無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析研究第1章緒論1.1選題背景及鏈條張緊裝置簡(jiǎn)介鏈傳動(dòng)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、傳動(dòng)力大、傳動(dòng)比（平均傳動(dòng)比）準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、無(wú)滑動(dòng)，能夠在高速、重載以及惡劣環(huán)境下正常工作等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)和生活實(shí)踐中。因此鏈傳動(dòng)在工業(yè)生產(chǎn)制造和人民生活中的地位不容忽視，同時(shí)各種類型的鏈傳動(dòng)不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)批量大，且應(yīng)用于各種領(lǐng)域。鏈傳動(dòng)是一種具有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)[1]。通過(guò)鏈條與鏈輪輪齒的嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。鏈傳動(dòng)可用于傳動(dòng)用、輸送用、曳引提升用以及許多結(jié)構(gòu)巧妙、性能特異的專門(mén)用途。因此鏈條通常劃分為四大類即傳動(dòng)鏈、輸送鏈、曳引鏈和特種專用鏈[2]。鏈傳動(dòng)系統(tǒng)因鏈條的磨損伸長(zhǎng)，大多都有張緊裝置來(lái)張緊鏈條，以滿足鏈傳動(dòng)的功能。張緊輪可以是鏈輪也可以是惰輪。張緊裝置的主要功能是要保證鏈傳動(dòng)系統(tǒng)始終處于最佳的傳動(dòng)狀態(tài)，張緊及時(shí)，張緊力充足。滾子鏈傳動(dòng)有各種不同的失效形式，其主要的失效形式為：鏈條疲勞破壞、鏈條鉸鏈磨損、鏈條鉸鏈膠合、鏈條靜強(qiáng)度破壞。其中鏈條鉸鏈磨損是滾子鏈傳動(dòng)中常見(jiàn)的失效形式之一[2]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，約60%的鏈條損壞是由于鏈條的磨損造成的[3]，因此必須重視鏈條磨損對(duì)鏈傳動(dòng)的影響，以便提高鏈傳動(dòng)的性能。鏈條鉸鏈磨損后鏈條總長(zhǎng)變大，從而鏈條松邊垂度變大，增大動(dòng)載荷，發(fā)生振動(dòng)、引起跳齒、加大噪聲以及其它破壞[3]，為避免上述減弱鏈傳動(dòng)傳動(dòng)效率和質(zhì)量的問(wèn)題發(fā)生，因此需要張緊鏈條。張緊方法可分為人工定期張緊和設(shè)張緊輪裝置。可見(jiàn)張緊裝置在鏈傳動(dòng)中的地位不可小覷。現(xiàn)有的張緊裝置在張緊鏈條時(shí)也會(huì)改變鏈條與鏈輪的嚙合包角，使其變大，提高傳動(dòng)質(zhì)量。鏈傳動(dòng)中張緊裝置的水平影響著鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的不斷革新。鏈傳動(dòng)整體的發(fā)展影響著工業(yè)發(fā)展和人民生活，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，小型化、輕型化、自動(dòng)化成為新的工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，但是鏈傳動(dòng)在小型化、輕型化、自動(dòng)化方向上的發(fā)展則差強(qiáng)人意，阻礙了鏈傳動(dòng)的相關(guān)快速發(fā)展。.........1.2自動(dòng)張緊裝置國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究自動(dòng)張緊可以解決人工定期張緊會(huì)出現(xiàn)的張緊力不準(zhǔn)確，張緊力過(guò)大或者過(guò)小問(wèn)題，同時(shí)也減少了人工成本，使鏈傳動(dòng)始終處于最佳工作狀態(tài)，動(dòng)力傳遞可靠，鏈條使用壽命增加。由上表可知帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)之間的關(guān)系，在不少的工業(yè)產(chǎn)品和生活用品中，其傳動(dòng)部分是由帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)共同構(gòu)成，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)(尤其是汽油發(fā)動(dòng)機(jī))的傳動(dòng)輪系,普遍可分為橡膠皮帶傳動(dòng)和無(wú)聲鏈傳動(dòng)兩大系統(tǒng)[5]。故研究帶傳動(dòng)系統(tǒng)中的張緊裝置對(duì)研究鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中的張緊裝置有一定的借鑒意義。陶寅初，莊修振[6]發(fā)明了一種用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)皮帶系統(tǒng)的新型摩擦式自動(dòng)張緊輪，采用新型摩擦式張緊輪替換中心固定式惰輪，減少了傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷和振動(dòng)，不需要定期調(diào)整皮帶的張緊力，結(jié)構(gòu)如下圖1.2所示。徐昇佑[7]的發(fā)明中介紹了一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制影響皮帶張力的可變張緊輪。當(dāng)控制單元50在轉(zhuǎn)速不高于預(yù)定轉(zhuǎn)速時(shí)控制張緊致動(dòng)器44以擴(kuò)張彈性致動(dòng)器，使彈性元件34的一部分變形，來(lái)達(dá)到張緊的目的。可變張緊輪結(jié)構(gòu)如下圖1.3所示。.........第2章無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪設(shè)計(jì)分析2.1無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪設(shè)計(jì)思路及工作原理本文中所設(shè)計(jì)的張緊鏈輪需達(dá)到兩個(gè)要求：1、舍棄現(xiàn)有張緊裝置中其他部分，如張緊鏈裝置中張緊輪的支撐軸及其它相關(guān)的支撐裝置等，只保有實(shí)現(xiàn)張緊功能的張緊輪，達(dá)到簡(jiǎn)化張緊裝置，減輕張緊裝置重量的目的；2、具有自動(dòng)張緊功能。能及時(shí)的把因鏈條鉸鏈磨損而長(zhǎng)度伸長(zhǎng)的磨損鏈條張緊，保證鏈輪和鏈條良好的嚙合狀態(tài)，保證相關(guān)機(jī)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)。無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定必須遵守兩個(gè)原則：1、不能干涉鏈條與鏈輪之間正常嚙合運(yùn)動(dòng)；2、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所制定的鏈輪相關(guān)計(jì)算公式。常見(jiàn)的鏈輪結(jié)構(gòu)可分為：制成整體式的小直徑鏈輪；制成孔板式的中等尺寸的鏈輪；其中直徑較大的鏈輪，經(jīng)常使用組裝式的結(jié)構(gòu)，將齒圈通過(guò)螺栓連接方式或焊接固定在輪轂上[1]，以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)是鏈輪的尺寸。本文所設(shè)計(jì)的無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪，不同于以往的張緊輪通過(guò)改變其物理位置來(lái)實(shí)現(xiàn)張緊，而是以張緊輪自身形狀的變化來(lái)達(dá)到張緊目的。本文中所述的張緊鏈輪是以鏈輪的功能來(lái)決定鏈輪的結(jié)構(gòu)。而上述常用的鏈輪結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)到無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪設(shè)計(jì)要求，因此鏈輪需采用新型結(jié)構(gòu)形式，因此本文中的無(wú)支撐自動(dòng)張緊輪不同于以往的整體式、剛性結(jié)構(gòu)，需采用組合式、柔性結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。..........2.2鏈傳動(dòng)受力分析與磨損計(jì)算鏈傳動(dòng)中有撓性元件，無(wú)特殊結(jié)構(gòu)情況下是非共軛嚙合，鏈條的中心線（中心線指鏈條拉直時(shí)，鉸鏈中心的連線，下同）位置存在著周期性的變化，如圖2.4所示，圍在鏈輪上的鏈條是由多邊形組成，鏈條中心線與鏈輪上的分度圓在運(yùn)動(dòng)中交替地呈現(xiàn)相切和相隔的位置[1]。因鏈傳動(dòng)固有的多邊形效應(yīng)，對(duì)鏈傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析后得出，如下圖2.4所示，即使主動(dòng)輪的ω1為常數(shù)，鏈速v也經(jīng)歷“最小-最大-最小”的周期性變化。因此鏈條在垂直方向的速度v?也作周期性變化，使鏈條上下抖動(dòng)，產(chǎn)生附加動(dòng)載荷、引起沖擊振動(dòng)，故鏈傳動(dòng)不適合高速傳動(dòng)。因此本文中的鏈速選取為中低速，進(jìn)行仿真分析。鏈傳動(dòng)時(shí)，內(nèi)外鏈節(jié)的運(yùn)動(dòng)由銷軸、套筒實(shí)現(xiàn)。鏈條與鏈輪嚙合狀態(tài)的發(fā)生與分離對(duì)鏈條上的鉸鏈副有重要的影響，因?yàn)槠淠p主要發(fā)生在此階段。如圖2.7所示，在嚙合狀態(tài)發(fā)生改變的a、b、c、d點(diǎn)鉸鏈出現(xiàn)滑移現(xiàn)象[25]。........第3章無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪彈性元件設(shè)計(jì)........293.1無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪彈性元件工作原理........293.2無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪彈性元件選取........293.2.1片彈簧的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn).......293.2.2片彈簧的剛度...........303.2.3片彈簧的應(yīng)力集中...........303.2.4片彈簧的材料...........313.3彈性力學(xué)理論知識(shí)簡(jiǎn)介....323.4彈簧片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).........363.5本章小結(jié).....42第4章無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪仿真分析..........434.1無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪三維實(shí)體模型建立........434.1.1Pro/E軟件簡(jiǎn)介.........434.1.2無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪三維實(shí)體建模......444.2無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪多體動(dòng)力學(xué)仿真....464.3無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪結(jié)構(gòu)力學(xué)分析........514.4齒數(shù)對(duì)無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈傳動(dòng)的影響....554.5本章總結(jié).....57第5章結(jié)論與展望.........595.1結(jié)論.....595.2工作展望.....60第4章無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪仿真分析4.1無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪三維實(shí)體模型建立為了研究本文中設(shè)計(jì)的無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合適，對(duì)其進(jìn)行仿真分析。仿真分析的第一步是建立仿真模型，因?yàn)楝F(xiàn)有的仿真軟件中三維建模能力有限，且本文中無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此先在功能強(qiáng)大的三維建模軟件中建立三維實(shí)體模型。Pro/E是一種機(jī)械設(shè)計(jì)綜合軟件，是一種參數(shù)化設(shè)計(jì)建模、基于特征的實(shí)體模型系統(tǒng)，包含實(shí)體模型、鈑金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)等模塊，是一種3D高級(jí)建模軟件，在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中得到廣泛使用。Pro/E分模塊進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，在不同的模塊中各自進(jìn)行繪制草圖、零件三維建模、零件裝配、鈑金設(shè)計(jì)等[43]。Pro/E是基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在模型中修改尺寸后，模型的外形隨尺寸的變化而實(shí)時(shí)地改變，設(shè)計(jì)者可以快速直觀的表達(dá)自己的設(shè)計(jì)方案，節(jié)省了大量的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。在Pro/E中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)在同一數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，不同于以往的CAD/CAM系統(tǒng)中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存放在不同數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)在同一數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的好處是：任意時(shí)間內(nèi)無(wú)論哪個(gè)設(shè)計(jì)工作者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中改動(dòng)任意數(shù)據(jù)，都可及時(shí)反應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)相應(yīng)部分中。比如，改變組裝工程圖中的任意尺寸，三維模型中的相關(guān)尺寸也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的嚴(yán)密結(jié)合，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不同部分緊密結(jié)合，從而有效提高設(shè)計(jì)效率[44]。本文中無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪設(shè)計(jì)可以系列化，同時(shí)因?yàn)樵摕o(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪設(shè)計(jì)體系不完善，因此在設(shè)計(jì)時(shí)極有可能需要不斷的修改無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪中的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，Pro/E軟件中的參數(shù)化設(shè)計(jì)極大的滿足了這一要求，同時(shí)無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪中的彈性元件需要在Pro/E鈑金設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行建模。..........結(jié)論本文主要以無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪為研究對(duì)象，在了解和掌握現(xiàn)有鏈傳動(dòng)張緊裝置結(jié)構(gòu)和工作原理，收集研讀國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鏈傳動(dòng)中張緊裝置所做的研究，借鑒與鏈傳動(dòng)有相似之處的帶傳動(dòng)中現(xiàn)有的張緊裝置的基礎(chǔ)上，提出一種新型的張緊裝置。提出一種新穎的張緊方法，由張緊輪自身結(jié)構(gòu)形狀的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)張緊，設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)需支撐裝置、能夠自動(dòng)張緊磨損鏈條的張緊鏈輪。先對(duì)無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪進(jìn)行必要的理論分析，確定鏈輪結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，尤其重點(diǎn)是對(duì)彈性元件進(jìn)行理論分析，從而確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)理論設(shè)計(jì)得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Pro/E中建立無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪的三維模型，導(dǎo)入RecurDyn中，建立無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪鏈傳動(dòng)仿真模型，對(duì)其進(jìn)行不同條件下的運(yùn)動(dòng)仿真，分析其在不同條件下的運(yùn)動(dòng)特性，確定無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪的受力情況。導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪的力學(xué)分析，對(duì)該鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零件進(jìn)行有限元分析后。得出以下結(jié)果：1、在主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速較低的情況下，仿真無(wú)支撐自動(dòng)張緊鏈輪鏈傳動(dòng)，得到構(gòu)件受力圖，可知啟動(dòng)初期受力數(shù)值有波動(dòng)，穩(wěn)定后受力基本