非常多的优点,因此被广泛地应用在很多行业,如冶金、航天、食品加工等[2]。
圆环链传动也有一定缺点,圆环链传动的多边形效应致使其运动的稳定性能比较差,平稳性不够使得传动过程中动载荷增大,动载荷会进一步损坏传动链条[3]。
学者们通过广泛的研究来寻求解决圆环链传动过程中存在问题的办法。
1 三维实体建模三维建模的软件和方法有很多,通过比较各个建模软件的效率,本文选择Pro/E建模软件进行圆环链传动装置模型的建立。
1.1 零部件建模圆环链传动系统由很多部件组成,其中圆环链和链轮是圆环链传动系统的重要组件。
平链环和立链环连接起来构成了圆环链。
通过焊接得到平链环,通过锻造得到立链环。
立链环和平链环的规格为48 mm×152 mm,根据国标《矿用圆环链驱动链轮》,建立与立链环和平链环规格匹配的链轮。
1.2 系统装配为了节约仿真模拟耗用时间,在保证仿真结果准确性的基础上,只分别布置10个链环在上、下边链上。
2 ADAMS中的仿真模型将装配好的圆环链传动装置模型接入ADAMS中,同时为了简便处理,把模型里的零件当做不会变形的刚体来处理,所有零件属性均定义为钢。
高速输送链传动设计、仿真与试验
T w o i mp o r t a n t p ra a me t e r s o f h i g h s p e e d t r a n s mi s s i o n c h a i n( 1 a y e r c e n t r o i d nd a ma s s )a r e r e s e rc a h e d i n he t p ra a me t r i c s i mu l a t i o n
p o l y g o n e fe c t o f c h a i n ,a k i n d o f h i g h s p e e d n e w t r a n s mi s s i o n c h a i n i s p r o p o s e d ,o f wh i c h k e y p a r t i s d e s i g n e d a n d na a l y z e d .
WA NG G u a n g j i a n F A NYu me n g
( T h e S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Me c h a n i c a l T r a n s mi s s i o n , C h o n g q i n g Un i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 )
装填设备链传动力学分析及动力学仿真
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2021年第14期·165·文章编号:2095-6835(2021)14-0165-02装填设备链传动力学分析及动力学仿真徐如强(北京机械设备研究所,北京100854;贵州航天乌江机电设备有限公司,贵州遵义563003)摘要:某装填设备采用链传动作为动力传动装置,链传动的设计对装填功能的实现有着重要影响。
链传动的实际运动过程较为复杂,在理论上难以对实际工况进行全面分析,因此,在对装填设备链传动进行理论简易分析的同时,采用MSC/ADAMS 仿真软件对其过动过程进行动力学仿真。
理论分析和仿真结果基本一致,可以为装填设备的设计研究提供依据。
关键词:链传动;力学分析;动力学仿真;装填设备中图分类号:TJ760.5文献标志码:A DOI :10.15913/ki.kjycx.2021.14.0671前言链传动是一种通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力的机械传动形式,在远距离传动、环境恶劣的工作场合得到广泛应用[1]。
但由于链传动的多边形效应、链轮链条的啮合冲击、链条的磨损变形或负载变化等因素的存在,引起各种较为复杂的附加动载荷。
某型装填设备采用链传动的形式进行动力传递,推动货箱滑上货架,传动过程的动载荷有可能造成装填过程的不稳定。
因此,有必要将动载荷引入到装填设备链传动的受力分析过程中。
装填设备的链传动与一般形式的链传动过程存在一定的差异性,其计算分析也有一定的差异,因此本文对某型装填的链传动过程进行了分析,同时利用MSC/ADAMS 软件对其进行了动力学仿真。
2力学分析2.1装填设备基本组成与工作原理相对于一般负载作用在从动轮上的链传动,装填设备的负载通过推货架施加在链条的链节上。
当主动轮转动时,将带动链条或经从动轮带动链条运动,进而推动负载运动。
某装填设备简图如图1所示,推货架与传动链上的2节链节固定连接,另有导轨限位使其只能沿直线运动,货箱一端与货架固定,另一端搭接到固定的货架上(本次分析从货箱头部已搭载到货架上开始)。
ug链传动仿真
Ug链传动仿真本文应用NX软件对链传动进行三维建模,并将多个链节快速而精确地虚拟装配,在运动分析模块中对链传动进行动力学仿真分析,将仿真结果以动画和图表的形式表现出来,可精确、快速地完成链传动的设计,加快产品开发的速度。
一、引言链传动是以链条为中间挠性件的啮合传动机构,它是一个复杂的多自由度的机构。
链传动具有平均传动比准确、无滑动、结构紧凑及可进行远距离传动等优点,在农业、工程、运输、采矿和治金等各种机械传动中被广泛应用。
由于链传动的零件小而多,啮合运动过程复杂,在计算机上用三维软件实现运动仿真难度较大。
真实地反映运动规律和对运动规律进行分析,是实现链传动动力学仿真的关键。
NX是CAD/CAM/CAE一体化三维软件,可利用NX运动仿真模块进行链传动的动力学分析:基于运动副和3D接触等功能,真实实现链传动的运动模拟,并分析运动部件的速度、加速度和受力情况等,从而预知所设计的传动机构是否满足要求,保证链传动的可靠性。
运用NX进行机构的虚拟装配及动力学仿真的流程如下:建立三维模型→虚拟装配→启动运动仿真模块→定义连杆→建立连杆之间的连接(含运动副、连接器、传动副及约束等)→创建标记(含标记、传感器及智能点)→建立驱动和负载(含力和扭矩)→创建解算方案→解算→运动分析。
二、链传动三维建模及虚拟装配1.用NX对各零部件进行三维建模并绘制安装轨迹线链传动的设计先根据传递的功率选择链传动类型,通过计算确定主动链轮的齿数、从动链轮的齿数、中心距、链条节距及链条节数等参数。
这里选择滚子链的链节型号为06B,节距为9.525mm,为了分析方便,选取主动链轮齿数Z1为6,从动链轮齿数Z2为10。
在NX的建模模块中按照链传动的实际参数,设计内链节和外链节三维模型,如图1所示;设计主动链轮和从动链轮的三维模型,如图2所示;绘制链条的安装轨迹线,注意安装轨迹必须由直线段组成,其长度为链条节距的倍数,再绘制机架,如图3所示。
ug链传动仿真
Ug链传动仿真本文应用NX软件对链传动进行三维建模,并将多个链节快速而精确地虚拟装配,在运动分析模块中对链传动进行动力学仿真分析,将仿真结果以动画和图表的形式表现出来,可精确、快速地完成链传动的设计,加快产品开发的速度。
一、引言链传动是以链条为中间挠性件的啮合传动机构,它是一个复杂的多自由度的机构。
链传动具有平均传动比准确、无滑动、结构紧凑及可进行远距离传动等优点,在农业、工程、运输、采矿和治金等各种机械传动中被广泛应用。
由于链传动的零件小而多,啮合运动过程复杂,在计算机上用三维软件实现运动仿真难度较大。
真实地反映运动规律和对运动规律进行分析,是实现链传动动力学仿真的关键。
NX是CAD/CAM/CAE一体化三维软件,可利用NX运动仿真模块进行链传动的动力学分析:基于运动副和3D接触等功能,真实实现链传动的运动模拟,并分析运动部件的速度、加速度和受力情况等,从而预知所设计的传动机构是否满足要求,保证链传动的可靠性。
运用NX进行机构的虚拟装配及动力学仿真的流程如下:建立三维模型→虚拟装配→启动运动仿真模块→定义连杆→建立连杆之间的连接(含运动副、连接器、传动副及约束等)→创建标记(含标记、传感器及智能点)→建立驱动和负载(含力和扭矩)→创建解算方案→解算→运动分析。
二、链传动三维建模及虚拟装配1.用NX对各零部件进行三维建模并绘制安装轨迹线链传动的设计先根据传递的功率选择链传动类型,通过计算确定主动链轮的齿数、从动链轮的齿数、中心距、链条节距及链条节数等参数。
这里选择滚子链的链节型号为06B,节距为9.525mm,为了分析方便,选取主动链轮齿数Z1为6,从动链轮齿数Z2为10。
在NX的建模模块中按照链传动的实际参数,设计内链节和外链节三维模型,如图1所示;设计主动链轮和从动链轮的三维模型,如图2所示;绘制链条的安装轨迹线,注意安装轨迹必须由直线段组成,其长度为链条节距的倍数,再绘制机架,如图3所示。
基于Pro_E3_0环境下链传动曲线运动仿真的实现方法
上所有的内外链节 ,完成整
个传动链的装配 。装配好的
传动链如图 5 所示 。 (5) 将整个传动链装配
图 5 传动链装配图
到自行车上 。在装配模式下调入先前已经装配完成的 自行车组件 ,选用“缺省”的装配模式 ,将上面组装完成 的整个链作为一个零装配到整机上 ,完成自行车的装 任务 。保存装配文件 。
Abstract The simulation and modeling function of Pro/ E is strong , so it was applied widely in modern design. But Pro/ E has its own big lack at the chain drive simulation. It could only do the simulation of the straight line and the circular but it could not solve the simulation of chain2drive curvilinear motion , so the simulation of the irregular chain motion like the bicycle chain could not be reached based on Pro/ E in the past . In this article , the பைடு நூலகம்imulation of the chain drive motion is studied based on Pro/ E and a effective method is proposed.
关键词 Pro/ E 链传动 运动 仿真
The Simulation of the Curvilinear Motion of the Chain Drive based on Pro/ E 3. 0
矿用刮板输送机链传动系统稳定性分析与仿真
No1Feb第1期(总第224期)2021年2月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION 文章编号:1672-6413 (2021)01-0057-03矿用刮板输送机链传动系统稳定性分析与仿真候德安(山西焦煤集团西山煤电屯兰煤矿,山西 太原030052)摘要:为进一步掌握刮板输送机链传动系统的运行规律,提高控制系统稳定性、延长零件使用寿命,介绍了刮板输送机的结构组成,从数学计算角度分析了多边形效应对刮板链运行速度和加速度的影响,利用ADAMS 软件建立了链传动系统的仿真模型。
仿真结果表明:在对驱动链轮进行软启动工况设置后,从动链 轮及刮板链均可实现良好的软启动;而在稳定运行阶段,受多边形效应影响,刮板链运行速度和接触力均出现不同程度的波动。
关键词: 刮板输送机; 链传动系统; 稳定性; 仿真中图分类号:TP391.9:TD528+ . 3 文献标识码:A0引言刮板输送机是现代煤矿工作面综采作业的重要机 电设备,负责工作面的原煤运输、为采煤机提供轨道支 撑、拉移液压支架等生产任务。
刮板输送机的安全高 效运行直接决定了煤矿的生产效率和安全效益。
但由 于刮板输送机工作环境恶劣、工作载荷波动较大,因此 是工作面上故障发生率较高的设备。
刮板输送机的设 备结构和使用环境决定了其具有典型的动态特性,尤 其是链传动系统中链条的运行速度、张力等的动态变 化规律,若要实现稳定的系统智能控制,对以上特征参 数的分析、预测和监控是极为必要的基础性工作[13]。
因此,为进一步掌握刮板输送机链传动系统的运行规 律、提升运输机的工作能力和使用寿命、减少链传动系 统的故障停机时间,本文利用ADAMS 软件对矿用刮 板输送机链传动系统的工作稳定性进行分析与仿真。
1刮板输送机结构组成常见的刮板输送机主要由机头部、中间部、机尾部 及辅助机构组成。
机头部包括机头架、重型驱动装置 和驱动链轮等,其中,重型刮板机驱动装置为双电机形 式,并采用中双链结构;中间部是输送机的结构主体,主 要包括中部槽、过渡槽、刮板链和刮板等,各节槽体通 过哑铃销连接,相互之间可发生一定转角;机尾部由机 尾架、从动链轮等组成,部分铺设长度较大的输送机尾 部也有驱动装置;辅助机构包括紧链装置和防滑装 置等。
FSAE赛车链传动系统的设计与仿真分析
10.16638/ki.1671-7988.2020.24.011FSAE赛车链传动系统的设计与仿真分析*刘明1,2,朱瑞峰1,3,乔晓亮1*(1.西安航空学院车辆工程学院,陕西西安710077;2.陕汽集团商用车有限公司,陕西宝鸡722405;3.浙江英伦汽车有限公司,浙江义乌321000)摘要:文章在满足FSAE(中国大学生方程式汽车大赛)规则的要求下,为了达到FSAE赛车的安全性、轻量化及结构强度的目的,需要设计出链传动系统的最优三维模型,首先利用了CATIA对大、小链轮以及差速器支架进行三维建模,其次通过利用ANSYS workbench模块对其传动系统的零部件进行了静力学分析以及受力校核,在保证零部件强度以及轻量化的前提下,尽量减轻整车底盘的簧下质量,最后验证了该结构设计均达到了FSAE赛车的规则要求,且也满足了设计的合理性。
关键词:FSAE赛车;传动系统;CATIA建模;有限元分析;轻量化中图分类号:U463.21 文献识别码:A 文章编号:1671-7988(2020)24-31-05Design and Simulation Analysis of FSAE Racing Chain Drive System*Liu Ming1,2, Zhu Ruifeng1,3, Qiao Xiaoliang1*(1.Xi'an Aeronautical University School of Vehicle Engineering, Shaanxi Xi'an 710077;2.Shaanxi Automobile Group Commercial Vehicle Co., Ltd.,Shaanxi Baoji 722405;3.Zhejiang Yinglun Automobile Co., Ltd., Zhejiang Yiwu 321000)Abstract: In order to achieve the safety, light weight and structural strength of FSAE racing cars, this article needs to design an optimal three-dimensional model of the chain drive system under the requirements of the FSAE (Formula College Student Automobile Competition) rules, Small sprocket and differential bracket for three-dimensional modeling, followed by using the ANSYS workbench module to carry out static analysis and force check of the components of the transmission system, on the premise of ensuring the strength of the components and light weight, As far as possible to reduce the un sprung quality of the chassis of the whole car, it was finally verified that the structural design has met the requirements of the FSAE racing rules, and also satisfies the rationality of the design.Keywords: FSAE racing; Transmission system; CATIA modeling; Finite element analysis; LightweightCLC NO.: U463.21 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)24-31-05引言FSAE赛车链传动系统都应该具有:减速增距、整车变速、中断动力传递、轮间差速、差速器可以使左右车轮以不同的角速度转动。
基于Creo 3.0的电子驻车链条和链轮传动机构的运动仿真
基于Creo3.0的电子驻车链条和链轮传动机构的运动仿真余乐乐,温开元(浙江瑞立集团技术中心新能源开发部,浙江瑞安325200)摘要:为了直观地模拟链条和链轮传动机构运动,从而发现设计过程中存在的问题,利用三维软件C r e o3.0建立链条传动的各个零件的.a s m装配图,对链条和链轮传动机构进行了运动仿真分析。
关键词:三维软件C r e o;链条传动;机构运动仿真中图分类号:TH132.45文献标志码:A文章编号:员园园圆原圆猿猿猿(圆园员8)08原园088原园4 Motion Simulation of E-parking Chain and Sprocket Transmission MechanismBased on Creo3.0YU Lele,WEN Kaiyuan(New Energy Development Department,Zhejiang Ruili Group Technology Center,Ruian325200,China) Abstract:In order to visually simulate the movement of the chain and sprocket drive mechanism to discover the problems in the design process,the.asm assembly diagram of each part of the chain drive is established using the three-dimensional software Creo.The chain and sprocket transmission mechanism is simulated by the motion simulation analysis.Keywords:3D software Creo;chain transmission;mechanism motion simulation1建立链条传动的各个零件1)建立链条运动轨迹零件。
基于MSC_ADAMS平台的链传动机构仿真研究
基于MSC_ADAMS平台的链传动机构仿真研究常晨雨;韩刚【摘要】捣固焦炉推煤过程中塌饼现象是焦化工艺常见故障之一,对生产效率和工人劳动强度有很大影响.为有效解决机械塌饼现象,在推煤机构工况分析、载荷确定及动力学分析的基础上,应用Pro/E建立推煤机构链牵引实体模型,并导入ADAMS 动力学仿真软件,用宏命令对实体模型施加接触与约束,完成牵引链的运动学及动力学的仿真,得到链条、链轮的速度与加速度曲线图,通过比较单一变量的改变而得到稳定性的比较,为推煤机构设计提供理论依据.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2018(039)004【总页数】6页(P287-292)【关键词】Pro/E;ADAMS;链传动;仿真分析【作者】常晨雨;韩刚【作者单位】太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH215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。
链传动有诸多优点,与带传动相比,无弹性滑动和打滑现象,平均传动比准确,工作可靠,效率高;传递功率大,过载能力强,相同工况下的传动尺寸小;所需张紧力小,作用于轴上的压力小;能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。
[1]链传动广泛应用于工业生产流水线作业,如捣固炼焦输送煤饼的过程,由于多边形效应的作用,链条的线速度与链轮的角速度呈周期性变化,从而产生了振动、噪声,以及附加动载荷,而增加了塌饼率;当传动系统的振动与链条本身的固有频率相同时,此时对机构的危害最大; [2]随着工作环境的变化,空气中的微粒会导致润滑条件的改变。
张文祥对链轮的振动,参数及激励的频率对机构的稳定性影响做了分析,并且研究了链条的横向与纵向振动问题。
[3]顾仁涛从三个方面分析力链传动系统在运动过程中的啮合原理,通过分析得出了链节和链轮分别在静载荷作用下的弹性变形和等效应力分布情况,通过时域,频域分析研究了链传动系统的动态特性。
旋转弹链传动系统动力学仿真与振动分析
ProE链传动虚拟装配设计及运动模拟技术的应用
ProE链传动虚拟装配设计及运动模拟技术的应用ProE链传动虚拟装配设计及运动模拟技术的应用 , 本文讲述了链传动的三维虚拟装配与运动学模拟在Pro/ENGINEER软件中的实现方法,并对链传动动力学模拟提出了使用专业模拟平台的建议。
一、链传动概述链传动有短节距精密滚子链、双节距精密滚子链、短节距精密套筒链、弯板滚子传动链、齿形传动链以及成型链等多种传动类型。
链传动的突出特点是构成链条的元件体积小、数量多,链节节距均匀,滚子/套筒结构可以减少啮合时的摩擦和磨损,并能达到缓和冲击的目的。
链传动的运动学模拟效果对于机械总体检查、链节结构设计与改进及链节数量的配置具有重要的验证作用,链传动运动动画对于链传动机构的产品演示、项目开展与交流不可或缺。
由于链节元件小而多的特点决定了链条传动的灵活性和实用性,而元件数量过多使得链传动三维机构模拟在普通计算机上难以实现,巨大的求解数据量对三维软件和计算机硬件的配置提出了很高的要求,在通用CAD三维软件中进行模拟链传动困难很大。
本文将探讨在Pro/ENGINEER野火版环境下进行链传动设计与运动学模拟,最后推荐两个专业的链传动动力学模拟软件环境,希望对链传动用户有所帮助。
二、Pro/ENGINEER链传动三维设计与运动学模拟链传动的设计首先要根据传动功率要求确定大小链轮的齿数、链节运动轨迹以及链节的类型和规格,通过计算确定出链节数量,为链传动机构模拟打好基础。
下面是链传动模拟的构建流程。
1.步骤一设计链传动运动轨迹,确定链节的接口长度和节数。
如图1和图2所示,使用草绘曲线绘制轨道,两链轮中心线水平。
该次链传动设计共20节链节(这里没有绘制大小链轮)。
图1 链传动轨迹曲线图2 链条模型2.步骤二设计链节元件。
可以按照实际情况设计构成链节的内/外链板、销轴和套筒,然后组装成链节子组件。
为了减小链传动机构模拟运算的时间和运算数据量,这里仅用一个零件代表链节的所有组成元件(如图3)。
使用Adams实现开环链传动的仿真
1.简述MSC Adams软件在2012年推出了Machinery机械仿真工具包,后续的Adams版本不断地对该工具包的功能进行了增加、升级,目前已经包含的模块有齿轮、带传动、链传动、轴承、绳索、电机、凸轮共7个模块,已基本能满足常用机械部件的建模和仿真需求。
之前版本的链传动模块只能进行闭环链条系统的仿真,不支持开环链条的建模和仿真,这样使链传动模块的实际应用有了一定的限制,例如,叉车起升机构使用的是开环链条传动,使用之前的链传动模块无法对其建模。
为了解决这一问题,Adams 2015版新增加了开环链条传动的建模功能,能快速建立开环链条的仿真模型,得到准确的仿真结果。
2.开环链条建模过程(1)运行Adams 2015软件,并建立如下图所示的模型,小球的质量修改为400Kg,圆柱体与ground之间施加移动副。
图1 建立初始模型(2)在Machinery选项卡下选择Chain模块中新添加的“创建开环链轮”按钮,按照步骤顺序设置参数,进行开环链轮的创建。
图2点击创建开环链轮按钮(3)在Method页面中选择方法为“2D Links”,在下一步的“Location-Anchor”页面下设置链条的起点锚点和终点锚点参数。
图3 设置链条的起点和终点参数(4)在创建链轮几何页面中,设置链轮位置在圆柱体Part_2的上顶端,其他参数设置如图4所示。
图4 设置链轮几何参数(5)设置链轮与圆柱体Part_2之间施加旋转约束。
后续步骤都设置为默认。
图5 设置链轮约束完成后,生成Adams模型为图6所示。
图6 建完链轮后的Adams模型(6)在Machinery选项卡下选择Chain模块中“创建链”按钮,并在弹出的对话框中选择输入之前建立的链轮模型,并点击下一步按钮参数设置为默认。
图7 创建链条(7)在链条缠绕顺序页面中,输入之前建立好的链轮名称。
注意:缠绕顺序要求按照顺时针方向缠绕,如果发现缠绕顺序不对,可以点击“Reverse”按钮反向。
【精品优秀毕业论文】平面齿轮连杆组合机构的分析与仿真
摘要平面齿轮连杆组合机构的分析与仿真学科名称: 机械设计及理论论文作者: 王有飞 签名:指导教授: 刘凯(教授) 签名:答辩时间:摘 要本文主要研究对象是功能丰富的平面齿轮连杆组合机构,借助运动学原理作者详细地分析了传动比对机构特征曲线的影响,得到各类型机构的特征曲线,并利用VC 软件开发出相应的运动仿真软件,再现该机构的三维实体运动过程。
该方法大大节约设计者在机构的实现和检验上所花费的时间,减少重复性劳动,同时通过虚拟模拟机构的运动,也锻炼了设计者的创新能力。
本文主要工作如下:首先,利用闭合矢量方程法,推导出9种组合机构各自的数学模型,建立运动学参数计算所需要的方程。
其次,利用MatLab软件和数值分析的方法求解该方程,得到各类型机构的运动参数值,同时也为以后的三维实体运动仿真提供了可靠的数据。
通过深入地分析输出结果,得到各类型机构的特征曲线与传动比的关系图。
再次,通过两种参数化建模方法创建了构件的三维模型库。
利用连杆机构和齿轮机构参数间的固有约束关系开发出Fourbar_gear验证软件,用该软件检查已建立的零件尺寸值是否满足指定类型的机构,改变零件的尺寸值直到满足了指定类型,然后再输出结果,这样做的目的是避免运动干涉。
最后,开发出的运动仿真软件通过加载动态链接库到SolidWorks软件中,再现了机构的运动轨迹,所开发的软件具有界面友好、操作简单等优点。
【关键词】:特征曲线 运动仿真 API 二次开发iAbstractThe Analysis and Simulation of Planar Gear-Linkage MechanismSPECIALTY: Mechanical Design & TheoryCANDIDATE: Wang.Youfei SIGNATURE: SUPERVISOR: Liu.Kai (professor)SIGNATURE:ABSTRACTThis paper is mainly focus on the planar gear-linkage mechanism (GLM), which canbe applied in various ways. The author use the basic kinematics theory to analysis the influences of transmission ratios to the characterized curve of the GLM, put the curve on the computer screen, develop corresponding software by VC and reappear the whole process of the GLM. In virtue of the method mentioned above, a lot of time people spendon the mechanism inspection and actualization can be saved, and the innovation capability of researchers can be improved by the virtual simulation of the movement of the GLM.Firstly, based on close-vector-equation method, the mathematic models of nine kindsof the GLM are established. Secondly, the equations are resolved by numerical computing method, as a result, the values of kinematics parameters are gained, which can offer realized data for immediately simulation. The relational graph between transmission ratios and characterized curve can be obtained, after the serious analysis of the output. Thirdly, the 3D part library is developed by two ways of parameter driving, and the problems of collision among models are avoided by “Fourbar-gear” software. Lastly, the author develops the simulation software by loading DLL in SolidWorks to reappear the 3D movement of the GLM.Key Words: characterized curve movement simulation API the second developmentii目录目录1前言 (1)1.1 选题背景 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 本文的主要工作 (4)1.3.1 平面齿轮组合机构的运动分析 (4)1.3.2 运动学参数求解和运动曲线的输出 (4)1.3.3三维零件库的创建和Fourbar_gear验证软件 (4)1.3.4 机构的组装和运动动画仿真的实现 (4)2 平面齿轮连杆组合机构的运动分析 (6)2.1 平面齿轮连杆组合机构的组成规则 (6)2.2 平面齿轮连杆组合机构的分类 (6)2.3 平面齿轮连杆组合机构的运动分析 (7)2.3.1 简单型回归式齿轮曲柄摇杆机构 (7)2.3.2 最简型回归式齿轮曲柄摇杆机构 (8)2.3.3 简单型非回归式齿轮曲柄摇杆机构 (9)2.3.4 最简型非回归式齿轮曲柄摇杆机构 (9)2.3.5 最简型回归式齿轮曲柄滑块机构 (10)2.3.6 最简型非回归式齿轮曲柄滑块机构 (10)2.3.7 最简型回归式齿轮导杆、摇块组合机构 (11)3平面齿轮连杆组合机构中构件的参数化建模和零件库的建立 (13)3.1 程序驱动参数化建模实例(齿轮构件) (13)3.1.1 系统界面设计模块 (13)3.1.2 齿形计算与生成模块 (13)3.1.3 轮毂生成模块 (14)3.1.4三维实体模型生成模块 (14)3.1.5 渐开线齿廓的数学模型建立 (14)3.2 尺寸驱动参数化建模实例(杆构件) (16)3.3 三维零件库的建立 (17)3.3.1 零件库的用途 (17)3.3.2 零件库的开发要求 (18)3.4 Fourbar_gear软件介绍 (19)4 平面齿轮连杆组合机构运动参数的求解 (23)4.1 机构运动参数的求解 (23)4.1.1 最简型回归式齿轮曲柄滑块机构 (24)4.1.2最简型非回归式齿轮曲柄滑块机构 (27)4.1.3 简单型非回归式齿轮曲柄摇杆机构 (28)4.1.4 最简型非回归式齿轮曲柄摇杆机构 (31)4.1.5 最简型回归式齿轮曲柄摇杆机构 (31)4.1.6 最简型非回归式齿轮双曲柄机构 (31)4.1.7 最简型回归式齿轮双曲柄机构 (32)4.1.8 最简型回归式齿轮导杆机构 (32)5 三维实体动画仿真的制作 (35)5.1机构的装配 (35)iii目录iv5.1.1 三维平移变换 (35)5.1.2 绕坐标轴的三维旋转变换 (36)5.1.3 混合变换 (36)5.1.4 装配体中实体零件的添加 (37)5.1.5 零件的位置设置 (37)5.2 动画仿真设计的核心技术 (37)5.2.1 Mat文件中数据的输出 (38)5.2.2 构件的运动控制 (39)5.3 SolidWorks二次开发 (39)5.3.1 SolidWorks二次开发的方法 (40)5.3.2 向软件中添加用户自定义的各类资源 (42)a. 用户菜单的添加 (42)b. 用户工具栏的添加 (42)c. 对话框资源的添加 (43)5.4 平面齿轮连杆组合机构中相关类的设计 (44)5.5 平面齿轮组合机构的界面设计 (45)6 结论 (49)致谢 (50)参考文献 (51)附录 Ⅰ (55)附录Ⅱ (56)附录Ⅲ (57)1 前言1前言1.1 选题背景在对«机械原理»的学习过程中,机构由于其本身概念的抽象性和类型的多样性,使得在对它的理解和掌握上存在着一定的困难;为了实际问题的解决,有时我们不得不对已有的机构进行改进甚至直接设计出新的机构,而设计出的机构可行与否,还需要进行检验和校核。
风力发电机组传动链动力学建模与仿真分析研究
2.1 引言....................................................................................................................................... 9 2.2 刚体运动学........................................................................................................................... 9
The main contents are as follows: ① Analyzed the utilization of wind resource and the development trend of wind power technology and sharing the research scholars of the wind turbine dynamics modeling and simulation analysis at home and abroad. ② Basis of the wind turbine multi-body modeling, derivate the kinematics and dynamics formulas of rigid and flexible multi-body. the finite element method was also introduced. ③Based on the drivetrain’s structure and load transfer routine developing the drivetrain topology diagram. the flexible multi-body simulation model was build combining with the diagram and finite element method. ④Execute modal analysis on the SIMPACK software , the natural frequencies and its energy of the drivetrain were obtained. the two dimensional Campbell chart were drawn the information of potential resonance point obtained in the end. ⑤Each response components acceleration curve obtained by time domain torque sweep, this curve transform to frequency domain using the FFT method.the resonance point is determined by the transform curve peak value.
机械设计中的仿真分析方法研究
机械设计中的仿真分析方法研究在现代机械设计领域,仿真分析方法已经成为了不可或缺的重要工具。
它能够在产品实际制造之前,通过虚拟模型和模拟实验,对机械系统的性能、可靠性和安全性进行预测和评估,从而大大缩短产品开发周期,降低成本,提高设计质量。
一、仿真分析方法的基本概念仿真分析,简单来说,就是利用计算机软件建立机械系统的数学模型,并在虚拟环境中对其进行各种工况下的运行模拟。
通过对模拟结果的分析,可以了解机械系统的运动规律、力学特性、热传递等方面的情况。
二、常见的仿真分析方法1、有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)有限元分析是目前机械设计中应用最为广泛的仿真方法之一。
它将复杂的机械结构离散为有限个单元,通过求解每个单元的力学方程,得到整个结构的应力、应变和位移分布。
有限元分析可以用于结构强度分析、振动分析、热分析等多个方面。
2、多体动力学仿真(Multibody Dynamics Simulation)多体动力学仿真主要用于研究机械系统中多个物体之间的运动关系。
它能够准确地模拟机械部件的运动轨迹、速度、加速度以及受力情况,对于机械系统的运动学和动力学分析具有重要意义。
3、流体动力学仿真(Computational Fluid Dynamics,CFD)当涉及到流体与机械结构的相互作用时,流体动力学仿真就派上了用场。
它可以模拟流体在管道、腔体、叶轮等中的流动情况,分析流体的压力分布、速度场、温度场等,为优化机械结构的流体性能提供依据。
4、疲劳分析(Fatigue Analysis)机械部件在长期循环载荷作用下容易发生疲劳失效。
疲劳分析通过模拟部件在实际工作载荷下的应力循环,结合材料的疲劳特性,预测部件的疲劳寿命,为设计提供可靠性保障。
三、仿真分析方法在机械设计中的应用1、零部件设计在零部件设计阶段,仿真分析可以帮助设计师优化零部件的形状和尺寸,使其在满足强度和刚度要求的前提下,尽可能减轻重量、降低成本。
链传动啮合冲击理论分析及有限元模拟
链传动啮合冲击理论分析及有限元模拟许立新;杨玉虎;刘建平;张思献【摘要】啮合冲击是引发链传动产生振动、噪声以及链条零部件发生疲劳损坏的主要原因,因此,精确地分析与计算啮合冲击载荷是进行轮齿强度计算以及链传动系统动力学研究的重要内容.为此,建立了链轮轮齿滚子间啮合冲击动力学模型,计算了啮合冲击力幅值;采用赫兹接触理论,对齿面接触应力进行了静态条件下的理论计算;建立了套筒滚子链传动系统有限元模型,采用三维弹性接触问题有限元分析方法,对轮齿滚子间的啮合冲击效应进行了精确模拟,分析了具有标准齿廓形状轮齿滚子瞬时啮合时,冲击载荷变化规律及应力分布情况.计算结果表明:在动态条件下轮齿滚子作为弹性体发生冲击接触时,接触区域变形并非理想的长方形区域;轮齿齿面的冲击接触力分布是不均匀的;在理论接触区域两侧冲击应力较大;在考虑了链轮齿形、间隙及弹性变形等多种影响因素的条件下,动态冲击载荷远大于静态条件下的理论计算值.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2010(043)002【总页数】6页(P132-137)【关键词】滚子链;动应力;啮合冲击;有限元方法【作者】许立新;杨玉虎;刘建平;张思献【作者单位】天津大学机械工程学院,天津,300072;天津大学机械工程学院,天津,300072;天津大学机械工程学院,天津,300072;天津大学机械工程学院,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TH12.4链轮轮齿滚子间啮合冲击载荷是引发链传动产生振动、噪声以及链轮、链节发生疲劳损坏的主要因素之一,因此,精确地分析与计算啮合冲击载荷是进行轮齿强度计算以及链传动系统动力学研究的重要内容之一.针对这一问题,国内外相关文献主要是围绕实验和有限元模拟开展研究.Conwell 等[1-3]设计并建立了一套链传动实验系统,对轮齿滚子间的啮合冲击力及链条张力进行的测试,得出了一些有意义的结论.文献[4-5]通过建立链传动啮合冲击模型,分别对轮齿滚子间的啮合冲击作用进行了理论研究,并对冲击产生的噪声进行了实验测试.Zheng 等[6-8]在研究摩托车高速传动链振动和噪声时,首次采用有限元软件建立了链传动系统弹性动力学模型.文献[9]采用简化的单个滚子与轮齿啮合进行静应力分析研究,边界效应难以估算,必须做许多假设,计算结果只是一定程度上的近似.对链传动中啮合冲击特性进行有限元模拟,是含复杂接触条件的高度非线性动力学行为,精确确定高速运转链轮滚子啮合接触面的载荷以及接触点等边界条件是获得准确模拟结果的关键.笔者以套筒滚子链为研究对象,结合理论分析和有限元模拟的方法,在相同参数条件下建立适用于实际应用的高速链传动系统有限元模型.通过有限元分析软件ABAQUS 实现接触分析,采用动态显式分析方法,系统地模拟并研究具有标准齿廓形状的链轮滚子瞬时啮合冲击问题,以期为深入开展链传动系统动态特性研究提供一种更准确和有效的方法.1 冲击应力理论计算1.1 理论分析链在传动过程中,冲击效应引起的齿面动载荷大小,取决于有效冲击质量、相对冲击速度、滚子轮齿间的接触刚度及接触阻尼.将冲击作用等效为在啮合瞬间具有等效质量m 的滚子以相对冲击速度 vrel 在啮合点以一定的冲击角度与链轮轮齿发生冲击.如果取等效质量为1 个链节的质量,则产生的误差不超过5%[10],因此,可以认为等效冲击质量为 1 个链节的质量.相关文献对相对冲击速度进行了研究[11],得出式中:1r 为链轮半径;1ω 为链轮角速度;z 1 为链轮齿数.载荷作用下滚子与链轮相接触时,可视为平行圆柱体与凹型圆柱面在压力作用下的接触,如图 1 所示.为计算接触刚度k ,需先求得长方形接触区的宽度2b 及接触变形深度 h1 、h2 ,根据赫兹应力公式得出则接触刚度为式中:P 为单位压力,N;l 为接触厚度;1μ 、2μ 分别为滚子和链轮材料的泊松比;E 1 、E 2 分别为滚子和链轮材料的弹性模量;1ρ 、2ρ 分别为滚子和链轮齿沟圆弧的曲率半径.图1 链轮滚子啮合接触Fig.1 Meshing contact between sprocket tooth and roller设滚子轮齿间的接触阻尼为黏性阻尼,在正常润滑条件下,取阻尼系数c 为0.1.当滚子与轮齿接触时,其动力学方程为链轮轮齿与滚子即将发生冲击接触时,方程满足初始条件[11]求解方程得式中啮合频率为当发生冲击作用时,满足条件 x (0) =0 ,代入式(7)得出则在1 个滚子轮齿啮合周期内,冲击作用力为由赫兹应力公式得发生冲击作用时,最大接触应力为1.2 算例分析算例如下:通过1 组套筒滚子链传动系统参数建立链传动系统模型,为减小在仿真计算中有限元模型的规模,构建链传动系统结构参数如表 1 所示;选取链条参数如表 2 所示;主动链轮角速度1ω =62.8 rad/s;为使研究简便,选取链条各零部件材料为 45钢,材料特性如表 3 所示;以主动链轮轮齿受力为研究对象.表1 系统主要参数Tab.1 Main parameters of system主动链轮齿数z1从动链轮齿数z2 链节数n 中心距d/mm 20 10 39 188.845表2 链条的主要尺寸参数Tab.2 Main size parameters of the chainISO链号节距p/m m滚子外径d 1/m m内链节外宽b2/mm外链节内宽b3/mm销轴直径d2/mm 10A 1 5.8 7 5 1 0.1 6 0 13.840 13.890 5.080表3 材料特性Tab.3 Material properties材料弹性模量E/(N·mm-2) 泊松比μ 密度ρ /(kg·mm-3)45 钢2.1×105 0.3 7.8×10-6由链条参数计算等效冲击质量为式中q 为每米链条的质量,q =1.02 kg/m.相对冲击速度为根据假设条件,同种材料相互接触时,μ 1 = μ2,E1 = E2,则接触区宽度及接触深度为将结果代入式(5),得接触刚度为将等效质量、接触刚度及接触阻尼带入式(6),求解动力学方程;通过式(10),计算链轮滚子间啮合冲击接触力(简称冲击力)如图 2 所示,冲击力幅值Fmax=449.65 N.图2 轮齿滚子间冲击力Fig.2 Impact force between sprocket tooth and roller 将 Fmax 代入式(11),求得在冲击载荷作用下,接触应力为2 链传动系统有限元模型2.1 仿真实体模型根据国际标准及表1、表2 所示参数,在Pro/E 软件中编写套筒滚子链传动零部件结构设计程序,建立各零件实体模型.链轮齿廓曲线相对比较复杂,其几何形状对应力分布有着明显的影响.为了精确模拟冲击过程中冲击接触力及应力的分布情况,采用三圆弧一直线齿型画法,精确建立链轮模型,如图 3 所示.图 4 为链节各零部件实体模型.图3 链轮模型Fig.3 Model of sprocket图4 链节零部件实体模型Fig.4 Solid models of chain components2.2 有限元计算模型把在 Pro/E 中生成的链传动系统模型文件读入ABAQUS 中,对链传动系统进行整体有限元计算,在系统动态仿真中研究链轮滚子间的啮合冲击动力学行为.对应表3,选取材料弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,材料密度为7 800 kg/m3.对模型进行有限元网格划分.对于链系统这样比较复杂的模型,模型各部分的网格密度必须合理且合适才能既保证计算精度又节约计算时间.算例中采用重点区域(轮齿部分)细化网格的方法对链轮进行网格划分.单元选取 8 节点实体减缩积分单元(C3D8R),采用该单元能够满足有限元显式计算要求,很好地保证计算精度,并能较好地逼近齿廓曲线边界.图 5 为套筒滚子链传动系统有限元模型,共146 954 个单元,最小单元尺寸0.4 mm.在定义各零部件间的接触时,选用通用(自动)接触算法,该方法对于接触表面的类型限制较少,适合接触面多的复杂模型,取接触摩擦系数为0.1.图5 套筒滚子链传动系统有限元模型Fig.5 Finite element model of the roller chain drive system2.3 定义边界条件图6所示为链传动系统有限元模型速度边界条件的定义.为了保证模型计算中的平稳性,主动链轮的角速度以 STEP 函数的形式加载,在 1,ms 的时间历程中,速度由零逐渐达到规定值.图6 速度边界条件Fig.6 Velocity boundary condition在链传动有限元计算中,模型比较庞大,所需空间和内存非常大.计算在DELL8CPU、32G 内存的工作站上进行.3 结果与讨论为对结果进行详细的分析和讨论,以连续的5 次冲击作用为统计对象,研究轮齿滚子瞬时啮合时的齿间载荷变化规律和接触应力分布情况.3.1 冲击力变化规律图7所示为主动链轮在连续 5 次啮合冲击作用下,冲击接触力的变化情况;表 4 给出了每次冲击作用中冲击力峰值及平均值.图7 冲击接触力Fig.7 Contact impact force表4 冲击接触力的峰值及平均值Tab.4 Maximum and mean values of contact impact force冲击序列冲击力峰值/N 平均值/N 1 452.36 2 748.42 3 512.75 585.00 4 604.63 5 606.85冲击作用发生后,轮齿滚子间的接触力达到最大值,并随着时间逐渐减小.冲击力平均幅值为 585.00 N,高出理论计算值449.65 N 近30%.3.2 轮齿冲击应力变化规律图8所示为某次冲击作用下,链轮轮齿冲击动应力分布云图.图 9 为在连续 5 次啮合冲击作用下,冲击接触动应力变化情况.表 5 给出了轮齿齿面冲击动应力峰值及平均值,冲击动应力平均值为 91.85 MPa.图8 轮齿冲击动应力云图Fig.8 Stress nephogram on sprocket tooth caused by impact图9 轮齿冲击动应力Fig.9 Dynamic stress on sprocket tooth caused by impact表5 轮齿冲击动应力的峰值及平均值Tab.5 Maximum and mean values of dynamic stress on sprocket tooth caused by impact冲击序列冲击动应力峰值/MPa 平均值/MPa 1 076.39 2 073.20 3 078.90 91.85 4 118.50 5 112.24 3.3 滚子冲击应力变化规律图10所示为某次冲击作用下,滚子冲击动应力分布云图.图 11 为在连续 5 次啮合冲击作用下,其冲击接触动应力变化情况.表6 给出了滚子冲击动应力峰值及平均值,冲击动应力平均值为83.81,MPa.图10 滚子冲击动应力云图Fig.10 Stress nephogram on roller caused by impact图11 滚子冲击动应力Fig.11 Dynamic stress on roller caused by impact表6 滚子冲击动应力峰值及平均值Tab.6 Maximum and mean values of dynamic stress on roller caused by impact?通过比较有限元模拟结果与理论计算结果发现,轮齿齿面及滚子柱面所受冲击动应力高出理论计算值73.00,MPa 近15%~25%,表明动态冲击载荷远大于静态条件下的理论计算值.另外,采用赫兹接触理论,在接触动应力的理论计算中,认为发生接触的区域为长l 、宽2b 的长方形区域;而有限元模拟结果表明,接触区域变形并非理想的长方形区域,轮齿齿面和滚子间的冲击接触力分布是不均匀的,接触动应力存在突变.4 结论(1)基于三维弹性接触有限元分析方法,建立了套筒滚子链传动系统有限元模型.该模型考虑了系统各零部件标准几何实体形状、摩擦及间隙等多种复杂影响因素,能够较精确地揭示该类系统的冲击特性.这为深入开展链传动系统的动态特性分析提供了一个可行的方法.(2)利用 ABAQUS 软件对轮齿滚子间的啮合冲击效应进行了数值模拟,较为精确地得出了轮齿冲击力、动应力大小及其分布规律,为开展链轮轮齿强度分析提供了借鉴.(3)在系统动态条件下,有限元模拟结果表明,轮齿滚子作为弹性体发生冲击接触时,接触区域变形并非理想的长方形区域,轮齿齿面的冲击接触力分布是不均匀的,在理论接触区域两侧冲击动应力较大.这为研究消除轮齿齿面载荷突变及应力集中现象提供了借鉴.(4)比较有限元模型模拟与理论计算结果发现:啮合冲击力幅值比理论计算结果高30%;冲击动应力幅值比理论计算结果高 15%~25%.说明在考虑了链轮齿形、间隙及弹性变形等多种影响因素的条件下,动态冲击载荷远大于静态条件下的理论计算值.【相关文献】[1]Conwell J C,Johnson G E,Peterson S W. Experimental investigation of the impact force that occurs when a roller seats on the sprocket during normal operation of a roller chain drive [C]//Proceedings of the 1992 International Power Transmission and Gearing Conference. Scottsdale,AZ,USA,1992,43:717-721.[2]Conwell J C,Johnson G E. Experimental investigation of link tension and roller-sprocket impact in roller chain drives [J]. Mechanism and Machine Theory ,1996 ,31(4):533-544.[3]Conwell J C,Johnson G E. Design,construction and instrumentation of a machineto measure tension and impact forces in roller chain drives [J]. Mechanism and Machine Theory,1996,31(4):525-531.[4]Wang K M,Liu S P,Havek S I,et al. On the impact intensity of vibrating axially moving roller chains [J].Journal of Vibration and Acoustics,1992,114(3):397-403.[5]Liu S P,Wang K W,Havek S I,et al. A global-local integrated study of roller chain meshing dynamics [J]. Journal of Sound and Vibration,1997,203(1):41-46.[6]Zheng H,Wang Y Y,Liu R,et al. Efficient modeling and prediction of meshing noise from chain drives [J]. Journal of Sound and Vibration,2001,245(1):133-150. [7]Zheng H,Wang Y Y,Quek K P,et al. Investigation of meshing noise of roller chain drives for motorcycles [J].Noise Control Engineering Journal,2002,50(1):5-11.[8]Zheng H,Wang Y Y,Quek K P,et al. A refined numerical simulation on dynamic behavior of roller chain drives[J]. Shock and Vibration,2004,11(5/6):573-584.[9]刘海蓉,芮执元,鲁春朋. 冷却运输机滚子输送链的接触分析研究[J]. 计算机与数字工程,2007,35(3):38-39,70.Liu Hairong,Rui Zhiyuan,Lu Chunpeng. The contact analysis and study of conveyor bush-roller chain in cooling transporter[J]. Computer and Digital Engineering,2007,35(3):38-39,70(in Chinese).[10]Chew M. Inertia effects of a roller-chain on impact intensity[J]. Journal of Mechanisms,Transmissions,and Automation in Design,1985,107(1):123-130. [11]Choi W,Joinson G E. Vibration of roller chain drives at low,medium and high operating speeds [C]// Proceedings of the 14th Biennial ASME Conference on Vibration and Noise. Albuquerque,NM,USA,1993,63:29-40.。
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一种开环链传动机构研究与仿真的分析
刘海民
【摘要】采用集中质量简化模型,对开环链条进行模型简化,从链轮与链节单系统模型开始研究,通过拉格朗日第二类方程推导了其微分方程,并给出了建立一般开环链模型系统微分方程的方法.在ADAMS环境中搭建开环链的仿真模型,在对导轨进行参数化设计基础之上对系统进行仿真研究.仿真结果表明,在链条进入导轨的过程中存在一定的不稳定性,但是当单一链节完全啮合进入导轨之后,其相对平稳的压靠在导轨的一侧,连续多个链节呈现出左右对称分部状态.通过设定链条与导轨之间不同的装配间隙,研究链轮输出扭矩的变化规律,得到了间隙与扭矩的关联函数,为深入进行开环链传动研究提供了依据.
【期刊名称】《机电产品开发与创新》
【年(卷),期】2015(028)004
【总页数】4页(P80-82,79)
【关键词】开环链;动力学特性;仿真
【作者】刘海民
【作者单位】中船重工集团第713研究所,河南郑州450015
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
开环链机构与其它常见的传动机构相比,具有以下优点:结构简单、运行可靠、维护方便等。
另外,由于采用“U”型导轨,当链条收回时可以完全停留在导轨内,
使设备自身高度较一般链传动机构降低,即在空间有限的条件下可获得较大的工作行程。
开环链式传动机构由链轮、开环链条及导轨组成(图1),与传统链条传动机构不同,该机构中链条需要导轨进行导向约束,利用链轮与链条之间的啮合力使链条推动负载沿导轨方向运动。
一般对链条进行动力学研究主要是围绕噪声和振动两个方面,而噪声问题实质上是振动的外在表现[1]。
在链传动动力学建模研究中,现有的资料多是将链轮等效为集中质量,没有考虑链轮对整个链系统的影响。
相对于传统链条,开环链条的动力学研究,特别是振动方程的研究甚少。
本文研究中,同样基于动力学基础对系统进行相应的简化,建立数学模型,以便于深入研究。
1.1 简化模型的动力学微分方程
由于开环链的运动不同于普通闭环链条,其随着链条在导轨的上升运动,处在导轨中的链节数量逐渐增加。
即所要研究的一个变化的系统,我们从图 2所示的链节模型开始研究。
系统各广义坐标及参数意义如下:m1:链轮等效质量;m2:链节等效质量;m3:负载及链节的集中等效质量;k2、k3:链节的等效刚度;k1:链轮支撑的等效刚度。
x1,x2,x3:等效质量的位移。
应用拉格朗日第二类方程来推导系统的微分方程。
(1)能量计算:
(2)广义坐标:
取初始平衡位置为系统零势能点,则有:
将以上三式带入得到下列微分方程组:
1.2 一般模型的动力学微分方程
依同样方法研究一般开环链微分方程组,结果如下:
其动力学方程同样可以表示为:
M为质量矩阵,K为刚度矩阵,X为广义坐标,F为广义力。
应用动力学软件ADAMS,对开环链传动系统进行动力学仿真分析。
在Pro/E软
件中建立装配模型,利用Pro/E与ADAMS的接口软件或格式转换将开环链传动
系统的模型导入到ADAMS中,并添加相应的约束及驱动,利用强大的动力学分
析功能对传动系统进行仿真分析[2]。
2.1 开环链模型建立
首先在Pro/E中对每个零件进行建模,由于ADAMS中接触力学求解过程比较复杂,容易出现计算发散等问题,这里只考虑工作段导轨中动力学特性,故导轨为其中负载作用的直线段。
然后根据实际尺寸进行装配将已经建立好的模型通过数据转换将其导入动力学分析软件ADAMS中。
由于需要研究链条与导轨之间的装配间隙对系统运行性能的影响,在ADAMS中
对导轨进行参数化设计,以方便改变导轨参数对系统进行动力学仿真。
并设置链轮、导轨、链条之间的约束副,以确定零件间的相对运动关系,添加约束后模型如图3
所示。
2.2 开环链在导轨中的运行状态分析
由于链条的柔性结构和它与导轨之间的装配间隙,链条在运行的过程中将会与导轨之间产生碰撞,这样在链条运行方向上就产生了垂向和横向的非线性碰撞振动。
一方面,它不仅导致与链条相连的负载承受连续不规则的冲击,严重影响着负载运动的平稳性;另一方面,滚子与导轨之间长时间的水平碰撞极易导致导轨和滚子的疲劳受损。
仿真初始条件设置中,给链轮施加2.86rad/s驱动速度来进行仿真分析。
图4、图5是运动过程中链条上滚子在导轨中水平位移变化的动态过程。
由图中曲线分析可知:在进入啮合之前,链节上的滚子在导轨中有较大冲击,如图4所示,随着链
轮与链节的啮合进程,某滚子1在负载的作用下靠近导轨右侧,随着链条的提升
滚子一直靠在导轨的右侧并向上运动。
从图5可以看出:当链轮与相邻的某滚子2
进入啮合后,滚子2在负载的作用下向导轨左侧靠近,直至与导轨左侧接触,并沿着导轨左侧向上运动。
由图中可以看出,在滚子进入稳定的运动状态之前,会分别靠近导轨的两侧,甚至在两侧各有一段时间内都的稳定的状态,这是由于开环链与普通滚子链条之间的结构差别,由于运动的不平稳性等因素,四个滚子相互会有一定的翘曲,而这也正是上述现象的主要原因。
2.3 导轨与链条的装配间隙变化对系统性能的影响
开环链系统中链条与导轨之间的装配间隙是系统结构的一个主要参数,其装配间隙的大小直接影响链轮输出扭矩的变化,如果间隙过大,链条在导轨中的冲击、振动都将加剧,易导致链条与导轨的疲劳受损和塑性变形,还将影响到负载的运行平稳性,且当间隙过大,链条与导轨接触力的水平分力也就变大,从而摩擦力也越大,使得系统效率降低,由此可见,合理的选择链条与导轨的装配间隙对系统性能有重要意义。
本小节将研究开环链传动系统在负载500kg时,不同装配间隙情况下系统性能的响应。
分别仿真对应于不同装配间隙情况下链轮输出扭矩与提升高度的变化关系。
间隙为0.4mm时,链轮的输出转矩基本呈现稳定的振动。
从仿真结果中可以看出当间隙由0.4mm增大到1.2mm、2.0mm时,随着提升高度的增加链轮的输出转矩也开始呈现非线性的增长。
为了更加直观的分析不同间隙情况下链轮输出扭矩随提升高度变化的关系,下面采用最小二乘法分别对间隙为0.4mm、1.2mm、2.0mm的仿真曲线进行数值分析,得到提升高度与动力输出扭矩拟合方程(详见表1)。
如上图所示,图中从下至上的间隙分别为0.4mm、1.2mm、2mm时所对应的提升高度与链轮输出扭矩方程曲线。
从图中可以明确看出,随着间隙的增大,链轮所要输出的扭矩也增大。
而对于相同运动条件,不同装配间隙情况下,提升相同负载所需的有效力矩是固定不变的,即图中所示的增大趋势主要是被摩擦力等无用功所消耗。
根据以上分析结果,在实际设计应用中,应该在满足前提的要求下,尽量选用比较小的间隙,以减少传动过程中的摩擦等损耗。
本文对开环链式传动进行了理论研究,建立了开环链的动力学简化模型,并以链节与链轮组成的模型为基础,应用拉格朗日第二类方程推导了其微分方程,并给出了建立一般开环链模型系统微分方程的方法。
利用多刚体动力学软件ADAMS对系统进行动力学仿真分析,得到了链条在导轨中的分布形态,与之相对应的分析了滚子在导轨中的动力学特性。
得到了链轮的输出扭矩曲线、负载速度曲线、链节与链轮之间的接触力等,通过改变导轨与开环链的装配间隙,研究装配间隙驱动扭矩之间的匹配关系,并对其结果数据进行了曲线拟合,得出其关联方程,该规律对开环链的后续工程使用具有较大的实用价值。
【相关文献】
[1]郑文纬,吴克坚.机械原理[M].高等教育出版社,1997.
[2]李军,刑俊文,覃文洁.ADAMS实例教程[M].北京:北京理工大学出版社,2002.。