（机械制造及其自动化专业论文）复合齿廓齿形链链轮的啮合机理及动态分析.pdf

摘要 摘要 齿形链传动广泛应用予汽车和摩托车发动机的正时机构。然而传统的齿形链 传动存在多边形效应和啮入瞬间的冲击效应，损害了传动的同步性与均匀性。因 此亟需研究新型齿形链传动来提高齿形链机构的传动性能 首先本文分析了齿形链传动过程中存在的多边形效应和啮合冲击，以减小机 构高速运转时链条与链轮的啮合冲击，降低链条的波动量，提高链传动的平稳性 为目标，开展了新型齿廓链轮的设计研究通过修正传统直边齿廓链轮的齿形， 参照渐开线链轮的设计，将链轮直线齿廓与渐开线齿廓拟合在一起，设计了一种 复合齿廓链轮新型链轮与链条啮合时，初始阶段链条直边齿廓与链轮的渐开线 齿廓啮合，这样减小了啮入冲击；终了阶段链条与链轮的直线齿廓啮合定位，增 强传动的准确性 其次基于三维建模技术和机械动态仿真技术建立了传统直边齿廓链轮、渐开 线链轮和复合齿廓链轮齿形链机构的多刚体系统动力学模型完成了主动链轮转 速在5 0 0 r l n l i n - 8 0 0 0 r l n f i n 的动力学仿真试验仿真结果表明：与传统直线及渐开线 齿形链机构比较，使用复合齿廓链轮的齿形链机构的紧边链条波动量、啮合冲击 力、从动轮角速度不均匀系数均有所减小 通过试验台台架实验，分析了三种齿形链机构的传动性能，测定了链传动实 验台的固有频率，进行了紧边链条波动量和噪音的测量对比实验。实验结果表明： 在变静态方法测量下，复合齿廓齿形链机构的紧边链条波动量与直线齿廓齿形链 相当，比渐开线链轮齿形链机构减小了1 7 ；当主动链轮转速在2 0 0 r l n l i m - 6 0 0 r l m i n v n 时，复合齿廓链轮齿形链机构从动轮角速度不均匀系数最小，紧边链条啮入主动 轮处的噪音最低。因此复合齿廓齿形链机构可以减小振动和噪音，提高机构高转 速时的动态性能。 本课题得到国家自然科学基金项目“变节距双面啮合齿形链的机理与齿形修 正方法的研究( 5 0 3 7 5 0 8 5 ) ”的支持。 关键词：齿形链；复合齿廓链轮：动力学分析 a b s t r a c t s i l e n tc h a i nd r i v ei sw i d e l yu s e di nt h et i m i n gm e c h a n i s mo fg a s o l i n ee n g i n e , s u c h 鹪m o t o r c a ra n dm o t o r c y c l ee n g i n e h o w e v e rt h ep o l y g o nm o v e m e n ta n dt h em e s h i n g c o n t a c te f f e c to fs i l e n tc h a i nd r i v ed a m a g e st h es y n c h r o n i z a t i o na n du n i f o r m i t yo f t r a n s m i s s i o n i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pn e wk i n do fs i l e n tc h a i nd r i v et oi m p r o v et h e w a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo f s i l e n tc h a i nm e c h a n i s m f i r s to fa l l ，t h ep o l y g o nm o v e m e n ta n dt h em e s h i n gc o n t a c to fs i l e n tc h a i nd r i v ea r e a n a l y z e da n dt h ed e s i g no fan e wt o o t hp r o f i l es p r o c k e ti sd e v e l o p e d t h en o r m a l s p r o c k e tp r o f i l ei sm o d i f i e dr e f e rt oi n v o l u t es p r o c k e tp r o f i l e an o ws p r o c k e tp r o f i l ei s d e s i g n e db yi n t e g r a t i n gt h ei n v o l u t ea n db e e l i n e a tt h eb e g i n n i n go fam e s h i n gc i r c l e , t h es t r a i g h tt o o t hf o r mo ft h es i l e n tc h a i ne n g a g e sw i t l lt h ei n v o l u t es p r o c k e tf o r m a t t h ee n do f am e s h i n gc i r c l e , t h es i l e n tc h a i ne n g a g e sw i t ht h eb e e l i n es p r o c k e tf o r m s o t h em e s h i n gi m p a c ti sr e d u c e da n dt h ed r i v i n gp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d s e c o n d l y , t h er i g i dd y n a m i cm o d e l so f t h r e es i l e n tc h a i n s ( i n c h i d i n gt h en o r m a l 、 i n v o l u t ea n dc o m p o s i t ep r o f i l es p r o c k e t s ) a r eb u i l tb ym c a n so ft h e3 - dm o d e l i n ga n d m e c h a n i c a ld y n a m i ca n a l y s i st e c h n o l o g y t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fd r i v ew h e e la t s p e e d so f5 0 0 r m i nt o8 0 0 0 r r a i ni sa c h i e v e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h et i g h t s i d ef l u c t u a t i o no f t h es i l e n tc h a i no f c o m p o s i t ep r o f i l es i l e n tc h a i nm e c h a n i s mr e d u c e s c o m p a r e dw i t ht h a to fc o n v e n t i o n a ls i l e n tc h a i nm e c h a n i s m t h em e s h i n gc o n t a c ta n d t h ed r i v e nw h e e la n g l ev e l o c i t yn o n u u i f o r m i t yc o e f f i c i e n td e c r e a s e , t o o 尘奎丕堂塑主兰笙鎏奎 t h ei r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h r e ek i n d so fs i l e n tc h a i nm e c h a n i s m si s c o m p a r e db yt h ee x p e r i m e n t so nt h et e s t - b e d t h ef r e ef r e q u e n c yo ft h et e s t - b e di s m e a s u r e da n da n a l y z e di no r d e rt oa v o i dt h er e s o n a n c e t h et i g h ts i d ef l u c t u a t i o na n d n o i s e so ft h et h r e ek i n d so fs i l e n tc h a i nm e c h a n i s m sa r em e a s u r e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h et i g h tc h a i nf l u c t u a t i o no f c o m p o s i t ep r o f i l es i l e n tc h a i nm e c h a n i s m r e d u c e sb y1 7 c o m p a r e d 、i t ht h a to fi n v o l u t es p r o c k e ts i l e n tc h a i nd r i v e t h ed r i v e n w h e e la n g l ev e l o c i t yn o n u n i f o r m i t yc o e f f i c i e n ta n dt h en o i s ev a l u eo fc o m p o s i t ep r o f i l e s i l e n tc h a i nm e c h a n i s ma r el o w e s ti nt h et h r e ek i n d so fs i l e n tc 1 1 a i nm e c h a n i s m s t h e r e f o r eu s i n gt h ec o m p o s i t ep r o f i l es i l e n tc h a i nc a nr e d u c et h ev i b r a t i o na n dt h en o i s e a n d i m p r o v et h eh i g h - s p e e dd r i v i n gp e r f o r m a n c e t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( g r a n t n u m b e r5 0 3 7 5 0 8 5 ) k e yw o r d s ：s i l e n tc h a i n ；c o m p o s i t ep r o f i l es p r o c k e t ；d y n a m i ca n a l y s i s x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丛盎壅日期：z ：2 ：垒( 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：造盍五导师签名：日期：2 堕垒丝 第1 章绪论 1 1 引言 近年来，随着世界经济一体化的发展，市场竞争的加剧，多品种小批量生产 和大批量定制生产逐渐成为主导的生产方式。在这种形势下，企业为了在市场竞 争中占据有利的位置，不得不调整产品开发和生产组织模式，这样虚拟样机技术 得到了蓬勃发展，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和优化分 析，以缩短产品研发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高企业应 对市场变化的能力。 虚拟样机技术是近些年来在产品开发的c a x ( 如c a d 、c a e 、c a m 等技术) 和d f a ( d e s i g n f o r a s s e m b l y ，面向装配的设计) 、d f m ( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r e ， 面向制造的设计) 等技术的基础上发展起来的按照美国前m d i 公司总裁r o b e r t ， r r y a n 博士对虚拟样机技术的诠释，虚拟样机技术是面向系统级设计的、基于仿 真设计过程的技术，包含有数字化物理样机( d i 百t a lm o c k - u p ) 、功能虚拟样机 ( f u n c t i o n a lv i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 和虚拟工厂仿真( v h - t u a lf a c t o r ys h n u l a t i o n ) 三 个方面的内容 在虚拟样机技术三个主要内容中，狭义的虚拟样机技术及其实现功能虚拟样 机起着重要的作用，数字化功能样机技术( f u n c t i o n a ld i g i t a lp r o t o t y p i n g , f d p ) 是 对功能虚拟样机技术的扩展，理论基础为多体系统动力学、结构有限元理论、其 他领域物理系统建模与仿真理论，以及多领域物理系统混合建模与仿真理论。数 字化功能样机也是在数字化样机模型的基础上进行特性分析和试验仿真，以实现 优化设计，这种分析与仿真可以在零部件和系统层次上进行【l 】。 1 2 多体系统动力学发展及研究现状 多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。2 0 世纪6 0 年代在 社会生产实际需要的推动下产生了多体系统动力学，建模和求解是其核心问题。 目前多体系统动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主要有工程中常用的拉 格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿欧拉方程为代表的矢量学方法、图论 方法、凯恩方法和变分方法等【2 】。 多体系统动力学方程的建立是非常复杂的，若采用系统独立的拉格朗日坐标将 非常困难，而采用不独立的笛卡尔广义坐标比较方便；对于具有多余坐标的完整 或非完整约束系统，用带乘子的拉氏方程处理是十分规格化的方法。导出的以笛 卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程， 还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。c h a c e 等人应用吉尔( g e a r ) 的刚 性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了a d a m s ( a u t o m a t i c d y n 8 】l l i ca n a l y s i so fm o c h a n i e a ls y s t o m ) 程序；h a u g 等人研究了广义坐标分类、 奇异值分解等算法，编制了d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) 程序。 二十世纪七十年代，多柔体系统动力学逐渐引起人们的注意，在一些系统( 如 高速车辆、机器人、航天器、精密机械等) 中柔性体的变形对系统的动力学行为 产生很大影响。二十多年来多柔体系统动力学一直是研究热点，这期间产生了许 多新的概念和方法，如浮动标架法、运动弹性动力学方法、有限段方法以及绝对 节点坐标法等3 1 。 对于多体系统的建模理论主要有拉格朗日方法和笛卡尔方法，二十世纪九十年 代，在笛卡尔方法的基础上又形成了完全笛卡尔方法。它们的主要区别在于对丹i j 体位形描述的不同。 拉格朗日方法主要形成于航天领域，是一种相对坐标方法，它以系统每个铰的 一对邻接刚体为单元，以一个刚体为参考，另一个刚体相对该刚体的位置由铰的 广义坐标来描述，广义坐标通常为邻接刚体之间的相对转角或位移。这样开环系 统的位置完全可由所有铰的拉格朗日坐标阵q 所确定。其动力学方程的形式为拉格 朗日坐标阵的二阶微分方程组，即 2 第1 章绪论 a ( q ，f ) 蚕= b ( q ，蟊f ) ( 1 - 1 ) 机械领域形成的笛卡尔方法是一种绝对坐标方法，它以系统中每一个物体为 单元，建立固结在刚体上的坐标系，刚体的位置相对于一个公共参考基进行定义， 其位置坐标( 也称广义坐标) 统一为刚体坐标系基点的笛卡尔坐标与坐标系得方 位( 也称姿态 坐标，方位坐标可以选用欧拉角或欧拉参数。系统动力学模型的 一般形式可表示为 蟹五= 雪( 1 - 2 ) 【m 国，f ) = 0 上式中：巾为位置坐标阵q 的约束方程，o 。为约束方程的雅可比矩阵，2 为 拉格朗日乘子。 由g a r c i ad ej a o n 和b a y o 首先提出的完全笛卡尔坐标方法是另一种形式的绝 对坐标方法这种方法的特点是避免使用一般笛卡尔方法中的欧拉角或欧拉参数， 而是利用与刚体固结的若干参考点和参考矢量的笛卡尔坐标描述刚体的空间位置 与姿态。参考点选择在铰的中心，参考矢量沿铰的转轴或滑移轴，通常可由多个 刚体共享而使未知变量减少这种方法由于在提高计算效率方面有着突出优点而 受到重视。 从计算多体系统动力学角度看，多柔体系统动力学的数学模型首先应该和多 刚体系统与结构动力学有一定的兼容性嗍。当系统中的柔性体变形可以忽略不计时 即退化为多刚体系统。当部件间的大范围运动不存在时即退化为结构动力学问题。 1 3 齿形链传动研究背景和意义 改革开放以来我国汽车摩托车工业得到了较快发展，形成了比较完整的产品系 列和生产布局世界各大汽车公司在中国都建有生产基地，如长安福特汽车、丰 田汽车、北京奔驰、华晨宝马、东风本田等，国有品牌的汽车企业也得到了初步 发展，如奇瑞汽车、吉利汽车等。中国在2 0 0 6 年的汽车产量是7 2 8 万辆，排名全 球第三，国内汽车工业市场竞争越来越激烈，企业要想生存和发展壮大，在市场 3 山东大学硕士学位论文 竞争中胜出，必须拥有自主的研发和设计能力。 发动机是汽车的心脏，发动机的质量依赖于各主要部件的质量，其中之一是正 时机构。发动机正时传动是指汽车和摩托车发动机曲轴与凸轮轴之间的配气传动， 以实现点火时间准确。配气链传动速度非常高，采用传统的链传动，将产生大的 振动，进而严重影响发动机的性能。由于发动机配气链传动的重要性，其设计和 制造一直是国外大公司所保密的发动机关键技术之一。 目前，我国汽车发动机正时链和机油泵链多采用单排滚子链或齿形带( 同步 带) 主动链轮转速高达7 0 0 0 转，分的汽车发动机正时链和机油泵链，己远超出链 传动功率曲线所限定的极限转速。在高速重载、变速变载下，齿形带( 同步带) 具有较低的传递功率和寿命。采用齿形带的汽车每行驶1 0 , - 1 5 万公里，齿形带( 同 步带) 必须更换，或定期更换。我们计算分析了几种常用传动的传递功率。在2 0 0 0 转份时，齿形带( 同步带) 和滚子链传递功率相当，齿形链的传递功率是齿形带 ( 同步带) 和滚子链的二倍。滚子链不适合高速传动，不适于3 0 0 0 转，分以上的传 动，否则性能急剧下降。6 0 0 0 转份时，齿形链的传递功率是齿形带( 同步带) 的 三倍以上。可见在高速时，采用齿形链比滚子链或齿形带具有明显的优点。同时， 汽车发动机配气链传动工作在变速和变载特性条件下，也正向着更高速的方向发 展。由于存在“多边形效应”和啮入瞬间的冲击效应，传统的齿形链也难以适应 这日益提高的要求。目前，我国新一代汽车发动机( 包括一汽捷达、上海桑塔纳、 神龙富康、北京切诺基和广州本田等汽车发动机) 正时链和机油泵链尚需国外进 口【5 】。汽车发动机技术的迅速发展，迫切需要研究传动性能更优、传动效率更高、 振动和噪音更低的新型齿形链。 1 4 齿形链传动研究现状 1 4 1 传统齿形链机构的缺点 齿形链传动是具有中间挠性件的啮合传动形式。传统齿形链机构中，链条与 链轮的啮合属于非共轭啮合，链条中心线位置存在周期性的变化，而且每个链节 4 第1 章绪论 与链轮的接触与脱离是在瞬间完成的只有经过特殊设计的链传动中心线才有固 定位置，能接近实现共轭啮合。目前我国标准中规定的和实际生产中应用较多的 仍为直齿形外侧啮合齿形链传动机构，但这种传统的齿形链传动因结构所限，主 要有以下两个因素不适合高速运动： ( 1 ) 齿形链传动存在多边形效应 由于链传动的多边形效应，传统齿形链条的节距线与链轮的分度圆交替相割 或相切，紧边链条中心线位置呈现周期性变化。同时，齿形链条的线速度和从动 链轮角速度也会发生周期性变化，这种变化将对以传递运动为主的链传动产生较 大的影响，损害传动的同步性与均匀性，如图1 1 所示。因此，传统的链传动在高 速运动时，由于多边形效应，会产生较大的振动和噪音。 、一厂 叫一冬 乏。 ， j ， 图i - 1 链传动多边形效应 ( 2 ) 齿形链啮入瞬间的冲击效廖 传统的齿形链传动，采用的传动方式一般是链片外侧直边齿廓与链轮直线齿 廓啮合，链条连接采用圆柱销，链节与链轮的啮合过程属于非共轭啮合在我国 齿形链设计标准g b t 1 0 8 5 5 、美国国家标准a n s i b 2 9 2 m 、国际标准i s 0 6 0 6 、前 苏联国家标准f f o c t l 3 5 7 6 中，对链轮齿形未作详细规定，有的仅给出直线式齿廓 工作段德国国家标准d i n 8 1 9 1 ，直接采用3 0 。压力角大负变位渐开线齿轮作为链 轮。目前，我国摩托车发动机正时齿形链链轮均采用直线式齿廓工作段。如果齿 5 山东大学硕士学位论文 形链按照齿形链标准设计，尤其是按直线式工作齿廓设计，其啮合形式为非共轭 啮合，啮入啮出必然产生冲击，使振动噪声增大。孟繁忠等在研究汽车发动机链 条的磨损机制时，也证实汽车发动机链条的高速多冲特性以及速度与载荷的交变 特性是影响其耐磨性能和多冲抗力的关键因素【6 】 由于传统齿形链传动中存在多边形效应，链条的线速度和从动轮的角速度在 传动过程中非匀速变化，同时传统链条与直齿链轮的非共轭啮合，造成了传动过 程中的横向振动和冲击。为消除多边形效应的影响，使链条与链轮之间的啮合近 似于共轭啮合。国内外的许多学者从改变链条结构和链轮齿形两个方面开展了大 量的工作。 1 4 2 链条结构的改进 链条结构改进的典型例子就是美国摩斯公司的h y - v o 型齿形链，该链的销轴 不再是传统的圆柱销，而是将圆柱销分成两个能相互滚动的滚动销随着链条逐 渐地啮入链轮，两滚动销的接触点也在不断的变化，使啮入链节的节距不断交大， 从而使链条的中心线位于链轮较大的分度圆上，并且与链轮的分度圆保持相切， 减小甚至完全消除了链条中心线的上下运动，降低了横向振动 7 1 。德国r a m s e y 公 司生产的齿形链，链条连接也是采用滚动销或卵形销，链轮按德国国家标准直接 采用3 0 。压力角大负变位渐开线齿轮i s 。具有滚动销或卵形销的变节距齿形链可以 消减多边形效应产生的横向移动量，使传动链条的工作速度和承载能力得到提高， 使啮合过程接近共轭啮合，成为准共轭啮合。 美国的一些学者分别从减小噪音、增加寿命等角度出发，对链条的结构进行 改造 9 - 。张克仁对n t 链条( 同滚销式链条的原理大致相同) 的准共轭啮合机理以 及链条的设计进行了分析，并通过新旧链传动对比试验表明，n t 链传动相对于普 通齿形链传动，角加速度值和噪音值均显著降低，且其运动平稳性能高于普通齿 形链传动【1 9 - 2 卯。冯增铭等设计了一种新型齿形链条，其链板内侧齿廓是由外凸的 曲线所构成，啮合时可实现内外复合啮合机制2 7 】。 6 第1 章绪论 1 4 3 链轮结构的改进 链轮结构的改进是将传统直齿链轮的齿形改变为其它齿形，如渐开线齿形、 摆线齿形。在齿形链传动中应用较多的是传统直齿齿形和渐开线齿形。渐开线齿 形链轮可以用周节等于或接近于链条节距、齿形角为3 0 0 的刀具经一定的负变位加 工得到口 。滚子链外啮合式摆线链轮的工作齿廓是由外摆线的等距曲线组成 3 2 - 3 3 。节距是链条和链轮设计、加工测量以及配合等至关重要的一个参数，对于 已加工完成的链轮而言，可以设计出一种测量节距的仪器，如节距仪来对链轮的 节距进行测量 3 4 - 3 f l 。s u z u l d 新型齿形链传动机构利用了渐开线齿廓链轮【1 1 1 。b u c k n o r 等对滚动销链条与渐开线链轮的啮合进行了运动学和静力学分析3 6 - 4 6 1 张克仁对 与n t 链条啮合的渐开线齿形链轮进行了分析与研究，并通过齿形链传动对比实验 和工业实验表明，n t 链传动的运行平稳性得到显著提高，噪音也得到适当降低鲫。 1 4 a 链传动仿真技术的发展 随着三维建模技术和动力学理论发展和完善，在链传动研究领域，三维建模 软件和动力学仿真软件越来越多的应用于链传动的研究，这也大大加快了链传动 产品的研究开发进程。通常链传动的仿真试验首先在三维建模软件( 如p m e ) 中建 立链传动的三维模型，然后导入动力学仿真软件a d a m s 中进行动力学分析，也 可直接利用三维建模软件自带的运动仿真模块m ( 如p r o m b 叫a m c a 模块) 。此 外还可以应用a 1 ) a m s 胁g i 琳c h a i n 模块建立链传动模型( 包括滚子链和齿形链) ， 用户可设置导向轮和液压张紧装置的位置，研究振动和冲击载荷情况。若链条节 数很多或者链轮转速较高时，整个系统在高速的运动中涉及到的许多接触碰撞等 受力情况给动力学求解带来很大的困难，f u n c f i o n b a yh 峙公司推出的新一代动力 学分析软件r e c u r d y n 采用全新的运动方程理论和完全递归算法，比较适合于这类 问题。冯增铭等利用a d a m s 进行了新型齿形链在低转速工况下的仿真研究，周 涛等利用r e c k o n 对链式输送机构进行了仿真研究【蚺】 7 山东大学硕士学位论文 1 5 课题的提出 齿形链传动是具有中间挠性件的啮合传动。传统的齿形链传动是链片外侧直 边齿廓与链轮直线齿廓啮合，每个链节与链轮的啮合是在瞬间完成的，该啮合过 程属于非共轭啮合。由于链传动多边形效应，传统的齿形链条的节距线与链轮的 分度圆交替的相割或相切，链条中心线位置呈周期性的变化。传统链传动在高速 运动时将产生大的振动和噪音。最新的国内外标准中，如我国齿形链设计标准 j b l 0 8 5 5 - 2 0 0 3 、美国国家标准a n s i b 2 9 2 m 、国际标准i s 0 6 0 6 、前苏联国家标准 f o c t l 3 5 7 6 和德国国家标准d i n 8 1 9 1 ，齿形链均属于大节距非共轭啮合，因此按 照上述标准设计的齿形链振动噪声大，不适合高速运动。目前，国内外对齿形链 的研究很少，各国标准中均未给出更合理的链条链轮齿形，因此迫切需要研究适 合速度更高、可承载更大、寿命更长、振动和噪音更低的新型齿形链。 为消除链传动过程中存在的这些问题，国内外的研究资料大部分是链条采用 滚动销式的齿形链，而链轮采用渐开线齿形。这表明，渐开线齿形相对于直线齿 形而言更有优势，加工过程简单，并且较容易实现共轭啮合。而滚销式齿形链虽 然能减少振动，但与圆销式齿形链比较，结构工艺复杂，制造难度大，成本高， 而且强度低。在小节距的应用场合，销轴孔径不到3 m m ，难以做成滚动销。 研究发现，按照渐开线的啮合原理设计的渐开线齿形链轮，与标准链条啮合 传动，可以有效降低啮入冲击，但链条的横向振动却比采用传统直线齿廓链轮时 大。在链轮渐开线齿廓的基础上，通过修正渐开线齿廓，拟合渐开线和直线齿形， 设计一种复合齿廓的链轮，这种链轮综合了直线齿廓链轮与渐开线链轮的优点， 既可以使链条在高速运转时保持平稳，又可以降低链板啮入链轮时的冲击。在此 基础上经过对链板齿廓的特殊设计，可以使其在啮合过程中，首先内侧齿廓与链 轮啮合，然后平稳过度到外侧齿廓与链轮啮合，链条中心线具有固定的位置，链 条中心线保持与链轮分度圆相切，能明显减弱多边形效应引起的横向振动，使链 条适合在高速下工作。目前国内外尚无相关的标准和成熟的技术。本课题旨在通 & 第l 章绪论 过深入研究齿形链的啮合原理，研制和开发新型高速无声齿形链( 包括小节距齿 形链) 齿形链片的侧边与链轮轮齿形成共轭啮合，使其中心线具有固定的位置， 保证高速运动时传动平稳，振动和噪音低。新型的齿形链，在各种高速动力机械 特别是汽车发动机行业中，具有十分广阔的应用前景。 1 6 课题进行的主要工作 本文在国家自然科学基金项目( 5 0 3 7 5 0 8 5 ) 前期研究工作的支撑下，在分析研 究国内外现有的高速齿形链传动机构及链轮齿形的基础上，设计了一种具有复合 齿廓的新型链轮齿形，这种新型齿廓的链轮兼具直线齿廓链轮与渐开线齿廓链轮 的优点，分析了传统及新型齿形链传动的运动学和动力学特性，总结了一套齿形 链传动动态研究方法。 i 利用三维设计软件p r o e 建立了齿形链传动( 包括直线齿廓链轮和渐开线 链轮) 的实体模型，通过p r o e 与a d a m s 接口m e c h p r o 将实体模型输入到a d a m s 中，施加约束、驱动等，建立了齿形链动态分析的物理模型，并实现了在较高转 速( 8 0 0 0 r m i n ) 下的动态仿真 2 通过研究传统齿形链机构在高转速工况下的动态特性发现，无论是直线 齿廓链轮还是渐开线齿廓链轮，都难以消除多边形效应的影响，不适合高转速运 行具体表现为与直线齿廓链轮啮合的链条啮入冲击较大，而与渐开线链轮啮合 的链条横向波动较大。基于此，本论文参考国家标准直线齿廓链轮设计方法，修 正了渐开线链轮齿廓，把直线与渐开线拟合在一起，设计了一种复合齿廓链轮。 通过在a d a m s 中的动力学分析表明，这种复合齿廓链轮具有横向振动小、啮入 冲击小的双重优点 3 试验台台架试验表明，新型复合齿廓链轮可削弱高速传动时多边形效应的 影响，高速运动时可降低链条的横向波动量，并降低啮合噪音。 第2 章齿形链传动概述 链条是基本机械元件之一，远在夏商时代，在我国马匹衔具上就已经有了应 用。近代链条基本结构的设想是由欧洲文艺复兴时期伟大的科学家和艺术家达芬 奇首先提出的。此后到1 8 8 0 年，英国汉斯雷诺设计改进了现今广泛流行的滚子 链：1 8 8 5 年齿形链问世，但由于耐磨性和重量方面的原因，它没有像滚子链那样 得到广泛的应用【4 9 】直到2 0 世纪4 0 年代后期，美国摩斯链条公司将齿形链的铰 链结构由传统的滑动摩擦副改进为滚动摩擦副，并进一步发展成具有变节距性能 的滚销式齿形链，才使传动链条的承载能力和工作速度提高到一个新的水平。迄 今为止，齿形链的铰链结构共出现了四种不同的形式：圆销式、衬瓦式、滚销式 ( 不变节距) 和变节距滚销式。虽然铰链结构呈现出多样化，但齿形链机构的基 本技术参数并不随着铰链结构的变化而变化。 2 1 齿形链链板结构 齿形链的基本设计参数主要有节距p 、链板厚占和链宽b ，链板的所有外形尺 寸均取成与节距p 成正比，这样可以使不同节距的链板外形呈相似性，当求得的 值与标准中规定的值相冲突时，该外形尺寸要取标准中规定值。图2 - 1 为链板外形 尺寸及其计算公式【4 9 】。 1 0 p 图2 - 1 链板外形尺寸 第2 章齿形链传动概述 图中j = o 3 7 5 p ；k - - 0 0 6 p ；是= o 1 7 5 p ；口= 6 0 ；墨- - 0 3 8 8 p ；置- - 1 4 3 7 5 p p ，= 一 1 2 7 ( 1 ) 节距p 节距p 是齿形链机构最重要的参数之一它表示链板上两铰链中心之间的距 离。g b l 0 8 5 5 - - 8 9 根据节距p 的大小对传动用齿形链划分为7 种标准，节距值的 大小分别为9 5 2 5 、1 2 7 、1 5 8 7 5 、1 9 0 5 、2 5 4 、3 1 7 5 和3 8 1 ，国外还有一种小节 距齿形链，值为6 3 5 ，单位m m 。 ( 2 ) 链板厚艿 链板厚度万为单个链板的厚度，一种节距值对应着一种链板厚。g b l 0 8 5 5 8 9 中涉及到的链板厚度有三种，分别是1 5 、2 0 和3 0 m m 。 ( 3 ) 链宽b 链宽表示装配完成的链条的宽度，其中包含了导板的宽度。一般情况下，链 条宽度b 为链板厚度艿的奇数倍。 2 2 齿形链链轮结构 2 2 1 直线齿廓链轮 g b 1 0 8 5 5 - 2 0 0 3 中规定了链轮的齿形与主要参数，如图2 - 2 、2 - 3 所示： 7 叮 7 ? 0 卜心o 7 一 八7 裁 1 联卅卜 7 卜 封 = “ 图2 - 29 5 2 r a m 及以上节距链轮的齿形尺寸 上图中，z 齿数；d e 齿顶圆弧中心圆直径；d e ：p ( c o t 坚笠一0 2 2 ) 如工作面的基圆直径；如：p 正j 忑五五乏：= ：可 图2 - 34 7 6 m m 节距链轮的齿形尺寸 2 2 2 渐开线齿廓链轮 德国标准d i n 8 1 9 0 1 9 9 8 中所定义的链轮齿形是一种具有很大负变位的渐开 线齿廓组成的链轮齿形。它与d 一8 1 9 0 1 9 8 8 规定的具有3 0 0 压力角的滚销式 齿形链相互配用，二者构成接近共轭啮合的h v 链传动。对于变位渐开线齿廓的 链轮齿形，其参数应与渐开线齿轮相同，具有模数、齿数和变位系数，图2 - 4 规定 了链轮的直径尺寸和端面齿廓。 j 一( 峙 o 图2 _ 4 渐开线链轮端面齿廓 ( 1 ) 模数m = 里( 2 1 ) ( 2 ) 齿数z ( 3 ) 节圆直径j = 埘：( 2 2 ) ( 4 ) 齿顶圆直径以= 气等一知( 2 - 3 ) 式中肇= 群 1 一磊乖c 。o s 1 6 8 0 。，：) j ，掰、f 的数值可查德国。n 标准辅助参数 表格。 ( 5 ) 测量齿数：k 詈一) ， ( 6 ) 测量齿距： 矽= 肌陬舢m 小丢盏+ 意云- 2 ，呼( 2 4 ) 2 3 齿形链传动运动学 2 j 1 链传动多边形效应 链条传动是具有中间挠性件的啮合传动，一般结构的链条与链轮的啮合均属非 共轭啮合，其链条中心线( 中心线指链条拉直时，铰链中心的连线) 位置存在周 期性的变化，而且每个链节与链轮的接触与脱离是在一瞬间完成的。只有经过特 殊设计的链传动中心线才有固定位置，能接近实现共轭啮合。 链传动的运动学特性，是由于围在链轮上的链条是由多边形组成这一性质而 形成的。图2 - 5 表示出了链条中心线随着各个链节往相应的轮齿上缠绕时上下移动 的情形。从图2 - 5 可看出，链条中心线与链轮上以r 为半径的圆( 即分度圆) 在运 动中交替地呈相切和相割的位置。链传动的这一运动学特性称之为多边形效应。 当主动链轮匀速转动时，由于多边形效应，传动链条的线速度和从动轮的角速度 1 3 是变化的，这种变化是周期性的【捌。 必镬多缈 a ) ” c ) 够出够 图2 - 5 链条速度变化 2 3 2 链条的速度变化 当齿数为毛的主动链轮以等角速度q 转动时，分析图2 - 5 中啮入链节i 的绞链 0 在图a 、b 、c 三个位置的运动可得链条沿中心线方向的速度( 以下简称为链条线 速度) ， 叱2 吒w l c o $ a f 链条在垂直方向的速度， ( 2 5 ) k = ，i m s i n a( 2 - 6 ) 式中口为啮入过程中链节绞链在主动链轮上的相位角，其变化范围 一坚竺掰s 堡竺，r i 为小链轮分度圆半径，可按下式求得： z lz l ：星(2-7) 。2 s i n 1 8 0 。 毛 当处在图2 4 b ) 盥置，= 匕= w l ，= 血= o 当处在图2 5 a ) 、c ) 位置时屹= 匕一嘲c o s 等，h = h 一啪如半 因此，链条在运动中时上时下( 垂直中心线方向) 和时快时慢( 沿中心线方向) 变化，从而产生振动和附加动载荷。 链条在中心线方向的加速度为： 4 ：要一d 。, = - r , w , 2s i n 口 ( 2 - 8 ) 归i 2 面 口忆喝 当口：鲨时，4 ：1 研s i n 婴；当口：一1 8 0 。时，口；衍s i n 鲨 2 iz i2 l：i 口一= 士字叫2 詈* 害 c 2 胡 蜀：一v x m n - - v x r o m ：瓮咄z 詈 协 v 一 w l ( 1 + s 坚! ) 2 毛 式中为平均链速。 f ：生：z _ l ( 2 1 1 ) 从图2 5 d ) 中可求出从动链轮的角速度为w 22 i 考万2 m 詈兰器，所以瞬时 ：旦：i c o s p ( 2 1 2 ) 山东大学硕士学位论文 2 5 中绘出的是同相位状态( 即与链条紧边两端绞链相啮合的链轮齿槽的中心正好 各自在链条中心线与分度圆相切的切点上) 。 当从动链轮在图2 5 a 、c 位置时u ：r 2 w 2c o s 1 8 0 。， w 2 = 寺丽= 警1 知= w 2 一，此时的瞬时传动比为： ，一c o s o c o g 一 1 8 0 01 8 0 。 c o s 磐 。= 老= 詈南；- 南 协m “w 2 曲 ，i c o s 堡笠辔坚竺 毛z 2 当从动链轮在图2 - 5 b ) j d t 置时v x = r 2 w 2 ，则：兰= w l i = w l 吃吃 此时的瞬时传动比为： 毛向= l = w 2 n “ 移一 多 b ) c ) 图2 - 6 最大不同相位时的链条速度变化 2 w 2 m ， ( 2 1 4 ) 图2 6 所示为最大的不同相位状态。当从动链轮处在图2 - 6 a ) 、c ) 位置时( 口= 竺、 1 0 n o 毛 妒一龟一咿一毛 1 一 一1 一如一璺 舯一毛一舯一乃 蓦一衄 渺 曲 一 第2 章齿形链传动概述 1 8 0 。 ，i 嵋s = 0 ) ，吒= r 2 w 2 ，则有= 土= 。，此时的瞬时传动比为： 1 8 0 0 j l g f ：- - - w l - - 7 - - ： 垒 ： 刍 2 w 2 孟2 意1 8 0 。2 j 壹 毛z 2 当从动链轮处在图2 - 6 b y 蝴t ( 口：o 、夕：1 8 0 。) ， 有w 2 = j 寺丽= w 2 。，此时的瞬时传动比为： ( 2 - 1 5 ) k = r z w 2c o s 0 8 0 。z 2 ) ， 从动轮角速度变化，可用从动链轮角速度不均匀系数厩来表示，即 k k = 2 h w z m - w 2 1 2w 2 m - w 2 心。+ w 2 曲 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 将上述两种相位的分析计算式列入式( 2 1 7 ) ，则对同相位的链传动，可得厨为： 1 c o s ( 1 8 ，0 。z i ) k k - - 2 - 趟 c o s 0 8 0 。z 2 ) 对最大不同相位的链传动，厨为： ( 2 - 1 8 ) k t = 2 塑1 + c o s 螋( 1 8 0 。蒜z , ) - c o 业s ( 1 8 鬻0 。z 2 ) ( 2 1 9 )l z 。l y j 2 4 齿形链传动啮合理论与发展现状 传统齿形链链条与链轮啮合时可分为内侧啮合、外侧啮合、变节距的h y - v o l ， 舯一毛一舯一龟 n 一 ，血一轷 竺l砖一b i l s 一 一 舯一乞一吒 警 h s 山东大学硕士学位论文 链三种形式，近年来部分研究者进行了内外复合啮合机制的研究，如冯增铭、孟 繁忠等设计了一种内侧齿廓凸起的齿形链板，使其在与链轮的啮合过程中，实现 由内侧齿廓的接触啮合过渡到同一销轴的相邻链节的链板的外侧齿廓的接触啮 合，薛云娜等通过修正链板工作部位形状以及链轮齿廓提出了一种具有双面啮合 特征的齿形链。 2 a 1 外啮合齿形链 外侧啮合是指由链板的外侧直边与轮齿相互啮合，啮合过程中链板内侧不与 链轮齿接触。目前常用的齿形链传动均属于外侧啮合传动【4 9 】。 图2 - 7 外啮合齿形链 如图2 7 所示，链板与链轮齿啮合过程中，链板的工作边始终为外侧直线齿廓， 内侧齿廓线不与链轮齿接触。当在啮合终止位置时，链板外侧齿廓实现与链轮的 完全接触啮合定位，此时链轮与链板接触面积大，单位面积压力较小，因而链板 工作齿廓与链轮齿工作面磨损较小，通常的齿形链传动多属于外啮合传动。 2 4 2 内啮合齿形链 内啮合是指链板的内侧廓线与链轮啮合，而链板外侧廓线则不参与啮合。如 图2 - 8 为内啮合过程中链板的工作边为内侧齿廓，链援与链轮的接触面积较小，工 作边上单位面积压力较大，因而链板与链轮工作边齿面磨损较大。 1 8 图2 - 8 内啮合齿形链 2 4 3 内一外复合啮合齿形链 内- 夕 复合啮合齿形链在啮合过程中，链板内、外侧齿廓都参与啮合冯增铭、 盂繁忠和李纯涛通过改进链板内侧齿廓形状，设计了一种新型的内外复合啮合齿 形链嗍，如图2 - 9 所示，这种新型齿形链的内侧齿廓是由外凸的曲线所构成，链 条拉直时，新型齿形链链板1 内侧外凸齿廓相对于链板2 外侧直线齿廓的伸出量 为万，齿形链啮入链轮轮齿时，外凸的内