基于Adams的傳輸鏈仿真分析

范玉萌

(重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

傳輸鏈是一種介于傳動鏈和輸送鏈的鏈條應用形式，既可以為后續的機構提供動力，也可以輸送物體。傳輸鏈繼承了傳動鏈較好的緩沖、吸振性能，同時具有輸送鏈精確同步輸送的功能。在工程上可以利用傳輸鏈控制生產流水線的節拍以及多個傳動系統之間的動作協調，因此，特別適用于那些需要統一驅動系統驅動以保證各個機構同步運行的情況。傳輸鏈通常是由標準的傳動滾子鏈條和專門設計的適合于傳輸應用的附件組成，成本低。因此，傳輸鏈在包裝、食品、化妝品、藥物、瓶裝、制造業等方面得到了廣泛應用［1］。

目前，關于傳動鏈的研究主要集中在發動機正時鏈和齒形鏈方面，如孟繁忠等［2］研究了發動機正時鏈的多沖特性，李啟海等［3］研究了汽車發動機滾子鏈的疲勞可靠性，張京正等［4］研究了發動機正時鏈波動與沖擊特性。傳輸鏈可以看作是鏈節質心發生偏移的傳動鏈，可根據傳動鏈的特點對其進行研究。

本文用Adams軟件建立了參數化模型，系統地研究鏈節質心偏移、鏈節鉸接點受力的情況與附件質量、附件質心偏移以及轉速的關系。

1 傳輸鏈的特點與力學計算

如圖1所示，傳輸鏈由雙排滾子鏈條、雙排鏈輪、附件和張緊裝置組成，每個附件的兩端與對應鏈節相連。工件位于附件內，附件的形狀根據工件的形狀確定，以方便傳輸，本文不考慮附件的形狀，只關注附件質量及附件質心偏移。

圖1 傳輸鏈原理

根據附件的質量以及結構，把附件質量等效分布到每個鏈節上，則等效質量的質心可能位于鏈節質心的上方、下方或者與鏈節質心水平。

1.1 鏈條運動特點

由于鏈條的多邊形效應［5］，鏈條在中心線、垂直方向的加速度分別為:

其中:r1為主動鏈輪分度圓半徑;α為嚙入過程中鏈節鉸鏈在主動輪上的相位角，其變化范圍為，同樣也是鏈條的線速度變化的1個周期;W1為主動鏈輪角速度。

Matlab生成的垂直中心線方向加速度和中心線方向加速度如圖2所示。

圖2 鏈條加速度曲線

1.2 傳輸鏈鏈節的力學模型

根據傳輸鏈的特點，對單個鏈節進行受力分析，圖3為附件等效質心在鏈節質心之下的鏈節受力示意圖，鏈節質心在o處。前后鏈節對此鏈節通過鉸鏈點1、2作用。附件對鏈節的力作用在點3處。點3到質心o處的距離為L1，鉸鏈點1、點2到質心o點的距離為L2。附件質量為m1，鏈節質量為m2。圖3中F3x、F3y分別為托板質心點的慣性力。F1x、F1y、F2x、F2y分別為相鄰鏈節通過鉸接點1、2對此鏈節在x、y方向產生的作用力。

圖3 附件質心在鏈節質心之上的受力簡圖

2 傳輸鏈虛擬樣機模型的建立

2.1 幾何模型的建立

SolidWorks是世界上第1個基于Windows開發的三維CAD系統，功能強大、易學易用和技術創新是SolidWorks的三大特點，使其成為一款目前最流行的三維設計軟件之一。SolidWorks軟件功能強大，組件繁多，可以在統一平臺進行機械設計、零件設計、模具設計、裝配體和工程圖設計、消費品設計等，可以提高設計人員的工作效率［6］。本文的傳輸鏈模型正是在SolidWorks中完成裝配的。

由于模型的對稱性，仿真時簡化為單排滾子鏈。利用三維軟件SolidWorks完成傳輸鏈幾何模型的建立，通過中間格式“.x_t”導入到Adams，如圖4所示。模型主要參數為鏈輪齒數Z=15，鏈節節距P=19.05 mm，鏈節數 n=54，中心距 d=371.42 mm。

圖4 傳輸鏈幾何模型

2.2 虛擬樣機模型的建立

Adams(automatic dynamic analysis of mechanical systems)軟件是由美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)研制開發，日前己被 MSC公司收購，是日前全球最富盛名、運用最為廣泛的機械系統仿真軟件。日前，Adams己經被廣泛應用于汽車交通、工程機械、鐵路、航空航天等領域，被全世界各行各業的很多制造商所采用。Adams是一款集模型建立、求解以及可視化技術為一體的機械系統分析軟件。使用軟件可以真實地仿真復雜機械系統的運動過程，包括系統的靜力學、運動學以及動力學分析，完成后可以得到相關作用力、加速度、速度、位移曲線，還可以輸出系統運動過程的動畫以供參考。通過分析，可以對比出不同參數方案的優劣，從而選出最佳方案，大大減少物理樣機的制造和實驗測試的次數，進而縮短新產品研制花費的時間和成本［7－9］。

本次建立的傳輸鏈虛擬樣機模型中定義各部件關系如下:主動輪、從動輪與支架鉸接，建立轉動副;鏈節之間鉸接，建立轉動副;鏈節與鏈輪之間建立接觸副;主動輪上定義1個驅動器Motion 1模擬電機驅動。

Adams中的接觸副可以選擇實體接觸與曲線接觸［10］，本文采用后者，具體方法是:首先在Matlab中將鏈輪的齒廓曲線生成矩陣數據文件，準確定位并嵌入到Adams中的實體鏈輪中，用圓曲線代替鏈節的滾子并嵌入到鏈節實體中，最后為對應的齒廓曲線和圓曲線添加線接觸副，設置接觸參數。

3 傳輸鏈仿真分析

3.1 實體接觸與曲線接觸對比

在Adams中分別用實體接觸和曲線接觸建立2個模型，其余各種參數都相同，進行實體接觸與曲線接觸的對比仿真。

仿真結果如圖5所示，從圖中可以看出:實體接觸仿真的鏈節質心偏移變化較劇烈，振動幅度大于曲線接觸，這是由于Adams中實體表面是用小的三角形片組成的，并不是光滑的曲面。而曲線是由矩陣數據元素所表示的點擬合成的樣條曲線，是光滑曲線，從幾何意義上講，曲線所表達的輪廓要比導入的實體更精確一些。另外，曲線接觸仿真比實體接觸仿真計算速度有顯著提高。因此，后面都采用曲線接觸建立接觸副。

圖5 實體接觸與曲線接觸的鏈節質心偏移

3.2 附件質心偏移

依據本文2.1節中的參數建立3個傳輸鏈模型，轉速為 1 000 r/min，m1=0.5 kg，L1分別為+10、0、－10 mm。鏈節質心偏移值如圖6所示。

圖6 不同L1的鏈節質心偏移

經過分析，對應于L1的不同值，鏈節質心偏移的平均值分別為 －0.37、－0.42、－0.359 mm，所以在質量相同的情況下，等效質心向上、向下偏移都會使鏈節質心偏移減小。

圖7 不同L1的鉸接點的受力

由圖7可以看出，等效質心偏離鏈節質心使得鏈節鉸接點的受力增大，而且經過測量發現，當等效質心向上、向下偏移同樣的距離時，向下偏移使鉸接點的受力明顯增大。

3.3 附件質量變化

依據本文2.1節的參數建立3個傳輸鏈模型，轉速為 1 000 r/min，L1= －10 m，m1分別為0、0.5、4 kg。

在圖8中，經過分析，對于m1的不同值，鏈節質心偏移的平均值分別為 －0.40、－0.36、－0.50 mm，所以當等效質心偏移相同時，質量在一定范圍內的增加會使鏈節質心偏移減小，質量增加較多時會使鏈節質心偏移量增大。

圖8 不同m1的鏈節質心偏移

由圖9中不同m1的鉸接點的受力可以看出，等效質量的增加使得鏈節鉸接點的受力明顯增大。

圖9 不同m1的鉸接點的受力

3.4 轉速的影響

依據本文2.1節的參數建立3個傳輸鏈模型，L1= －10 m，m1=0.5 kg，轉速分別為 1 000、666、333 r/min。鏈節質心偏移、鉸接點受力如圖10、圖11所示。

圖10 不同轉速的鏈節質心偏移

圖11 不同轉速的鉸接點的受力

因為轉速不同，所以圖形的時間刻度沒有統一。從圖10、圖11可以看出:轉速增大，鏈節質心的偏移有所減少，鉸接點受力明顯增大。

4 結論

1)運用多體動力學技術對傳輸鏈進行仿真，對傳輸鏈附件的質心、質心位置以及轉速進行了分析。

2)仿真結果表明:減小附件質量，可以減小鏈節位移波動，增加傳輸鏈的平穩性;減小附件質心偏移距離、附件質量和轉速，都可以減小鉸接點受力，提高傳輸鏈的動態特性。

［1］王義行.鏈條輸送機［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［2］孟繁忠.齒形鏈嚙合原理［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［3］李啟海.新型Hy-Vo齒形鏈的嚙合分析及其設計［D］.吉林:吉林大學，2007.

［4］張京正，王勇，薛云娜.發動機正時鏈波動與沖擊特性［J］.山東大學學報，2007，37(2):30 －33.

［5］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［K］.北京:機械工業出版社，2007.

［6］張晉西，郭學琴，張甲瑞.基于SolidWorks與COSMOSMotion的汽車轉向及行駛運動仿真［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2010，24(4):13 －16.

［7］徐中明，胡康博，張志飛，等.基于Adams和Matlab的汽車EPS控制聯合仿真［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2010，24(10):7 －12.

［8］雷剛，樊偉.基于ADAMS的裝載機工作裝置的動力學分析與仿真［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2011，25(9):1 －5.

［9］黃澤好，孫章棟，劉吉明，等.新型全地形車操縱穩定性仿真分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2010，24(6):1 －4.

［10］陳立平，張云清.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程［M］.北京:清華大學出版社，2006.