基于虛擬技術的同步帶仿真分析研究

李　鵬（北京航天光華電子技術有限公司，北京　100854）

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基于虛擬技術的同步帶仿真分析研究

李鵬
（北京航天光華電子技術有限公司，北京100854）

摘要隨著衛星天線技術的發展，同步帶傳動在天線傳動系統中的應用越來越廣泛，而利用先進的虛擬仿真技術對同步帶的傳動特點進行研究，分析其動態特性與柔性傳動的特點，對將來同步帶傳動的設計與傳動系統的控制具有十分重要的意義。

關鍵詞虛擬技術，同步帶，仿真，ADAMS

引言

同步帶傳動是利用帶輪的齒槽和帶齒的嚙合而實現的一種傳動，其吸取了帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動的諸多優點，帶輪與帶之間沒有相互滑動，且具有傳動平穩、噪音低、沖擊小、無需潤滑、污染小、帶體薄而輕、強度大、傳動效率高等特點[1]。

虛擬樣機技術是20世紀90年代中期逐漸興起，基于計算機技術的一項新概念技術。虛擬樣機類似于產品設計中的物理樣機，其采用精確、逼真的數字模型來表示物理樣機的各個部分、各個部件和整個原型樣機，更易于設計和顯示，且可以方便地進行反復修改，從而有效地節約研制資金和研制周期。目前，西方發達國家特別是美國在虛擬樣機領域的開創性研究已取得了令人矚目的成就，例如，美國波音公司在波音777飛機的開發中就使用了虛擬樣機技術，節省了研制成本。而在我國，虛擬樣機技術尚處于起步階段，主要應用于航空、航天等領域，許多高校也正在使用和研究[2, 3]。

利用虛擬仿真技術對同步帶傳動的動態特性進行研究，可以了解同步帶傳動的特點，以及傳動過程中的力學與動力學特性，了解其失效形式，了解并熟悉不同類型的同步帶樣式及其各自的特點，了解相應的關鍵技術和難點，有助于提高衛星通信天線結構設計的合理性和科學性，降低衛星通信天線的研制成本，縮短研制周期，提高研制效率[4, 5]。通過對同步帶傳動的動態特性進行研究，不僅可以積累相關的設計經驗，了解相關的知識，還可為將來研制衛星通信天線產品打下堅實的基礎。

1　虛擬仿真技術概述

在ADAMS中，有3種建立柔性體的方法：第一種是利用ADAMS中的柔性梁連接，將一個構件離散成許多段剛性構件，這些離散后的剛性構件之間采用柔性梁連接，但這種方法僅限于簡單構件設計使用，其離散連接的實質仍是剛性體和柔性連接，還不能稱為真正的柔性體。第二種方法是利用其它有限元分析軟件將構件離散成細小的網格，再進行模態計算，然后，將計算的模態保存為模態中性文件MNF（Model Neutral File），直接讀取到ADAMS中建立柔性體。第三種方法是利用ADAMS/AutoFlex模塊，直接在ADAMS/View中建立柔性體的MNF文件，然后再用柔性體替代原來的剛性體。

離散柔性連接件是直接利用剛性體之間的柔性梁連接，將一個構件分成多個小塊，在各個小塊之間建立柔性連接獲得的模型。每段離散件有自己的質心坐標系、名稱、顏色和質量信息等屬性，每段離散件就是一個獨立的剛性構件，可以像編輯其它剛性構件一樣來編輯，如賦予其不同的材料、顏色等屬性，也可對每段離散件之間的柔性梁進行編輯，指定柔性梁的參數。使用柔性梁連接的優點是其能夠直接幫助用戶計算橫截面的屬性，比直接使用柔性梁連接將兩個構件連接起來更方便[6, 7]。

2　同步帶傳動的影響因素

2.1傳動比對同步帶傳動的影響

通過對兩種不同傳動比的同步帶傳動系統進行仿真研究，分析傳動比的改變對同步帶運動狀態的影響。如表1所示，兩套系統均采用XL齒型的同步帶和帶輪，帶輪的中心距相同，左邊是從動輪，右邊是主動輪，主動輪的運動輸出也相同，系統（1）的傳動比為1:1；系統（2）從動輪不變，主動輪齒數為系統（1）的一半，即傳動比為1:2。

通過表1的數據可以看出，在運動輸入、中心距等條件相同時，較小的傳動比在運動過程中具有更好的性能，具體表現在較小的同步帶預張緊力、較小的同步帶動張緊力、較小的帶輪受力等方面。同時，運動的穩定性也有所提升，具體表現為從動輪的角加速度波動較小。傳動比的減小能夠產生更大的傳動力矩，但是從動輪的響應時間會相應地延長，速度也會減慢，所以，設計傳動系統時要根據需求權衡利弊，選取合適的參數。

表1　不同傳動比傳動系統對比

2.2節距對同步帶傳動的影響

通過對兩種不同齒型的同步帶傳動系統進行仿真研究，分析齒型的不同對運動狀態的影響。如表2所示，兩套系統分別采用XL和XXL齒型的同步帶和帶輪，傳動比均為1:1，帶輪的直徑和中心距相同，左邊是從動輪，右邊是主動輪，主動輪的運動輸出也相同。

由表2數據可以看出，在運動輸入、中心距、帶輪直徑等條件相同時，較小的節距在運動過程中具有更好的性能，具體表現在較小的同步帶預張緊力、較小的同步帶動張緊力、較小的帶輪受力等方面。同時，運動的穩定性也有所提高，具體表現為從動輪的角加速度波動較小。但是需要注意的是，節距的減小，會影響帶傳動的傳動能力（節距越小,承載能力越?。?，所以，選用時應綜合考慮各方面的因素，合理地匹配有關參數。

表2　不同節距傳動系統對比

2.3環繞方式對同步帶傳動的影響

結合動中通天線的方位傳動系統，對兩種不同環繞方式的同步帶傳動系統進行仿真研究，分析環繞方式對運動狀態的影響。如表3所示，兩套系統除皮帶環繞方式不同外，其余參數均相同，帶輪尺寸也按照實際尺寸進行造型。

通過表3的數據可以看出，在帶輪大小、布局相同時，兩種環繞方式的仿真結果卻不盡相同，方案（1）的各個帶輪包角更大，這就意味著同時有更多的帶齒參與了傳動，從而減小了每個帶齒的平均受力。另外，無論是皮帶的預張緊力還是運動時的張緊力，方案（1）的數據都較小，各個帶輪的受力也較小。通過對各個帶輪的角加速度進行比較，可以得出，與方案（2）相比，方案（1）具有更好的穩定性，因為每個帶輪的角加速度變化比較平緩，沒有急劇地增大或減小。

表3　不同環繞方式傳動系統對比

2.4張緊方式對同步帶傳動的影響

結合動中通天線的方位傳動系統，對兩種張緊方式的同步帶傳動系統進行仿真研究，分析張緊方式對運動狀態的影響。

如表4所示，方案（3）和（4）均采用雙張緊結構，帶輪、張緊輪大小均與方案（1）和（2）相同，差別僅在于兩個張緊輪的距離不同。通過表中各個結果的對比可以發現，與方案（3）比較，方案（4）中同步帶的初始張緊力雖然較大，但是運動過程中同步帶的張緊力卻相對小很多，而且帶輪和張緊輪的加速度曲線也相對更穩定。

3　結束語

本文利用ADAMS中的傳動模塊對同步帶的傳動進行了研究，借助虛擬樣機技術，對同步帶傳動中的影響因素進行了仿真研究，通過單變量對比法，比較了傳動比、齒型、張緊方式等因素對同步帶傳動的影響，對實際設計工作具有一定的指導意義。

表4　不同張緊方式傳動系統對比

參考文獻

1季彬彬. 基于ADAMS的復式系桿同步帶傳動周轉輪系運動分析[J]. 南通大學學報, 2008, (9): 60～62

2李妍. 基于MFBD的汽車圓弧齒同步帶動力學仿真分析研究[J]. 長春大學學報, 2014, (2): 156～159

3梁戈. 計算機輔助設計同步帶傳動的數學模型[J].機械設計, 1996, (9): 21～22

4周鵬. 汽車同步帶傳動設計方法及傳動性能研究[D]. 長春理工大學, 2009: 6～16

5毛俊東, 王宏杰. 天線測試轉臺傳動系統優化設計[J]. 雷達與對抗, 2013, (3): 56～62

6馬志平, 葛正浩, 姚增凱, 等. 同步帶傳動的虛擬樣機建模與動態性能研究[J]. 機械傳動, 2013, (3): 31～48

7楊玉萍. 同步帶傳動中張緊輪安裝位置的優化設計[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2010, 9(1): 48～49

文章編號：1009-8119（2016）05（1）-0057-03