（材料加工工程专业论文）基于虚拟样机技术同步带传动的设计与动态性能研究.pdf

姗i g 。y i c 一。燃刿 r e s e a r c ho fs y n c h r o n o u sb e l 月 t r a n s m i s s i o nb a s e do nv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x i u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e r o f e n g i n e e r i n g b y s u p e n g g a n g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r g ez h e n g h a o m a r c h ，2 0 1 0 基于虚拟样机技术同步带传动的设计与动态性能研究 摘要 随着同步带传动向高带速、长距离、高负载的方向发展，对于同步带传 动的动态特性的掌握有了更高的要求。目前对同步带传动的动态特性研究主 要集中在纵向振动和横向振动的独立研究方面，以及基于有限元法力学性能 方面的研究，而对同步带传动的仿真分析及其研究还存在不足之处。为了弥 补这一方面的不足，本文提出了基于虚拟样机技术的方法来设计并分析研究 同步带在传动过程中的动态特性，以此全面掌握同步带传动的动态参数，为 深入分析和研究同步带传动的动态性能提供一条新的思路。 本文为了更好的研究分析同步带传动的动态特性，首先对同步带设计和 分析中所涉及的理论基础进行了梳理和分析，对建立同步带传动的实体虚拟 样机的方法进行研究。为了建立同步带传动仿真分析的虚拟样机模型，深入 地研究和讨论了要采取何种方式和方法建立同步带实体虚拟样机几何模型， 以及建立虚拟样机几何模型过程中的细节问题和所要注意的事项。设计了一 种高速间歇式同步带传动装置，并以此设计为模型基础进行后续的带传动动 态分析研究。在此基础上，还对同步带传动系统和带的模型简化进行了研究， 为了减少计算工作量和仿真分析成本最后提出了采用相似理论来建模分析 的新方法。采用离散化的建模思想，通过定义接触副的方法建立了具有扩充 性的、一般性的同步带传动系统仿真模型，经过运动仿真分析，证明了这种 方法的可行性和合理性。对运动仿真分析结果做了仔细而深入的分析研究， 为使以后的研究能更进一步的接近实际，提出了在此虚拟样机基础上进一步 要做的工作和研究方向。 对利用虚拟样机技术建立的同步带传动模型进行分析研究表明，这种基 于虚拟样机技术对同步带传动动态特性的研究方法和现有的研究方法相比， 具有明显的优越性。通过对简化的同步带传动实体虚拟样机的仿真分析，表 明采用离散化利用接触副建立的系统模型的方法是可行的，也是合理的。并 且用这种方法可以得到更全面的同步带传动的动态参数，所以，建立同步带 实体虚拟样机模型进行仿真有很大研究价值，为以后在同步带传动的动态特 性研究方面开创了一个新的途径。 关键词：同步带，虚拟样机，动态分析，a d a m s d e s i g na n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e r e s e a r c ho fs y n c h r o n o u sb e l 月 t r a n s m i ss i o nb a s e do nv l r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e d ，l o n gd i s t a n c ea n do v e r l o a d i n go ft h e s y n c h r o n o u sb e l td r i v e ，t h er e q u i r eo fm a s t e r i n gs y n c h r o n o u sb e l td r i v e s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e nm o r ei m p o r t a n t a st h e c u r r e n ts t u d yo f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n o u sd r i v ef o c u s e do nv e r t i c a lv i b r a t i o na n d h o r i z o n t a lv i b r a t i o ni n d e p e n d e n t l y ，a sw e l la st h er e s e a r c ho fi t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d h o w e v e r ，t h er e s e a r c ho f s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o n ss i m u l a t i o na n da n a l y s i s s t i l le x i s t e ds h o r t c o m i n g s t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o db a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt os t u d y t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o np r o c e s s ，a n dg r a s pt h e d y n a m i cp a r a m e t e r so fs y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o n i tt a k e san e wm e t h o do f a n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o n f o rt h es a k eo fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，t h ep a p e rt a k e sa p p r o a c ha sf o l l o w s f i r s to fa l l ，s t u d i e dt h et h e o r e t i c a lb a s i si n v o l v e di ns y n c h r o n o u sd e s i g na n d a n a l y s i s ，a n dt h ew a yo fb u i l d i n gv i r t u a lp r o t o t y p eo fs y n c h r o n o u sb e l t i n a d d i t i o nb a s i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a ds o f t w a r e ，t h ep a p e rc h o o s e st h e m o s ta p p r o p r i a t em o d e l i n gs o f t w a r et ob u i l dav i r t u a lp r o t o t y p em o d e l b a s e do n t h ea b o v es t u d y ，t h ea p p r o a c ho fs i m p l i f y i n gs y n c h r o n o u sb e l td r i v es y s t e m m o d e lh a sb e e ns t u d i e d ah i 曲一s p e e di n t e r m i t t e n ts y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nh a s b e e nd e s i g n e d ，a sw h i c ht ob et h em o d e lb a s i sf o rt h ed y n a m i ca n a l y s i so fb e l t d r i v e o nt h i sb a s i s ，t i m i n gb e l td r i v es y s t e ma n dt h es i m p l i f i e dm o d e lh a sb e e n s t u d i e d i no r d e rt or e d u c et h ew o r k l o a da n dt h ec o s to ft h ef i n a ls i m u l a t i o n a n a l y s i s ，t h en e wm e t h o do fm o d e l i n ga n a l y s i sh a sb e e np u tf o r w a r db yu s i n g s i m i l a rt h e o r y u s i n gd i s c r e t e o r i e n t e dm o d e l i n g ，t h ev i c e s c a l a b l ea n dg e n e r a l t i m i n gb e l td r i v es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e nb u i l tb a s e do nt h em e t h o do f i i i d e f i n i n gt h ec o n t a c tp a i r s t h r o u g ht h em o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h i sa p p r o a c hi sf e a s i b l ea n dr e a s o n a b l e c a r e f u la n di n - d e p t ha n a l y s i s o fm o t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t sh a sb e e nd o n e t h ef u r t h e rr e s e a r c ha n dw o r kb a s e d o nv i r t u a lp r o t o t y p eh a sb e e ng i v e nt om a k ei tc l o s et ot h ea c t u a l t h em e t h o db a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt os t u d yt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f s y n c h r o n o u s t r a n s m i s s i o n p r o c e s s h a sb e e n p r o v e d s i g n i f i c a n t l ys u p e r i o r t h ef i n i t ee l e m e n td i s c r e t i z a t i o na n dd e f i n i n gt h ec o n t a c t p a i ra p p r o a c h e st ob u i l dt h es t u d i e dm o l di s f e a s i b l ea n dr a t i o n a l i ta l s oc a n g r a s pt h ed y n a m i cp a r a m e t e r so fs y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nf i l l l y t h e r e f o r et h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss t u d yo fs y n c h r o n o u sb e l th a so p e n e dan e ww a y f o rt h e f u t u r es t u d y k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sb e l t ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，d y n a m i ca n a l y s i s ，a d a m s i v 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 1 绪论一1 1 1 国外研究状况1 1 2 国内研究状况一2 1 3 课题背景3 1 4 研究内容和采取的技术路线4 2 同步带传动7 2 1 同步带的材料特性。7 2 1 1 同步带的结构和材料特性7 2 1 2m a x w e l l 力学模型及开尔文k e l v i n - v o i g t 力学模型。8 2 2 同步带的基本力学参数。8 2 2 1 同步带的应力8 2 2 2 同步带的应变9 2 2 3 同步带的应力一应变之间的关系9 2 2 4 同步带的弹性模量1 0 2 2 5 同步带的泊松比。1 0 2 2 6 同步带传动过程中紧边和松边的拉力1 1 2 2 7 同步带的功率1 1 2 2 8 同步带传动过程中的啮合齿数1 2 2 3 同步带传动的特点1 2 2 3 1 带传动的优点1 2 2 3 2 同步带传动的缺点1 2 2 4 同步带的分类1 3 2 4 1 按用途分13 2 4 2 按规格制度分一1 4 2 5 同步带的尺寸规格1 5 2 6 同步带传动的标准化工1 5 2 7 同步带的失效1 6 2 7 1 同步带的失效形式1 6 2 7 2 同步带传动的设计准则1 9 2 7 3 许用圆周力的确定1 9 2 8 同步带的传递效率1 9 2 8 1 同步带传动功率损失1 9 2 8 2 同步带传动的效率一1 9 2 9 同步带的成型2 0 2 9 1 同步带的成型方法2 0 2 9 2 同步带的成型设备2 2 3 高速同步带传动装置的设计2 5 3 1 概j 苤2 5 3 2 同步带传动的设计流程2 5 3 3 间歇式同步带传动装置的设计3 0 3 3 1 同步带的设计3 0 3 3 2 同步带及带轮齿的尺寸3 1 3 3 3 同步带上工位板的定位设计3 3 3 3 4 工位板的设计3 3 3 3 5 侧向限位的设计3 4 3 3 6 分割器的选择3 4 3 3 7 减速电机的选择3 5 3 4 总体装配3 5 4 同步带传动的动态分析3 7 4 1 同步带纵向振动连续模型理论3 7 4 2 同步带横向振动连续模型理论3 9 4 3 利用a d a m s 建立同步带实体模型理论4 1 4 3 1 同步带系统广义坐标的选择。4 1 4 3 2 同步带动力学方程的建立4 1 4 3 3 同步带动力学方程的求解4 1 4 3 4 同步带的静力学分析4 4 4 3 5 同步带的运动学分析4 4 4 3 6 同步带的初始条件分析4 5 4 3 7 在a d a m s 中将柔性体引入同步带系统的理论4 6 5 同步带实体虚拟样机的建模研究4 9 5 1 同步带系统建模简化：4 9 5 1 1 同步带系统简化4 9 i l 5 1 2 胶带的柔性建模简化5 0 5 2 在a d a m s v i e w 中建模一51 5 3a d a m s 中建立简单同步带仿真模型的方法5 2 5 3 1 利用菜单方式建立同步带虚拟样机模型5 2 5 3 2 利用其它c a d 软件建立同步带几何模型5 3 5 4 同步带样机模型的检查5 6 6 同步带虚拟样机的建立与仿真分析5 9 6 1 三维模型的建立5 9 6 1 1 创建带轮5 9 6 1 2 创建带块5 9 6 1 3 装配一6 0 6 1 4 添加约束6 0 6 2 三维模型的导入6 1 6 3 虚拟样机的定义6 1 6 4 样机在a d a m s 中的仿真分析6 6 6 5 小结7 3 7 结论与展望7 5 7 1 本文结论7 5 7 2 展望7 6 7 2 1 进一步柔性化虚拟样机模型研究7 6 7 2 2 实验和虚拟样机模型的进一步完善7 6 参考文献8 1 攻读学位期间发表的学术论文目录8 5 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明8 7 i i i 基于虚拟样机技术同步带传动的设计与动态性能研究 1 绪论 同步带传动是利用带轮的齿槽和带齿的啮合而进行的一种传动，它吸取了带传动、 齿轮传动和链传动的诸多优点的，所以同步带在传动的过程中的最大特点就是因为带轮 与带之间没有相互滑动而进行同步传动。和齿轮、链条传动相比，同步带在传动的过程 中平稳、噪音低、冲击小、无需润滑、污染小等是它的特点。和三角带( v 带) 相比， 同步带传动的特点具有带体薄而轻，强度大，传动效率高、传动比准确、速度快、功率 适应范围大。由于同步带的以上许多优点，目前在汽车、纺织机械、食品机械、烟草机 械、化工机械、轻工和通用机械等行对同步带的使用非常广泛【l 】嘲。 1 1 国外研究状况 国外研究同步带的有日本、美国、德国等国家，1 9 4 6 年，自从美国的u n i r o y a l 公司 成功开发出同步带后，同步带一直为梯形的齿廓。带的齿侧面为直线是这种梯形齿同步 带的一大特点，这种带齿会使根部产生非常严重的应力集中现象，对带的寿命和承载能 力有极大的影响。另外，其噪音、振动和干涉量大也是梯形齿同步带在传动的过程中的 缺点所在，影响同步带的传动速度脚。为了克服这些方面的缺点，1 9 7 3 年，u n i r o y a l 公 司又成功开发出了单圆弧齿廓同步带，和梯形齿同步带相比其性能上有了很大的改善， 干涉量变小了不少，应力分布也趋于合理，但对于齿高小于带轮齿高的单圆弧齿廓同步 带，因此在传动啮合时，带轮齿顶与带齿槽直接接触，带齿间的磨损加剧了许爹一】。为 了进一步地改善同步带性能，2 0 世纪，七十年代后期g o o d y e a r 公司又成功开发出了双 圆弧齿同步带。在应力分布、减小噪音及干涉等方面这种带的齿形都做到了极大的改善， 使同步带的使用寿命和承载能力得到了提蔚s 】。 为改善同步带在动态使用时出现的问题，上世纪八十年代美国在又成功开发出了曳 物线齿同步带，从理论上分析，这种特殊曲线齿的同步带，其特点有抗跳齿性能高，传 动平稳等优点，但是这种带齿的齿廓尺寸由带齿材料的参数而决定，所以对于千变万化 的材料参数，如果对于弹性模量相差很大的不同弹性体材料，它们的差异相当大，所以 还需进一步研究这种新型齿形同步带在实际中的应用【6 】。 在同步带传动理论方面的研究，国外的研究也处于较高的水平。对于同步带齿部接 触区域的载荷及接触应力的研究方面，美国的w f b r e i g 采用有限元的方法做过深入的 分析研究，梯形齿同步带峰值应力出现在齿的根部的见解就是他分析并得到的结论 7 1 。 在对同步带带齿断裂机理、带传动时受力情况及带的强度的方面，日本的保城武、饭家 傅等人用解析法和有限元对每个带齿承受的载荷做过初步的分析和深入研究，而且对同 陕西科技大学硕士学位论文 步带在运行过程中带齿承受载荷及张力的变化情况，他们还采用试验的方法进行过测 量。同时保城武等人还研究了分析了同步带的疲劳破坏产生的原因，“同步带破坏始自 芯绳内部向外 就是他们提出的嗍。 1 2 国内研究状况 我国生产聚氨脂同步带，是从2 0 世纪6 0 年代开始的，但由于工艺、设备和使用等 方面的多种原因生产出同步带材质的耐水、耐热性能较差，工作寿命短，满足不了进口 和国产设备上对同步带高转速和大功率传动的要求。上世纪8 0 年代起，随着我国大量引 进国外先进技术和优秀设备，同时国内的生产企业对同步带的需求越来越大，以及同步 带制造企业设计生产技术的落后，所以国家每年不得不花大量的外汇进口同步带【l 】。鉴 于以上种种原因，国内少数有实力的厂家相继从国外引进了生产切边v 带、多楔带和同 步带等部分高端新型传动带生产设备，产品的市场销路相当不错，很受用户欢迎。引进 的这些先进生产设备，我国胶带行业的生产制造水平得到了很大提高，积极的推动和改 善了我国落后的技术状况( 9 1 。 在一般工业对同步带使用的要求方面，国产同步带的数量和质量基本上可以满足， 但在一些高标准的技术场合，比如汽车行业，国产同步带在质量仍然不够稳定，寿命也 比较短。特别是国外某些厂家专门针对技术落后的国家设计了一些特殊齿形的同步带， 受知识产权保护的影响，致使我国生产的同步带无法和进口的设备匹配，满足不了使用 的要求，必须通过采用国外的产品。而进口同步带比国产的在价格上要高出3 4 倍，所 以国家每年为了进口高质量的同步带不得不花费大量外汇【0 1 。 为了提高我国同步带行业在国际上的竞争力，目前，国内已有多家高校或企业在开 发研制新型传动带以及生产设备，做的比较优秀的有哈尔滨工业大学、西北工业大学等， 他们消化、吸收了国外的先进的同步带生产技术引，根据我国的实际情况和自身的技术 设备，在国内进行研究和生产。但在理论研究方面，国内的哈尔滨工业大学和西北工业 大学等为数不多的院校对同步带传动的基础理论做过一些深入细致的研究，有若干篇论 文在国内外发表【1 1 1 。哈尔滨工业大学的宦宣颐、姜洪源等人以新型平顶同步带齿形为基 础参数，利用啮合原理和计算机仿真技术，通过优化齿顶结构形式，齿形的高度参数等， 通过分析和计算机仿真对同步带传动过程中的啮合原理进行了深入的研究，从而实现了 在加工前更接近实际情况、更直观的技术手段对同步带传动进行的仿真分析和参数优化， 在对同步带传动系统的参数化建模方面起到了一定的参考作用【心】。 目前在对同步带动态特性分析研究方面主要集中在以下几点：在同步带的启动工况 下，张力在胶带中产生的原理和传播过程；起制动装置的运动特性对胶带动张力的大小 的影响以及在带中分布规律；胶带横向振动的幅频特性以及与设计参数间的关系以及基 2 基于虚拟样机技术同步带传动的设计与动态性能研究 于无共振设计研究的胶带侧向稳定性研究；纵向、横向以及侧向振动三者之间的关系和 相互影响因素【1 3 】。 1 3 课题背景 同步带的强力层材质主要由高强度和高韧性的钢丝绳或玻璃纤维组成，在强力层外 面是聚合物层，材料为以聚氨酯或氯丁橡胶。同步带的外形为环形，内周呈齿状排列， 能够良好的与齿形带轮紧密啮合，构成传动元件1 1 4 】。 同步带传动的准确性，可以满足高速同步传动需求和低速传动需求，适用的温度环 境在2 0 到8 0 之间。同步带的优点很多，例如传动时对轴的作用力小、结构紧凑等， 以下是同步带传动较为突出的几个优点【1 5 1 【1 6 1 ： 1 ) 同步带与齿轮咬合紧密，在工作过程中传动带几乎没有滑动，这也就说明同步带 的传动比准确，能够提供比较恒定的传动比，以及同步带的传动过程平稳，具有一定的 缓冲性能，工作时振动小，噪音低。 2 ) 同步带的传动效率很高，可以达到0 9 8 ，极少在传动中产生多余能耗，在节能方 面有突出的优势。同步带的传动速比范围很广，可以达到1 0 ，线速度可以达到5 0 m s 。 同样同步带的功率传递范围也非常广泛，从几十瓦到数千瓦都能胜任。 3 ) 同步带的结构简单、紧凑，工作过程不需要润滑，便于安装及日常的维修保养。 同步带的生产材料有很高的耐磨性和耐油性，使用寿命长，抗老化性高，日常维修保养 费用便宜，据有较高的经济性。 4 ) 同步带的传动距离很长，设计制造良好的同步带能够传动的中心距可达1 0 米左 右。 随着工业生产规模的不断发展和扩大，高速同步带在生产中显示出卓著的优越性， 这就决定了长距离、高载荷、高带速的同步带是发展的必然趋势，但只有对同步带动态 特性进行深入、全面、综合的研究才能适应这一发展趋势，而现在对同步带动态特性的 研究主要集中在纵向振动和非稳定工况的研究上，对同步带动态特性参数的研究是独立 进行的，而对其相互作用和关系不能进行深入研究，因此对其动态特性进行深入研究是 个难点。 此外对于同步同步带设计和运行成本如何降低，也要求对同步带动态特性进行深入、 全面的研究和分析，因为在同步带系统结构中，同步带是同步带系统中的主要部件，其 具有双重作用。同时，同步带又是同步带系统中最昂贵的部件，约占同步带总投资的4 0 “0 。因此通过了解同步带在同步带系统中的动态特性，就可以研究如何提高同步带 系统的整体寿命，从而降低设计和运行成本，这就要对要对同步带动态特性进行深入的 研究和分析1 1 7 1 。 ， 陕西科技大学硕士学位论文 综上所述，在对同步带动态特性研究方面进行全面、深入的了解，不仅对于开发新 型同步带有非常的意义，而且还可以对在役同步带使用性能提出建设性的意见；进而加 快我国同步带设计由传统设计向现代设计的转化速度。而目前常用的对于同步带的动态 特的研究方法有很大的不足。因此，为了改进目前我国在同步带动态性能研究方面的局 限性，进而深入、全面的了解同步带传动的动态特性，就要求采用现代化的手段和新的 方法来对同步带的动态特性进行研究，以达到对同步带动态特性全方位的了解【1 4 1 。 上世纪9 0 年代中叶虚拟样机技术逐渐发展了起来，这种新技术是概念是基于现代计 算机技术提出来的，为了来表示实际生产中物理样机的各个零件以及各个机构和整个机 器原型，虚拟样机采用一种精确而逼真的数字模型，它是相对于实际产品设计中的物理 样机而言的，这种数字化的物理样机更有利于生产、模拟和进行反复的试验和修改，这 样就大大的减少了研究资金和研究周期。虚拟样机技术在西方发达国家已经开创性的取 得了显著的成果，特别是美国在此领域的研究非常突出【墙1 。 为此本文提出建立同步带虚拟样机模型，利用精确的同步带虚拟样机来对同步带展 开深入的、综合和全面的动态特性研究，所以本论文主要就建立何种同步带虚拟样机， 如何简化同步带系统模型，如何建立同步带虚拟样机几何模型，这样建立的同步带虚拟 样机能否用来研究同步带的动态特性以及是否比现有的方法具有优越性等几个方面展开 研究。 1 4 研究内容和采取的技术路线 本文的出发点就是同步带带齿理论方程的基础上，研究应该建立何种同步带虚拟样 机模型，然后研究建立这种同步带虚拟样机的可行性，以及建立这种虚拟样机模型的方 法，采用虚拟样机技术对同步带的动态特性进行研究，从而以直观的、更接近实际情况 的手段实现对同步带传动过程中的特性进行观察和分析。在对同步带传动中的运动学性 能进行分析研究的基础上，以及同步带传动中的接触力和带中的张力对运动的影响进行 分析。 本文所做的主要工作有下列几个方面： 1 ) 同步带的理论基础及设计参数 以传统同步带为基础，对同步带传动的基本理论进行分析和研究，以及同步带在使 用过程中出现的问题进行讨论。还有在同步带设计中需要的参数和注意的问题进行系统 全面的阐述，为后续同步带虚拟样机模型的建立和仿真分析提供了理论基础。 2 ) 高速同步带传动装置的设计 介绍同步带传动装置的一般设计过程，并就一种高速间歇式同步带传动装置进行了 详细设计。最后对这个装置进行了三维建模和装配，得到了结构合理且紧凑的装置模型。 4 基于虚拟样机技术同步带传动的设计与动态性能研究 3 ) 建立虚拟样机方法的研究 在深入了解现代虚拟样机技术的基础之上，对比多种建立虚拟样机的基本思想和方 法，选择合适的c a d c a e 软件( 包括a u t o c a d 、p r o e 、u g 、c a t i a 、a d m s 、 a n s y s 、m a c r o 以及n a s t r a n ) ，并对他们各自的优缺点进行分析和赛选，最终选 择建立同步带虚拟样机的基础平台。分析目前在同步带动态特性研究中采用的模型，分 析在同步带虚拟样机研究中采用离散法和连续法这两种方法中的哪一种。 4 ) 在c a d 软件中实现同步带及带轮的精确建模 本文研究了同步带及带轮的建模特点，利用p r o e 软件进行带与带轮实体模型的精 确建模方法，充分利用的p r o e 的优秀建模特点，最后利用p r o e 和a d a m s 的无缝 数据传输接口软件m e c h p r o 导入a d a m s 中，避免了数据的丢失。 5 ) 同步带的动态分析 本文着重探讨了同步带虚拟样机的动态特性，利用a d a m s 强大的仿真和分析功能 来实现带与带轮的整体分析的方法。从运动学和动力学两个方面对同步带做了深入的研 究，对同步带动态特性进行了系统的分析，得到了其运动特性的规律。 本论文采取的研究技术路线如图1 1 所示，在充分考虑同步带的结构以及各个部件 收集资料ii 理论分析 同步带部件动态特性研究方法的了解 建立不同虚拟样机模型及这些方法的 确定初步建立虚拟样机的类型 研究同步带虚拟样机几何建模的方法 图1 1 同步带动态特性研究技术路线图 f i g l lt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f s y n c h r o n o u sb e l tr e s e a r c ht e c h n i q u er o u t e 5 陕西科技大学硕士学位论文 之间组成关系的基础上，分析目前在研究同步带传动中都使用的各种几何模型；充分对 比离散法和连续法在同步带建模过程中的优缺点，确定这两种方法中的哪一种用于在同 步带虚拟样机中研究；分析如何对其进行简化以及采用何种几何模型进行建模，并考虑 采用哪种软件建立这种简化后的同步带实体虚拟样机模型；最后进行仿真分析，通过定 性分析得出这种方法的可行性，在此研究的基础之上，最后通过实验，对此模型进行进 一步的改进和完善，使其研究方法和结果能用于同步带设计、动态特性研究和现场指导。 6 基于虚拟样机技术同步带传动的设计与动态性能研究 2 同步带传动 要分析同步带的动态性能，就必须对所用同步带材料的特性以及同步带传动时基本 力学参数是如何选取的进行一定的了解，以下首先从材料特性和基本力学参数两方面进 行讨论；最后再详细分析一下同步带的设计参数，为后面章节的动态研究做理论打好基 础。 2 1 同步带的材料特性 2 1 1 同步带的结构和材料特性 如图2 1 所示为同步带的结构，它是由带背、带齿、强力层和齿包布组成，带的节 线为处于强力层的位置。 带背 强力层 图2 - 1 同步带的结构示意图 f i 9 2 1t h es t r u c t u r eo fs y n c h r o n o u sb e l t 同步带的带齿和带背都为橡胶材料，带齿橡胶的材料要求有足够的抗剪切强度和抗 撕裂强度，带背橡胶的材料则应该具有一定的屈挠性和抗拉强度，因为在传动过程中， 轮齿与带齿相互啮合，带背主要承受的是拉力，带齿主要承受的是剪应力，并且要求带 齿胶料、带背和强力层材料它们之间的粘接强度要足够大 1 9 1 。 同步带的齿包布要求具有韧性大、耐磨损、强度高、纬向具有高伸长率的特点。因 为在工作时它起到了减小它们之间的摩擦的作用，而且保护齿部和线绳。 同步带的强力层就要求它具有抗拉强度高、变形小、疲劳强度高并与橡胶粘接性能 好等特点，因为在工作时它承受带的拉力。 对同步带材料的组成可看出，同步带是一种兼有粘性和弹性的粘弹性材料，而且属 于一种复合材料。同步带的综合弹性模量较大，其材料特性决定了在传动过程中主要拉 力的承受依靠强力层 i t i 。 既然同步带属于一种粘弹性体，所以它在外力作用下不会产生瞬时形变，应力和应 变也不成比例，外力除去后形变也不会随即消失；同时在外力的作用下，不会产生恒定 7 陕西科技大学硕士学位论文 的流动，形变随时间也不会成比例增加。所以弹性和粘性的力学特性是同步带兼有的性 质。可以用粘弹性力学分析中的麦克斯韦( m a x w e l l ) 力学模型及开尔文( k e l v i n - v o i g t ) 力学模型来描述同步带的这些特性 2 0 l 。 2 1 2m a x w e l l 力学模型及开尔文k e l v i n - v o i g t 力学模型 由于同步带材料的特性是粘弹性固体，因此线性粘弹性体模型来描述它。胡克体( 遵 循胡克定律) 和牛顿流体( 遵循牛顿粘性定律) 为线性粘弹性模型的两种极端情况。线 性粘弹性材料的特性可用服从胡克定律的弹性和服从牛顿粘性定律的粘性元件的不同组 合来表征。开尔文模型用弹件与粘性元件两者并联而形成的；麦克斯韦模型是用两元件 串联而形成的【2 l 】。 1 ) 串联模型 串联模型又被称为m x a w e l l 模型，它所描述的应力应变关系为： 坐：n lo - 衍- - - + 里 ( 2 1 a ) 一= + 一 i 一爿j d led l q 当t = - o 时，盯= ，则c = c r 0 ，因此有下式： 仃= p 吖( e 弘p “魂+ 仃。 ( 2 1 b ) 2 ) 并联模型 并联模型又被称为v o i g t 模型，它所描述的应力应变关系为： 仃= e s + 7 7 百d e ( 2 2 ) 在以上两式中： 叩为粘度； e 一为弹性模量。 在求解粘弹性问题的时候，一般用到的理论推导是：把粘弹性力学的拉普拉斯变换 后的解答从弹性力学的拉普拉斯变换中找出，取这个解答的反变换，于是就得到了需要 解决问题的粘弹性解，这种方法被称为相当性原理。但在求解实际问题时最后在数学上 都导致不同程度的复杂化，上述分析仍然只是理论上的推演。还有就是所需要的粘弹性 数据一般很难得到精确的解，而且对于施加的全部历史在计算前要精确地掌握 2 2 1 。 2 2 同步带的基本力学参数 2 2 1 同步带的应力 同步带的应力就是所受的外力与变形前构件的横截面积之比： 8 基于虚拟样机技术同步带传动的设计与动态性能研究 p 仃2 4 ( 2 3 ) 式中： 4 为变形前物体的横截面积； 尸为作用于物体的外力。 2 2 2 同步带的应变 本文采用格林( g e m e ) 应变，它也以变形前的状态为基准参数，对应于基尔霍夫应 力的格林应变为： ：i 厶 厶(2-4) 式中： 厶为变形前同步带的长度； 厶为变形后同步带的长度。 2 2 3 同步带的应力应变之间的关系 本文采用的同步带应力一应变之间的关系是采用同步带的一维拉伸试验的方法得到 的。 在对同步带进行一维拉伸试验时，共使用了十条节距为8 m m 的圆弧齿同步带，拉 伸试验是在拉伸试验机上进行的。拉伸试验的标准以最后把带拉断，同时，用测量装置 把拉伸试验过程中的i 卜6 曲线的变化情况记录下。用最小二乘法对十条r _ 6 曲线进 行拟合，如图2 2 a 所示，最后得到i 卜6 曲线，再利用具体同步带数据可得到如图2 2 b 所示的仃一曲线 2 3 1 。 a ) i 卜6 曲线b ) 盯一g 曲线 图2 - 2 同步带的一维拉伸实验 f i 9 2 - 2s y n c h r o n o u sb e l to fo n e - d i m e n s i o n a lt e n s i l et e s t 该曲线的一般表达式为： 仃= e e + a 。2 ) 。 ( 2 5 ) 9 陕西科技大学硕士学位论文 一式中： e - 弹性模量； 口为系数。 由于在同步带工作的时候，带主要拉力由强力层来承受的，所以试验所得的数据实 际为同步带强力层( 即绳芯) 的应力一应变曲线。 由上述试验可知，同步带强力层呈非线性应力应变关系，但对于弯曲程度不大的仃 一s 曲线，几乎可以认为是直线。因此，为了本文在后述章节中所研究问题时把问题简 单化，所以先做了以下四点基本假设： 1 ) 同步带材料的应力一应变关系考虑为线弹性； 2 ) 同步带传动中的材料为各向同性体； 3 ) 同步带强力层的应力应变的材料呈线性； 4 ) 同步带带齿的应力一应变采用接触分析