（机械设计及理论专业论文）链传动速度波动测试装置开发与链传动多边形效应的实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 量毫曼量曼曼曼曼曼量曼曼寰兽量曼曼曼i i i i i i ； i i 。 i； i i ii i ；i 皇曼曼 摘要 当前，对机械产品高速、高效、精密、可靠、低振动、低噪声、轻量化和自动化 的要求越来越高。作为机械系统的重要组成部分，链传动广泛应用在农业、矿山、起 重动输、冶金、建筑、石油、化工等机械行业。滚子链传动是链传动中应用最广的一 种。它由链条和主、从动链轮所组成。滚子链轮上制有特殊齿形的齿，依靠链轮轮齿 与链节的啮合来传递运动和动力【4 】。滚子链传动工作性能对整个机械系统有着至关重要 的影响。普通滚子链的多边形效应，严重影响了链传动系统在高速工作状态下的平稳 性和噪声，因此，提高高速工作状态下的滚子链传动系统的平稳性与降低噪声等具有 重要的工程实际意义，这也是目前滚子链研究的一个难点与热点。随着现代测试测量 手段的不断更新发展，为链传动多边形效应的试验研究提供了技术保障及可能。本文 的主要内容是以虚拟仪器软件l a b v l e w 为平台，开发了链传动速度波动测试试验装置， 并利用该装置对链传动的多边形效应进行研究。 论文详细的分析了链传动多边形效应研究的发展和现状，从运动学、动力学等方 面对链传动的动态性能进行了研究，建立了链传动从动轮角速度不均匀系数的数学模 型。通过对链传动速度波动测试装置的开发设计，拓展了链传动实验研究手段，为链 传动多边形效应的试验测试及研究打下了基础。通过本文的研究，得到如下结果： 1 通过链传动多边形效应实验，获得了当链传动主动轮角速度保持不变时，其从 动轮角速度变化的实验曲线，该曲线呈周期性变化，类似一条余弦曲线。 2 受电机速度波动的影响，当转速低于试验中合理转速范围的最低值时，链传动 从动轮角速度变化的波形( 频率) 增加，幅度变大；而当转速高于该合理转速范围的 最高值时，从动轮角速度变化的波形( 频率) 将减少，幅度变大。 3 比较附录l 、附录2 的试验结果可以看出：当主动轮齿数互相同，随着从动轮 齿数的增大，链传动从动轮角速度不均匀系数变小。因此，在链传动设计中，为了减 小多边形效应，应该选择齿数较多的链轮，但是，当齿数过多时，随着从动轮齿数的 增加，从动轮角速度不均匀系数变化不明显，因此，在设计链传动时，考虑到传动系 统的总体尺寸等因素，链轮的齿数也不宜过多。 4 通过大量的试验证明，双节距滚子链链条与单节距基本链条配套的链轮配合使 用效果较好，且与单节距链相比，使用双节距链时，从动链轮的角速度变化比较稳定。 因此，在实际工程应用中，可以用双节距滚子链与相应的单节距链轮配套使用。 关键词链传动；多边形效应；l a b v i e w ；双节距滚子链；试验装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 m ll a b s t r a c t t h es p e e d ，e f f i c i e n c y ，a u t o m a t i o n ，p r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yf o rm e c h a n i c a lp r o d u c t sa r e r e q u i r e dh i g h e ra n dh i 曲e rw h i l ev i b r a t i o na n dn o i s el o w e ra n dl o w e r ，w e i g h tl i g h t e ra t p r e s e n t a st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n tp a r t o fa u t o m o b i l ea n de n g i n e e r i n gm a c h i n e t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c h a i nd r i v e sh a sb e e na p p l i e di ns o m ef i e l d s ，s u c ha sf r a m i n g ， m i n i n g ，l i r i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，m e t a l l u r g y ，a r c h i t e c t u r e ，p e t r o l e u m ，c h e m i c a li n d u s t r y a n do t h e rm e c h a n i c a lf i e l d s r o l l e rc h a i ni st h ew i d e s ta p p l i c a t i o ni nt h ec h a i nd r i v e s i t c o n s i s t so ft h ec h a i n ，t h ed r i v es p r o c k e ta n dt h ed r i v e ns p r o c k e t r o l l e rs p r o c k e t sh a v es o m e s p e c i a ld e n t i f o r mt e e t h d e p e n d i n gu p o nt h em e s h i n gw h i c hl i e si nb e t w e e nc h a i nt e e t ha n d c h a i nn o d e s ，i tc a l lt r a n s f e rt h ed e s i r e dm o v e m e n t c h a i nd r i v e s o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i ch a s t h em o s t i m p o r t a n ti n f l u e n c e f o re n t i r et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ep o l y g o n - e f f e c to f c h a i n t r a n s m i s s i o n , s e r i o u s l ya f f e c t e dt h es t a b i l i t ya n dn o i s eo ft h ec h a i nt r a n s m i s s i o na t l l i g hs p e e d t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt h a ts t e a d ye f f e c to ft h es y s t e mo f r o l l e rc h a i na th i g h s p e e di si n c r e a s e da n dn o i s ei sl o w e d t h i sa l s on o w ad i f f i c u l ta n dh o t p o i n to ft h es t u d yo f r o l l e rc h a i n a u t h o rs u m m a r i z e st h er e s e a r c ho fr o l l e rc h a i na th i g hs p e e da n dr e s e a r c h t h e m o d e r nt e s ta n dm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t su p d a t eg r e a t l ya n di ti sp o s s i b l et od ot h e p o l y g o n e f f e c tt r i a l t h ep a p e r sm a i nc o n t e n ti sj u s ta b o u tt h er e s e a r c ho ft h ep o l y g o n e f f e c t o fc h a i n t r a n s m i s s i o nb a s e do nl a b v l e w t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ts t a g ea n dp r e s e n ts t a t u so ft h ep o l y g o n - e f f e c t o fc h a i n t r a n s m i s s i o n t h i sp a p e rs t u d i e sd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc h a i ns y s t e mt h r o u g h k i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n ds e t su pad r i v e nw h e e l sa n g u l a rv e l o c i t ya s y m m e t r yc o e f f i c i e n t m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dt h e ni n t r o d u c e dt h ed e s i g no ft h ec h a i nt r a n s m i s s i o nt e s t t h e d e s i g no ft h ec h a i nt r a n s m i s s i o nt e s te x t e n d st h ee x p e r i m e n t a ls t u d ym e a n so fc h a i nd r i v e t h e s es t u d i e sa r et h eb a s ef o rt h ef o l l o w i n gt e s t t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 w i t ht h ep o l y g o n e f f e c to fc h a i n - t r a n s m i s s i o nt e s t ，w eg e tt h ed r i v e nw h e e la n g u l a r v e l o c i t yc u r v e ，w h e nt h ed r i v i n gw h e e la n g u l a rv e l o c i t yi sac o n s t a n t ，t h ed r i v e nw h e e l a n g u l a rv e l o c i t yc h a n g e sp e r i o d i c a l l y ，a n dt h i sc b r v es i m i l a rt oa c o s i n ec u r v e 2 w h e nt h er o t a t i o n a ls p e e di st o ol o w , t h ed r i v e nw h e e la n g u l a rv e l o c i t yw a v e f o r m ( f r e q u e n c y ) w i l li n c r e a s e ，t h em a g n i t u d eb e c o m e sl a r g e r a n dw h e nt h es p e e d i st o oh i g h ，t h e d r i v e nw h e e la n g u l a rv e l o c i t yw a v e f o r m ( f r e q u e n c y ) w i l lb er e d u c e d ，t h em a g n i t u d e b e c o m e sl a r g e rt o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1ii 页 3 w i t ht h et e s tr e s u l t so fa p p e n d i x1a n da p p e n d i x2 ，w ec a r ls e et h a tw h e nt h et o o t h n u m b e ro ft h ed r i v i n gw h e e lu n c h a n g e d w i t l lt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro ft h ed r i v e ng e a r , t h e d r i v e nw h e e l sa n g u l a rv e l o c i t ya s y m m e t r yc o e f f i c i e n tb e c o m e ss m a l l e r t h e r e f o r e ，i nt h e c h a i nd r i v ed e s i g n , i no r d e rt or e d u c et h ep o l y g o n e f f e c t ，m o r es p r o c k e tt e e t hs h o u l db e c h o s e n ，b u tw h e nt h et o o t hn u m b e ri st o ol a r g e ，t h ed r i v e nw h e e l sa n g u l a rv e l o c i t y a s y m m e t r yc o e f f i c i e n td i dn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r e ，i nt h ec h a i nd r i v ed e s i g n ，t h e s p r o c k e tt e e t hn u m b e rs h o u l dn o tb et o om u c h 4 t h r o u g hal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，d o u b l e p i t c hp r e c i s i o nr o l l e rc h a i nc a l l g r e a t l ym a t c h 、) l r i mt h es h o r tp i t c hs p r o c k e t ，a n dc o m p a r e d 讥t l lt h es i n g l ep i t c hr o l l e rc h a i n s ， c h a i nd r i v ec h a n g eo ft h ea n g u l a rv e l o c i t yi sr e l a t i v e l ys t a b l e ，w h e nu s i n gd o u b l e p i t c h p r e c i s i o nr o l l e rc h a i n t h e r e f o r e ，i np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，w ec a nu s e d o u b l e p i t c hp r e c i s i o nr o l l e rc h a i ni n s t e a do fs i n g l e p i t c hr o l l e rc h a i n k e yw o r d ：c h a i n t r a n s m i s s i o n ；p o l y g o n - e f f e c t ；l a b v i e w ；d o u b l e - p i t c hr o l l e rc h a i n ； e x p e r i m e n t a ld e v i c e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并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。 本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密斫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：狲垃 日期：加l 口r 洗 指制獬：易云中 指导老师签名：r 厶乙心干夕 日期：历z 口j 力 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 自主研发了链传动速度波动测试装置，拓宽了传统的链传动实验研究领域。 2 利用自主研发的链传动速度波动测试装置，针对链传动从动轮角速度波动进行 了大量的实验，得到了具有工程实际意义的实验数据。 3 通过对实验测试结果的分析研究，得到了对链传动设计及应用具有工程实际意 义的相关结论。 4 从从动轮角速度变化和从动轮角速度不均匀系数两方面对链传动的运动学特性 进行了理论分析，并建立了相应的数学模型。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：弓群疆欤 日期： 劢h 岁2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 机械传动是机械传动装置或机械传动系统的简称。它是利用机械运动方式传递运动 和动力的机构，故又称为传动机构。传动机构的功用如下所述：1 把原动机输出的速度 降低或增高，以适合工作机的需要。2 实现变速传动，以满足工作机的经常变速要求。 3 把原动机输出的转矩变换为工作机所需要的转矩或力。4 把原动机输出的等速旋转运 动，转变为工作机所要求的、速度按某种规律变化的旋转或其他类型的运动。5 实现由 一个或多个原动机驱动若干个相同或不同速度的工作机。6 由于受机体外形、尺寸的限 制、或为了安全和操作方便，工作机不宜与原动机直接连接时，也需要用传动装置来连 接。 机械传动使用各种形式的机构来传递运动和动力，其性能指标有两类：一是运动特 性，通常用转速( 1 ，) 、传动比( 力、变速范围的参数来表示；二是动力特性，通常用功率( 一、 转矩( m 、效率( 刀) 等参数来表示。在全球经济、技术以前所未有的速度发展和变化的今 天，科研水平的提高和人们需求的不断增加，极大的推动着国内外机械配套装置的发展。 机械传动作为机械配套装置中的重要组成部分，其性能的好坏直接影响着机械配套装置 整机的性能水平、质量和可靠性。因此，为了改善整机的性能，提高其运行质量，延长 使用寿命，各国都积极开展了对机械传动系统的研究。 链传动是机械传动的一个重要分支，是机械传动中重要的传动形式。链传动是一种 具有中间挠性件的非共轭啮合传动，兼有齿轮传动和带传动的特点，但是链传动与齿轮 传动相比，具有成本低、适于远距离传动等特点；与带传动相比，又具有结构简单、传 力大、效率高、适应性强和寿命长等主要特点，特别是在大中心距、定速比、多轴传动 及环境恶劣的开式传动、大载荷的低速传动工况下，采用链传动比带传动和齿轮传动更 有优越性。由于链传动技术的迅速发展及设计与制造水平的不断提高，使得链传动广泛 应用于农业、冶金、采矿、石油、起重、运输、化工、纺织、汽车、船舶等行业中p j 。 1 1 论文研究的背景 链传动在各种机械上使用十分广泛，是非常重要的机械元件之一。无论是用于传递 动力，移运物品，还是提升重物等，链传动系统都具有广阔的使用前景。近年来，链传 动技术正以越来越快的速度发展，并不断的被改进与更新。随着机械设备在向高速度、 商精度、大功率、低噪声方向发展的同时，对链传动的性能也提出了更高、更多的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ! i n m_ _ m m m 詈舅皇曼置皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇皇鼍曼罾鼍曼皇曼皇曼鼍皇皇皇量皇曼皇曼毫曼兰曼鼍皇曼皇舅曼曼鼍曼曼舅曼 链传动在工作过程中，由于存在“正多边形效应”( 链条绕上链轮时，链节与链轮轮 齿啮合，形成正多边形的一部分，链条与链轮分度圆在运动中交替呈现相割和相切) ，其 中心线( 中心线指链条拉直时，铰链中心的连线) 位置存在着周期性的变化，从而使传 动链条的线速度和角速度不断发生变化( 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) 。由于受到此啮合特性的影响，链传动在高速工况中的 应用受到了极大的限制【6 】。另外，由于链条与链轮入啮和退啮动作在瞬间完成，动载荷 大，加速了磨损，降低了传动链条的使用寿命【4 】。 因此，在保证链传动使用质量和可靠性的同时提高链传动的工作速度、降低其振动、 噪声等成为了亟待解决的关键问题。 1 2 国内外研究现状 由于与链传动运动特性有关的动态参数测试困难，国内外有关链传动系统运动、振 动的研究进展比较缓慢。直到近二十年来，由于测控技术、传感器技术、计算机技术等 的飞速发展及应用，链传动技术才得到了比较迅速的发展。 近年来，随着各行各业的飞速发展，链传动技术也在不断提高与完善，众多的新技 术、新材料、新工艺、新装备不断涌现，一大批用途广泛的新产品相继问世，许多重要 的研究成果已进入实用阶段，构成了链传动行业飞速发展的新潮流。 链条作为一种重要的机械元件，具有悠久的历史。远在夏商年代就有了现代圆环链 的雏形。公元前2 0 0 年在龙骨水车上的链条是最原始的输送链。而对于传动链，早在北 宋时期苏颂著的新仪象法要中就有所记载。因此我国是最早使用链条的国家之一。 对于近代传动链是由欧洲文艺复兴时期伟大的科学家达芬奇首先提出的。随后，十八世 纪，法国机械工程师沃康松发明了铰接式输送链；1 8 3 2 年，法国伽尔发明了传动用销轴 链；1 8 6 4 年，英国杰姆斯同莱泰发明了无套筒滚子链；1 8 8 0 年，英国亨斯雷诺发明了 现代广为流传的滚子链；1 8 8 5 年，亨斯雷诺又发明了圆销式齿形链。也正因为滚子链和 齿形链的出现，奠定了链传动广泛的应用基础。1 8 8 6 年链传动开始应用于自行车。1 8 8 9 年法国巴那罗发明的汽车上采用了链传动。1 9 0 3 年美国菜特兄弟发明的飞机上采用了链 传动。链条由于广泛应用于工农业生产而得到迅猛的发展。1 9 1 5 年后，随着链传动理论 的发展，链条生产迅速增长，出现了多排链和高品质的链【5 】。 1 2 1 国内外链传动的研究现状 国外先进工业国家的链条技术起步较早，随着工业化生产的迅速发展，为了满足机 械化生产的需要，在伽尔发明了销轴链的基础上又派生出了各种各样不同形式的链条。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 链传动设备以及链条、链轮产品的种类日新月异，链传动在整个社会经济中发挥着不可 替代的作用。近年来，在国外，链传动技术正以越来越快的速度发展，普通的链条已很 难满足要求了，国外先进工业国家在链条产品与模具方面均采用了可靠性设计以及 c a d c a m 技术，通过完善的试验设备，依靠充足的资金，开发了大量速度快、精度高、 质量较有保证的链传动产品。 日本是使用链传动比较早的国家之一，早在二十世纪五十年代，从英国引进了奥斯 汀和希尔曼两种品牌的汽车开始，就在发动机的正时系统中采用了滚子链。现在日本链 条行业发展稳定而迅速，以椿本( t s u b 嘲) 公司为首的知名厂家已经生产出了各种耐 磨损、耐冲击、耐腐蚀、耐环境、寿命长、可靠性极高的多系列具有代表性的新型链条 产品，成为各种汽车主机配套的主打产品。除了日本以外，一些生产链条历史悠久的国 外企业众多，产品规格多、性能好、精度高、寿命长，如英国的雷诺公司( 耻玳o l d ) ， 美国的m o r s e 、d i a m o n d 、l i n k - b e l t 、r e x n o r d ，日本的t s u b a k j 、d a i d o 、 d i d ，德国的w u i f 、i w i s 、法国的s e d i s 、b p a m p t o n ，瑞典的f b ，澳大利亚的e l i t e ， 意大利的s i m m e l ，捷克的k e b a 等【1 4 1 。 国外大多数新产品具有高耐磨、高疲劳、高精度的特点，结构型式上有微型链以及 多种输送链、缆链、环保链、倍速链等，在材料上则使用了耐蚀、耐热、塑料、含油粉 末冶金等新材料，而且原材料的供应完全由专业厂家提供，其内在质量、化学成份、尺 寸参数以及表面质量等均有较好的保证，因此，进一步优化了链条的性能，使链传动产 品正在进行着不断改进、完善、变异与升级的过程。国外链条品种多、开发有多代产品， 具有较强的市场应变能力。 我国链传动行业自2 0 世纪5 0 年代末起步，经过多年的发展，已跨入世界链传动产 品生产的大国。改革开放以后，随着中国经济融入全球经济，国民经济的高速发展和世 界工业自动化的不断发展与创新，我国链条行业出现了飞速的发展。而且，国内外市场 对链条产品需求的不断加大，也为我国链条生产行业的发展创造了有利的条件。 虽然我国链条行业起步较早，但是由于技术和经济上的落后，使得链条行业呈现一 种低、小、散的生产格局，链传动产品的开发和研制受到了极大地限制。我国链传动产 品与国外先进水平相比有很大的差距。现在我国已是世界上的链条生产大国，但是在国 内市场还没有形成品牌影响氛围，在国际市场上更没有知名品牌。高档链条的市场基本 被美国的摩斯和莱克斯诺、德国的依维斯、法国的赛迪斯、日本的椿本和d i d 等公司垄 断。目前我国出口的链条一般为贴牌加工，属于o e m 市场的范畴。我国链条行业的制造 技术发展很快。但由于企业间竞争激烈，技术壁垒致使很多先进技术不能得到及时推广， 制约了行业总体技术水平的提高。我国链条行业应该尽快缩短过渡时期，树立打造中国 名牌、世界名牌的目标，通过提高链条行业的技术水平，提高产品的质量。因此，由链 条生产大国向世界链条强国进军，走具有本行业特色的新型工业化道路，这是今后一段 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 时期中国链条行业发展的主攻方向【1 5 】。 1 2 2 链传动运动特性( 多边形效应) 的研究现状 多年来，国外的学者关于套筒滚子链传动的研究重点是对其运动学和动力学特性的 研究，主要有两个方向：一是针对链传动特有的多边形效应( p o l y g o n a la c t i o n ) 及其引 起的链条传动速率波动的研究；二是针对链传动中的啮合冲击及其引起的振动、噪声现 象的研究。研究中所采用的力学模型主要有：弦模型、铰链四杆机构模型，等效质点模 型、轴向移动弦线( 杆) 模型和质点阻尼模型等【1 4 1 。但是，由于有关的动态参数测试困 难，国内外有关链传动系统振动的研究进展比较缓慢。直到近二十年来，链传动技术才 得到了比较迅速的发展1 8 】。 k u e h a l a 和t n a k a j i m a 从理论与实验两方面研究了滚子链传动的噪声问题，指出噪 声产生于三个原因【7 1 。j e p e n g 和m c a r p i n o 综合考虑了运动学和动力学方面的因素，提 出了对于等速下运转的输送链系统进行最佳路径设计的一般方法【8 】。对于传动链系统的 动力学研究，主要围绕噪声和振动问题。s t o n e , t r e t h e w e y 和w a n g 发现噪声和冲击强度 密切相判9 】；c h e w 研究了传动比为1 和中心距为节距整数倍的情况下滚子和链轮啮合过 程中的冲击问题，研究了链轮转速、链条节距、链节数及链节质量分布等因素对冲击力 的影响【l o 】。j a m e sc c o n w e l l 和g e j o h n s o n 设计出了一种新型的试验装置，以研究滚子 链系统的动力学表现，利用该装置测量了链条的张力及冲击力，并对实验数据进行了分 析 】l 】【1 2 】。m o h a m m a dr n a j i 和k t t r t m a r s h e k 分析了链条节距变化【】3 】，摩擦力以及离心力 对载荷分布的影响。 b i n d e r 建立的弦模型将链条视为一根质量均匀分布的弦，用这种简化模型解决链条 结构的不连续问题【1 6 】；t u m b u u 建立的铰链四杆机构是应用比较广泛的链传动模型，适 用于计算中低速链传动中的瞬时速比等运动特性【1 7 】；r y a b o v 、v e i k o s 等建立的连杆质点 模型将链节视为无质量连杆，两端的滚子简化为质点，该模型耒考虑链节的惯性距对传 动过程的影响【l8 】 1 9 1 ；c h e w 等人采用了改进的等效质点模型，假设每个链节有三个质点， 杆的两端为滚子质点，中间的质点代表链板，可更为真实地计算链传动的运动学特性【2 0 】 【2 l 】：w a n g k w 等人将链节简化为轴向移动弦( 杆) 模型，这也是一种比较合理的力学 模型 2 2 】【2 3 】【2 4 】；l a n k a r a n i 和n i k r a v e s h 建立的质量阻尼模型将链板简化为由弹簧阻尼连 接的两质点，链节之间的连接用共用质点的方法完成，这种模型较之前的模型更为完整， 可以得到链传动中比较复杂的动力学特性；虽然这些模型的假设条件有不同程度的局限 性，如假设链条紧边始终处于拉直状态，初始张紧力、主从动链轮的转速和负载为常量， 忽略链条与链轮之间的间隙和相对滑动等，但对研究链传动的整体运动学、动力学特性 是可行的，并取得了一系列研究成果【2 5 1 ，如m o m s o 、m a h a l i n g a m 发现当链轮外公切线 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 i_ii i_i_ - 长度为链条节距的整数倍时可减小多边形效应引起的速率波动和动载荷【2 6 】【韧，b o u i l l o n 等发现多边形效应随着链轮齿数的增加而减小【2 引。 为了克服链传动的多边形效应，国外进行了大量的研究，首先是探讨链传动的啮合 机理，并在此基础上合理地设计了链传动的结构。为了提高链条的承载能力，国外还着 重研究各种强化措施，以及相伴而进行的关于失效机理、设计方法、可靠性和标准化的 研究。在输送链方面，为适应各种工况要求，对链条结构进行较集中的研究，发现了诸 如双铰节链、空间输送链、复合节距链、差动链等结构形式。 国内工程技术界，对链传动基础研究不够重视，使我国链传动产品与国外先进水平 相比有很大的差距。如我国生产的链条仅有静强度指标，尚无功率曲线，不能为设计者 提供正确选用的依据；国产滚子链高速性能低下，使用寿命短；产品均匀性差，直接影 响热处理：滚子链的机械制造水平低下；新工艺应用不广泛。近年来，随着对链传动基 础研究认识的提高和重视，有关单位已开展相关的研究。 吉林工业大学的荣长发、郑志峰研究了链轮振动对链传动系统稳定性的影响，并分 析了系统参数如链轮的惯量、链速以及激励的频率对系统稳定性的影响。在其所建立的 模型中考虑了链条链轮系统与局部啮合冲击的相互耦合作用，从而将局部的啮合现象同 系统整体的动力学特性联系起来，对链和链轮的冲击以及链的横向振动的关系进行了分 析，并对啮合噪声问题、冲击后的强度进行了研究。 为了研究链传动的速度波动以及链传动的多边形效应，西南交通大学国家工科机械 基础课程教学基地联合成都通达恒力科技有限公司自主设计了链传动试验台，对链传动 从动轮角速度进行了试验测试及研究。 安徽理工大学的张克仁等提出了滚子链横向振动和纵向振动的力学模型，建立了横 向振动和纵向振动的激励和各阶模态下的固有频率计算式，并推导了在激励作用下的动 态响应。 天津大学的杨玉虎等应用有限单元法建立了套筒滚子链动力学方程，分析了以修正 正弦、修正等速等多种不同运动规律实现间歇运动时的链节加速度响应，以及对应同 种运动规律实现间歇运动时链条上不同链节处加速度响应的变化规律。 山东大学的王勇、薛云娜等人对双面啮合圆销式齿形链进行了研究，讨论了双面啮 合齿形链的设计方法、齿形链多边形效应、振动、噪声的试验测试、渐开线链轮的加工 等。此外，他们还采用a d a m s 软件对双面啮合齿形链进行了运动学仿真分析。 综上可见，对链传动的运动学特性和动力学特性进行深入研究，分析链传动的多边 形效应在工程应用中的实际状况，找到改善链传动多边形效应的方法，对提高链传动的 工作性能，具有重要的工程实际意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 论文研究的主要内容 由于链传动啮合机理的复杂性及与链传动有关的动态参数测试困难，目前有关链传 动多边形效应的研究较少，试验设备尚不完善，因此，开发链传动实验装置并分析链传 动的多边形效应在工程应用中的实际状况，找到改善链传动多边形效应的方法，对提高 链传动的工作性能，具有重要的工程实际意义。 本课题将研究不同节距、不同齿数、不同转速情况下链传动的多边形效应及其对传 动性能的影响。以链传动的运动学特性为基础，利用自主研发的链传动试验台，通过大 量实验测试，得到了链传动的多边形效应曲线，并进行了相关的分析研究。本论文的主 要研究内容如下： 1 对链传动理论进行研究，分析了链传动传动状态和啮合特性。 2 分析链传动的运动学特性及链传动多边形效应产生的原因。 3 自主研发了链传动速度波动测试装置，主要工作为：测试装置主要功能模块的 设计，其中包括传动模块及支撑联接及调节模块、加载模块、测试模块等；链传动试验 台测控系统软件的设计；以u s b 和n i v i s a 为基础的链传动多边形效应测试应用程序 的开发。 4 链传动多边形效应试验测试。利用自主研发的链传动试验台，进行了链传动多 边形效应测试试验。测试在不同转速、不同链轮齿数组合下链传动的多边形效应，获取 了其动态性能及反映其多边形效应的曲线。 5 链传动多边形效应试验研究。结合具体工况、理论分析数据及曲线等，对实验 测试数据及曲线进行了分析研究，得到了对链传动设计及应用具有工程实际意义的相关 结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章链传动理论与链传动的运动学特性 链传动作为一种具有中间挠性件的非共轭啮合传动，广泛应用于工农业及国民生产 的各个部门。根据不同的用途和功能链传动可以分为：传动链、输送链、曳引链、专用 特种链四种。目前，传动链已广泛应用在汽车、摩托车等发动机上，用来传递曲轴与机 油泵、曲轴与平衡轴、凸轮轴之间的动力。在链条的生产和应用中，传动用单节距精密 滚子链占有支配地位。双节距精密滚子链是由单节距精密滚子链派生出来的一种链条。 本文主要针对传动链中的套筒滚子链的运动特性进行研究。 2 1 滚子链概述 滚子链( r o l l e rc h a i n ) 是链传动中应用最广泛的种，约占全部链条产量的9 0 以 上。其主要组成零件有链板、销轴、滚子和套筒等。如图2 - 1 所示。 1 、内链板2 、外链板3 、销轴4 、套筒5 、滚子 图2 - 1 滚子链结构图 其中，内链板紧压在套筒两端，销轴与外链板铆牢，分别称为内、外链节。这样内 外链节就构成一个铰链。链板与套筒之间、外链板与销轴之间分别用过盈配合固连，滚 子与套筒之间、套筒与销轴之间均为间隙配合，这样当链条啮入啮出时，套筒可绕销轴 自由转动。同时滚子沿链轮链齿滚动，可减少链条与轮齿的磨损。为了减轻重量和运动 时的惯性力，并保持各横截面的强度大致相等，内外链板均做成“8 字形【3 1 1 。 当传递大的载荷时，滚子链还可以做成多排，排数越多，其传动能力越大。链条长 度以链节数表示。链节数最好取偶数，以便链条联成环形时正好是外链板与内链板相接。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 若链节数为奇数时，则采用过渡链节，过渡链节的链板为了兼作内外链板，形成弯 链板，受力时产生附加弯曲应力，易于变形，导致链的承载能力大约降低2 0 。 因此，链节数应尽量为偶数。 两销轴之间的中心距称为节距，用p 表示。 链条的节距越大，销轴的直径也可以做得越大，链条的强度就越大，传动 能力越强。节距p 是链传动的一个重要参数。 2 2 传动用双节距滚于链概述 双节距精密滚子链是由单节距精密滚子链派生出来的一种链条，取节距滚子链除节 距是单节距滚子链的两倍以外，链条的结构形式与零件尺寸均相同。艰节距精密滚子链 与相同节距的大节距精密滚子链相比其质量较轻，适用于中小载荷、中低速、传动中心 距较大的场合。传动用职节距精密滚子链如图2 - 2 所示。 2 3 链传动运动分析 图2 - 2 传动用双节距精密滚子链 链传动是具有中间挠性件的啮合传动。一般在链条与链轮啮合的过程中，整根链条 是可以曲折的挠性体，每一链节则为刚性体。链轮可以看作正多边形。因而链 传动的运动情况和绕在多边形轮子上的带传动很相似。而且在啮合的过程中， 链条中心线( 中一i i , 线指链条拉直时，铰链中心的连线) 位置存在着周期性的变化， 每个链节与链轮的接触与脱离是在一瞬间完成的，因此链传动又属于非共轭咭 镑国 堑雪耋鎏奎耋罂圭塑耋兰耋堡鎏耋墨! 至 合，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 滚子链传动示意图 2 3i 平均速度与平均传动比 如图2 - 4 所示，链条啮入链轮后形成折线因此链传动的运动情况和绕在正多边形 轮子上的带传动根相似。 硝e 图2 4 链条速度变化 在图2 _ 4 所示的正多边形中，其边长等于链节距p ，边数等于链轮齿数：。链轮每转 一周，链移动的距离为z + p ，设弓、毛分别为主从动链轮的齿数，p 为节距扣小) ，一、 也为两链轮的转速( r m i l l ) ，则有： ”6 0 z 1 p l n o t 0 0 = 6 0 z x 2 p 1 0 0 0 ”5 ( 2 - 1 ) 平均传动比： f = 旦= 丑 ( 2 2 ) 呜：2 以上两式所求链速和传动比都是平均值。实际情况下，由于链传动的多边 形效应，链条的瞬时速度和瞬时传动比都是变化的，这将在下面分析。 2 4 2 瞬时速度和瞬时传动比 实际上，由于链传动多边形效应的影响，链条的瞬时速度和瞬时传动比是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 不断变化的。假设主动链轮以等角速度m 回转，通过分析上图中链传动在不同 位置的啮合情况可知，链条铰链销轴的轴心做等速圆周运动，其圆周速度为 m = ，i q ，此时，链轮分度圆的圆周速度也是v l ；q 。 1 ，j 可以分解为使链条沿水平方向前进的分速度v “( 链速) 和使链上下运动的 垂直分速度v 匕l = qc o s 口( 2 3 ) v ，l = qs i n a( 2 - 4 ) 其中，口为啮入过程中链节铰链在主动轮上的相位角，其变化范围为： 一z z l _ 0 专7 r z l 。 当口= 0 时，链速最大， 匕l 一= ，i q ( 2 5 ) 当口= 万z 时，链速最小， m i n = ，i qc o s ( z z 1 ) ( 2 - 6 ) 迎 邑 蜊 捌 礤 摧 图2 5 链条角速度变化随相位角的变化关系 由以上分析知：即使q 为常数，链速v 也是变化的，且作周期性变化，每转过一个 节距就周期性变化一次。同理，链条在垂直于链节中心线方向的分速度_ ，= qs i n a 也 做周期性变化，使链条产生横向振动，这是产生动载荷的重要原因之一。 2 5 从动链轮运动分析 2 5 1 从动轮的角速度变化 链传动的多边形效应也使从动链轮的瞬时速度不断发生变化。同上面的情 况，每一链节在与从动链轮轮齿啮合的过程中，链节铰链中心在从动轮上的相 位角夕在+ _ z z ：范围内不断变化。 紧边链条沿x 方向的分速度为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 叱2 = r 2 c 0 2e o s p( 2 - 7 ) 式中，劬为从动链轮的角速度。不计链条变形，则有： v ，l = v ，2c 一8 ) 于是有： 圪= qc o s 口= r 2 t 0 2e o s p( 2 - 9 ) 哆= q 坐罢( 2 1 0 ) 六c o s j 瞬时传动比为： t ：堕：三幸业( 2 - 1 1 ) 呸乞c o s 口 通常口。显然，即使主动链轮以等角速度回转，瞬时链速、从动链轮的 角速度和瞬时传动比等都是随口、作周期性变化的。可见，由于绕在链轮上 的链条形成正多边形，造成链传动运动的不均匀性( 正多边形效应) ，这是链 传动的固有特性。 ( a ) ( b ) 最大不同相位链条速度变化 i 司相位链条速度变化 图2 6 链条速度变化图 从动链轮的瞬时角速度以及瞬时传动比不仅与从动轮的齿数有关，还与链节铰链处 在链轮上的相位角有关。图2 - 6 中( a ) c o ) 绘出的是同相位( 即与链条紧边两端铰链相啮合 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) 的状态【5 1 ，当处在图 ( a ) 的位置时，叱= r 2 c 0 2 ，所以有： 哆= 兰= 盟= q 掣：c 0 2 一 ( 2 1 2 ) 曲南爻通大芋坝士研冤生掌位论文第1 2 页 此时的瞬时传动比为： 曲2 老2 辈s i n ( ，r 格z 2 曲2 。2 _ _( 2 - 1 3 ) 哆一 j 当主从动轮的位置处在图( b ) 的状态时： u = 吃哆c o s ( ，r z 2 )( 2 1 4 ) t o 。, 2 赢= 鬻r 2c o s ( x z 铷 卜2 m i n ( 2 - 1 5 )= o 一= 上l 二上= 吐l 一 f 2 15 1 屹c o s 协z 2 ) 2 ) 。一7 图2 - 6 中( c ) ( d ) 是链传动处于不