基于虛擬技術(shù)的同步帶仿真分析研究

李　鵬（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京　100854）

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基于虛擬技術(shù)的同步帶仿真分析研究

李鵬
（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京100854）

摘要隨著衛(wèi)星天線技術(shù)的發(fā)展，同步帶傳動在天線傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，而利用先進的虛擬仿真技術(shù)對同步帶的傳動特點進行研究，分析其動態(tài)特性與柔性傳動的特點，對將來同步帶傳動的設(shè)計與傳動系統(tǒng)的控制具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞虛擬技術(shù)，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(xiàn)的一種傳動，其吸取了帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動的諸多優(yōu)點，帶輪與帶之間沒有相互滑動，且具有傳動平穩(wěn)、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(shù)是20世紀90年代中期逐漸興起，基于計算機技術(shù)的一項新概念技術(shù)。虛擬樣機類似于產(chǎn)品設(shè)計中的物理樣機，其采用精確、逼真的數(shù)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(shè)計和顯示，且可以方便地進行反復(fù)修改，從而有效地節(jié)約研制資金和研制周期。目前，西方發(fā)達國家特別是美國在虛擬樣機領(lǐng)域的開創(chuàng)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(fā)中就使用了虛擬樣機技術(shù)，節(jié)省了研制成本。而在我國，虛擬樣機技術(shù)尚處于起步階段，主要應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，許多高校也正在使用和研究[2, 3]。

利用虛擬仿真技術(shù)對同步帶傳動的動態(tài)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(xué)與動力學(xué)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(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和難點，有助于提高衛(wèi)星通信天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和科學(xué)性，降低衛(wèi)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(tài)特性進行研究，不僅可以積累相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗，了解相關(guān)的知識，還可為將來研制衛(wèi)星通信天線產(chǎn)品打下堅實的基礎(chǔ)。

1　虛擬仿真技術(shù)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(gòu)件離散成許多段剛性構(gòu)件，這些離散后的剛性構(gòu)件之間采用柔性梁連接，但這種方法僅限于簡單構(gòu)件設(shè)計使用，其離散連接的實質(zhì)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(gòu)件離散成細小的網(wǎng)格，再進行模態(tài)計算，然后，將計算的模態(tài)保存為模態(tài)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(gòu)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(zhì)心坐標系、名稱、顏色和質(zhì)量信息等屬性，每段離散件就是一個獨立的剛性構(gòu)件，可以像編輯其它剛性構(gòu)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(shù)。使用柔性梁連接的優(yōu)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(gòu)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(tǒng)進行仿真研究，分析傳動比的改變對同步帶運動狀態(tài)的影響。如表1所示，兩套系統(tǒng)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(tǒng)（1）的傳動比為1:1；系統(tǒng)（2）從動輪不變，主動輪齒數(shù)為系統(tǒng)（1）的一半，即傳動比為1:2。

通過表1的數(shù)據(jù)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(xiàn)在較小的同步帶預(yù)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(wěn)定性也有所提升，具體表現(xiàn)為從動輪的角加速度波動較小。傳動比的減小能夠產(chǎn)生更大的傳動力矩，但是從動輪的響應(yīng)時間會相應(yīng)地延長，速度也會減慢，所以，設(shè)計傳動系統(tǒng)時要根據(jù)需求權(quán)衡利弊，選取合適的參數(shù)。

表1　不同傳動比傳動系統(tǒng)對比

2.2節(jié)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(tǒng)進行仿真研究，分析齒型的不同對運動狀態(tài)的影響。如表2所示，兩套系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(jié)距在運動過程中具有更好的性能，具體表現(xiàn)在較小的同步帶預(yù)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(wěn)定性也有所提高，具體表現(xiàn)為從動輪的角加速度波動較小。但是需要注意的是，節(jié)距的減小，會影響帶傳動的傳動能力（節(jié)距越小,承載能力越小），所以，選用時應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理地匹配有關(guān)參數(shù)。

表2　不同節(jié)距傳動系統(tǒng)對比

2.3環(huán)繞方式對同步帶傳動的影響

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

通過表3的數(shù)據(jù)可以看出，在帶輪大小、布局相同時，兩種環(huán)繞方式的仿真結(jié)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(yù)張緊力還是運動時的張緊力，方案（1）的數(shù)據(jù)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(wěn)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(huán)繞方式傳動系統(tǒng)對比

2.4張緊方式對同步帶傳動的影響

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

如表4所示，方案（3）和（4）均采用雙張緊結(jié)構(gòu)，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(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，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?guī)л喓蛷埦o輪的加速度曲線也相對更穩(wěn)定。

3　結(jié)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(shù)，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(shè)計工作具有一定的指導(dǎo)意義。

表4　不同張緊方式傳動系統(tǒng)對比

參考文獻

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

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

3梁戈. 計算機輔助設(shè)計同步帶傳動的數(shù)學(xué)模型[J].機械設(shè)計, 1996, (9): 21～22

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

5毛俊東, 王宏杰. 天線測試轉(zhuǎn)臺傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)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(tài)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(yōu)化設(shè)計[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2010, 9(1): 48～49

文章編號：1009-8119（2016）05（1）-0057-03