孟繁忠 曲紹朋 宋婷婷

1.吉林大學(xué),長(zhǎng)春,130025 2.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院,日照,276826

0 引言

新型變節(jié)距Hy-Vo齒形鏈傳動(dòng)是一種低噪聲、高效率的傳動(dòng)形式[1],導(dǎo)板作為齒形鏈的重要組成部分,長(zhǎng)期以來(lái)在鏈條行業(yè)中未得到足夠的重視。人們大多僅僅通過(guò)研究和改進(jìn)齒形鏈工作鏈板的齒形和結(jié)構(gòu)來(lái)提高鏈條的性能,而忽略了導(dǎo)板對(duì)鏈條性能的影響。在對(duì)鏈條性能要求越來(lái)越高的今天,研究導(dǎo)板對(duì)鏈條性能的影響以及合理設(shè)計(jì)導(dǎo)板參數(shù)具有重要意義。

齒形鏈視導(dǎo)板的布置形式分為內(nèi)導(dǎo)式齒形鏈和外導(dǎo)式齒形鏈兩種,新型Hy-Vo齒形鏈由于結(jié)構(gòu)的特殊性多采用外導(dǎo)式[2]。本文通過(guò)對(duì)Hy-Vo齒形鏈裝配與受力影響的分析,結(jié)合有限元分析軟件,對(duì)普通導(dǎo)板的結(jié)構(gòu)型式和尺寸參數(shù)進(jìn)行了變異設(shè)計(jì),提出一種新型變異導(dǎo)板,解決了長(zhǎng)期以來(lái)普通導(dǎo)板在裝配和使用過(guò)程中的局限性,大大提高了齒形鏈的性能,并提出了新型Hy-Vo齒形鏈變異導(dǎo)板的設(shè)計(jì)方法與原則,為今后此類導(dǎo)板的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方法。

1 導(dǎo)板對(duì)新型Hy-Vo齒形鏈裝配與受力的影響

新型Hy-Vo齒形鏈一個(gè)銷軸孔中裝有兩個(gè)長(zhǎng)短不同的異型銷,如圖1所示,只有長(zhǎng)銷軸與導(dǎo)板連接,短銷軸只與鏈板接觸。

鏈條在裝配過(guò)程中,首先是長(zhǎng)銷軸與一個(gè)導(dǎo)板進(jìn)行過(guò)盈裝配,然后將鏈板套在已被導(dǎo)板固定好中心距的兩個(gè)銷軸上,再將短銷軸依次插入鏈板孔中,最后將另一個(gè)導(dǎo)板與長(zhǎng)銷軸的另一端過(guò)盈裝配。為了裝配的需要,長(zhǎng)銷軸與鏈板孔之間存在著裝配間隙,如圖1a所示,這就導(dǎo)致了鏈條開(kāi)始受力時(shí),裝有導(dǎo)板的那排工作鏈板,拉力首先作用在導(dǎo)板上。只有當(dāng)力增大到能夠使導(dǎo)板拉伸伸長(zhǎng)量可以補(bǔ)償裝配間隙時(shí),其他鏈板才與長(zhǎng)銷軸接觸,才開(kāi)始承擔(dān)載荷,稱此時(shí)導(dǎo)板的拉伸伸長(zhǎng)量為導(dǎo)板的最大拉伸伸長(zhǎng)補(bǔ)償量,簡(jiǎn)稱伸長(zhǎng)補(bǔ)償量;使導(dǎo)板產(chǎn)生最大拉伸伸長(zhǎng)補(bǔ)償量的力稱為導(dǎo)板最大拉伸伸長(zhǎng)補(bǔ)償力,簡(jiǎn)稱伸長(zhǎng)補(bǔ)償力[3]。

圖1 新型Hy-Vo齒形鏈的裝配示意圖

在銷軸未與工作鏈板接觸時(shí),其受力如圖1a所示。此時(shí)裝有導(dǎo)板的一排工作鏈板沒(méi)有受力,整個(gè)鏈條的拉力都作用在兩個(gè)導(dǎo)板上,而無(wú)導(dǎo)板的一排鏈板各個(gè)鏈板都受力,如圖1b所示,此時(shí)的銷軸相當(dāng)于一個(gè)如圖2所示的簡(jiǎn)支梁[4]。

圖2 受力簡(jiǎn)圖

此時(shí)長(zhǎng)銷軸的最大彎曲撓度Δymax為

式中,F為鏈條所受的拉力;L為齒形鏈鏈寬;EI為銷軸截面抗彎剛度。

由式(1)可以看出,銷軸的撓度Δy是與所加載荷成正比的。同時(shí),鏈板裝配時(shí),鏈板之間也是有間隙的,當(dāng)載荷加大,銷軸彎曲,則鏈板向中間靠攏,使銷軸受力相對(duì)集中,同樣也會(huì)加大銷軸的撓度。而銷軸彎曲會(huì)使鏈板接觸受力不均勻,很容易導(dǎo)致鏈板失效,更重要的是,Hy-Vo齒形鏈只有長(zhǎng)銷軸與導(dǎo)板接觸,使銷軸截面積減少了一半,所以與導(dǎo)板接觸處極易產(chǎn)生銷軸的剪切破壞,這也是Hy-Vo齒形鏈在拉伸試驗(yàn)中主要的一種失效形式。

2 蝴蝶狀導(dǎo)板的作用

為了滿足裝配要求,銷軸與鏈板孔之間存在著裝配間隙,而裝配間隙的存在又會(huì)導(dǎo)致鏈條受力惡化,為此可以通過(guò)改進(jìn)導(dǎo)板的幾何形狀,使其在承受較小載荷時(shí)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)纳扉L(zhǎng)變形,讓銷軸在較小拉力的作用下和全部鏈板接觸,使其受力均勻。當(dāng)應(yīng)力不超過(guò)比例極限時(shí),伸長(zhǎng)量Δl與拉力F、初始長(zhǎng)度l和橫截面面積的關(guān)系為

式中,b為導(dǎo)板的厚度;H(x)為導(dǎo)板縱向?qū)挾?A(x)為有效橫截面積;E為彈性模量。

目前,Hy-Vo齒形鏈多采用如圖3實(shí)線所示的導(dǎo)板,由于其形狀像蝴蝶,故形象地稱之為蝴蝶狀導(dǎo)板。蝴蝶狀導(dǎo)板是在齒形鏈普通導(dǎo)板(圖3虛線所示)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種導(dǎo)板。它通過(guò)減小導(dǎo)板腰部的縱向?qū)挾?H(x)來(lái)減小橫截面積,增大導(dǎo)板的伸長(zhǎng)量以滿足要求,很好地解決了普通導(dǎo)板厚度減少量有限的局限性,以及導(dǎo)板厚度太薄所引發(fā)的問(wèn)題。對(duì)于小節(jié)距、小寬度的齒形鏈,通過(guò)采用蝴蝶狀導(dǎo)板可以適當(dāng)?shù)卦黾訉?dǎo)板的厚度,因?yàn)閷?dǎo)板太薄會(huì)減小銷軸和導(dǎo)板的聯(lián)接牢固度,在多次沖擊的交變載荷作用下導(dǎo)板與銷軸之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的微動(dòng)磨損,從而導(dǎo)致鏈條“散架”失效[5]。

3 蝴蝶狀導(dǎo)板的設(shè)計(jì)

蝴蝶狀導(dǎo)板的外部輪廓是建立在普通導(dǎo)板(圖3虛線)基礎(chǔ)之上的,通過(guò)在普通導(dǎo)板中間腰部的頂端挖一個(gè)圓滑的凹槽來(lái)實(shí)現(xiàn)。此方法改變了導(dǎo)板腰部的高度,增加了導(dǎo)板的伸長(zhǎng)變化量,這是對(duì)普通導(dǎo)板的一種變異。

圖3 導(dǎo)板設(shè)計(jì)示意圖

蝴蝶狀導(dǎo)板在受力時(shí),不能像普通導(dǎo)板一樣直接采用簡(jiǎn)單的虎克定律來(lái)求解其伸長(zhǎng)量,其伸長(zhǎng)量不僅包括橫向受力伸長(zhǎng)量,還包括兩個(gè)蝶翅因?yàn)槭芰ο颉巴怅倍a(chǎn)生的X方向的伸長(zhǎng)量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以借助于有限元軟件分析影響其伸長(zhǎng)量的因素。

由于導(dǎo)板是對(duì)稱圖形,為了便于分析和減少計(jì)算量,采用對(duì)稱約束,只需分析其1/2即可。在以下分析過(guò)程中,材料選用50CrVA,加載載荷為50MPa,H=10.8mm,L=8.16mm,采用二維單元類型,異型銷與鏈板孔之間采用接觸分析,為了方便觀察鏈板變形,特將銷軸隱藏。

對(duì)比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn),在其他條件不變的情況下,圖5中鏈板的中間尺寸相比普通導(dǎo)板僅僅減少了1/3,導(dǎo)板銷軸孔處在X方向的伸長(zhǎng)量幾乎變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍,所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮導(dǎo)板齒“外掰”所引起的伸長(zhǎng)量。圖6a是HG=H/2時(shí)的蝴蝶狀導(dǎo)板有限元分析伸長(zhǎng)量云圖,此時(shí)鏈板的伸長(zhǎng)量是圖5a中的三倍還要多。

圖4 普通導(dǎo)板有限元分析云圖

圖5 HG=2H/3的蝴蝶狀導(dǎo)板有限元分析云圖

從圖4～圖6的應(yīng)力云圖可以看出,蝴蝶狀導(dǎo)板與普通導(dǎo)板相比,最大應(yīng)力顯著增加。圖5b的最大應(yīng)力約為80MPa,圖6b的最大應(yīng)力約為95MPa,最大應(yīng)力增加十分明顯。而圖6b鏈板中間腰部拉伸應(yīng)力已經(jīng)超越導(dǎo)板孔處的應(yīng)力,變?yōu)閷?dǎo)板的最大應(yīng)力處。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中不能一味地通過(guò)減小H G來(lái)滿足伸長(zhǎng)量的要求,而應(yīng)同時(shí)考慮腰部所受到的最大應(yīng)力,否則導(dǎo)板很容易在腰部失效。

圖6 HG=H/2的蝴蝶狀導(dǎo)板有限元分析云圖(RG=2.43mm)

同時(shí),蝴蝶狀導(dǎo)板腰部上方的凹槽圓弧半徑RG(圖3)也是蝴蝶狀導(dǎo)板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù),也影響著導(dǎo)板的伸長(zhǎng)量和最大應(yīng)力。圖6中R G=2.43mm,其最大伸長(zhǎng)量為0.003 12mm;當(dāng)其他參數(shù)不變,R G=1.215mm時(shí),導(dǎo)板的最大伸長(zhǎng)量為0.0024mm(圖7),所以說(shuō)R G越大,導(dǎo)板的拉伸伸長(zhǎng)就越容易。比較圖6b和圖7b導(dǎo)板的應(yīng)力云圖可以看出,隨著半徑R G的增大,導(dǎo)板所受的最大應(yīng)力相對(duì)減小。所以設(shè)計(jì)時(shí)在不影響導(dǎo)板整體強(qiáng)度的情況下,可以盡量加大腰部上端中間圓弧的半徑。

圖7 HG=H/2的蝴蝶狀導(dǎo)板有限元分析云圖(RG=1.215mm)

4 蝴蝶狀導(dǎo)板對(duì)Hy-Vo齒形鏈?zhǔn)芰τ绊懙膶?shí)驗(yàn)研究

齒形鏈導(dǎo)板對(duì)鏈條受力影響的實(shí)驗(yàn)研究具有重要的實(shí)際意義。一方面,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出導(dǎo)板與受力之間的關(guān)系,為設(shè)計(jì)導(dǎo)板提供實(shí)驗(yàn)依據(jù);另一方面,可以從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證研究導(dǎo)板設(shè)計(jì)的必要性和重要性。應(yīng)該說(shuō)明的是,導(dǎo)板對(duì)鏈條受力的影響直接反映在鏈條的拉伸伸長(zhǎng)量上。通過(guò)測(cè)量在不同拉力作用下固定節(jié)數(shù)的鏈條長(zhǎng)度,來(lái)分析導(dǎo)板對(duì)鏈條受力的影響。

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)帶有蝴蝶狀導(dǎo)板的10×11片數(shù)組合的節(jié)距為9.525mm的Hy-Vo齒形鏈由小到大施加拉伸載荷,并在不同載荷下用游標(biāo)卡尺測(cè)量12節(jié)加一個(gè)銷軸的鏈條長(zhǎng)度,此種鏈條的破斷載荷≥60k N,實(shí)驗(yàn)的最大載荷不超過(guò)20kN,初始鏈長(zhǎng)119.78mm,Hy-Vo齒形鏈伸長(zhǎng)量與載荷的關(guān)系曲線如圖8所示。

由圖8可以看出,開(kāi)始受力時(shí),鏈條伸長(zhǎng)量變化很快,大約加載到 3k N,相當(dāng)于破斷載荷的1/20后,曲線就近似成為一條直線。這也印證了前文的分析：由于鏈條裝配時(shí),導(dǎo)板與銷軸是過(guò)盈配合,工作鏈板與銷軸之間是間隙配合,所以鏈條在開(kāi)始受力的時(shí)候,裝有導(dǎo)板的一排鏈只有導(dǎo)板受力,此時(shí)鏈條的伸長(zhǎng)量相對(duì)比較大;當(dāng)拉力超過(guò)一定值時(shí),導(dǎo)板的伸長(zhǎng)量補(bǔ)償了工作鏈板和銷軸的間隙,此時(shí)工作鏈板與銷軸開(kāi)始接觸,鏈條伸長(zhǎng)變化量與載荷變化量比值趨向于定值。另外,在接觸工作鏈板之前銷軸會(huì)有微量的彎曲,加上工作鏈板孔的加工也有一定的誤差,所以,銷軸首先與其中的一個(gè)或幾個(gè)工作鏈板接觸,再隨著力的增大逐漸與其他工作鏈板接觸上,而不是力達(dá)到一定值時(shí),立刻與所有工作鏈板接觸,這也是曲線是光滑的而不是在一定力值時(shí)產(chǎn)生拐點(diǎn)的原因。

以上實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了合理地設(shè)計(jì)導(dǎo)板可以在較小拉力作用下補(bǔ)償其裝配間隙,降低由于裝配間隙對(duì)Hy-Vo齒形鏈性能的不利影響。目前,由這種方法設(shè)計(jì)的蝴蝶狀導(dǎo)板已成功應(yīng)用于浙江某鏈傳動(dòng)有限公司的生產(chǎn)實(shí)際中[6]。工程應(yīng)用實(shí)踐表明,這種新的設(shè)計(jì)方法是科學(xué)的,是可行的。

5 結(jié)論

(1)蝴蝶狀導(dǎo)板在設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先根據(jù)鏈板形狀設(shè)計(jì)出普通導(dǎo)板,再在普通導(dǎo)板基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)蝴蝶狀導(dǎo)板;在不影響導(dǎo)板強(qiáng)度的條件下,蝴蝶狀導(dǎo)板腰部上端圓弧半徑R G越大越好;

(2)在滿足導(dǎo)板強(qiáng)度的條件下,應(yīng)盡量減小H G的高度,并適當(dāng)加大中間圓弧最低點(diǎn)與銷軸受力中心的距離;

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析,充分驗(yàn)證了銷軸與工作鏈板孔之間的間隙可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)蝴蝶狀導(dǎo)板使鏈條能夠在承受較小拉力作用下使導(dǎo)板拉伸變形有效得到補(bǔ)償,使銷軸與工作鏈板充分接觸、共同承載,研究結(jié)果為蝴蝶狀導(dǎo)板的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

[1] Meng Fanzhong,Li Chun,Cheng Yabing.Proper Conditions of Meshing for Hy-Vo Silent Chain and Sprocket[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2007,20(4)：57-59.

[2] 鄭志峰,王義行,柴邦衡.鏈傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[3] 孟繁忠.齒形鏈嚙合原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4] 曲紹朋.新型齒形鏈的嚙合機(jī)制與動(dòng)力學(xué)建模及齒形鏈導(dǎo)板的設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2007.

[5] 孟繁忠,張進(jìn)平,黃梅,等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鏈條的多次沖擊磨損特性研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(6)：573-577.

[6] 孟繁忠,李春,葉斌.新型 Hy-Vo齒形鏈磨損特性的研究[J].潤(rùn)滑與密封,2007,32(10)：33-35.