一种基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法，通过建立标准的8M齿形同步带传动有限元模型，准确计算出带齿与轮齿间高速啮合传动出现的干涉应力，并通过正交试验设计采用应力反演的方法对同步带参数进行优化。根据优化后的参数，建立新的8M圆弧齿同步带传动模型，计算优化后同步带啮合传动时产生的干涉应力，对多种优化方案进行对比，确定最佳节距和齿形参数。从而设计出使用寿命更长，传动更平稳，传动效率更高的8M圆弧齿同步带。本发明专利技术优化后的8M圆弧齿传动带，大大降低了带齿与轮齿啮合时产生的干涉应力，同步带的使用寿命更长，能量损耗更小；同时大大节约了研发周期和研发成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法
本专利技术涉及一种结构设计领域，特别涉及一种基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法。
技术介绍
同步带作为机械传动领域的重要产品之一，结合带传动、链传动、齿轮传动的特点，具有传动精度高，传动噪声小，使用寿命长的优点。并随着设计和生产水平的提高，逐步替代V带传动、链传动以及齿轮传动，广泛应用于电器、汽车、机器人等各个领域。同时关于同步带传动的力学分析、结构分析，同步带的使用寿命和失效形式也展开了大量的研究工作。传统的同步带齿形设计只能根据产品的破坏情况根据经验设计新的优化方案，该方法的缺点是优化效率低，需要反复生产和测试成品，浪费人力物力；优化结果不够精确，因为不能准确计算出同步带在啮入和啮出的过程中齿顶和齿面的受力情况很难确定最优方案。同时现有的同步带传动建模方法也存在诸多缺点，传统的同步带传动有限元算法只能实现准静态模拟，且不考虑橡胶粘弹性能对接触应力的影响多体动力学算法虽然可以实现动态计算但接触应力计算不准确，不适用于分析同步带啮合应力计算。因此急需一种既可以实现同步带传动动态仿真又可以准确计算出带齿与轮齿啮合时产生的干涉应力的计算方法，进一步的对同步带齿形进行优化设计。
技术实现思路
本专利技术的主要方面是提供一种8M圆弧齿同步带节距与齿形有限元优化方法，包括提出了一种新的圆弧齿同步带传动有限元建模方法，该方法联立了虚功原理算法和中心差分法可以实现同步带传动的高速动态模拟，同时耦合了橡胶材料的超弹性和粘弹性，接触过程采用罚函数算法，可以准确计算同步带传动时同步带带齿与链轮轮齿间啮合而产生的齿面干涉应力和齿根应力。并根据模型计算的结果对8M圆弧齿同步带的节距和齿形通过正交设计实验采用应力反演的方法进行优化，其中齿型设计又包括齿面曲线优化和齿根圆角半径优化。根据优化后的参数，建立新的8M圆弧齿同步带传动模型，计算优化后的同步带在传动啮合时产生的齿面干涉应力和齿根应力，对多种优化方案进行对比，确定最佳节距和齿形参数。从而设计出使用寿命更长，传动更平稳，传动效率更高的8M圆弧齿同步带。本专利技术的技术方案为：分别建立同步带和链轮部件，赋予部件材料参数，模型装配，接触属性设置，边界条件设置，网格单元划分，提交计算。进一步优选的是8M圆弧齿同步带传动有限元建模包括同步带张紧(图1)和同步带传动(图2)两个过程。同步带张紧过程的有限元建模采用的是基于虚功原理的静态隐式算法。然后将计算结果导入到同步带动态传动有限元模型中。同步带动态传动有限元模型的建模是基于动力学方程中心差分法的显式算法。进一步优选的是，同步带建模部件包括同步带橡胶部分和同步带线绳与弹力布部分(图3)。其中橡胶部分使用三维实体单元建模(图4)，线绳和弹力布使用二维壳体复合材料单元建模。并使用嵌入命令将线绳和弹力布的二维壳体复合材料单元嵌入到橡胶三维实体单元中。进一步优选的是，8M同步带齿数范围是89-206，宽度是20-60mm，链轮齿数是26-68。进一步优选的是，赋予部件材料参数包括橡胶材料参数，线绳材料参数，弹力布材料参数和链轮材料参数。其中，橡胶材料使用门尼瑞夫林超弹方程和广义麦克斯韦粘弹方程表示，线绳、弹力布和链轮使用弹性胡克方程表示。线绳和弹力布的排布密度和方向使用REBAR加强筋设置。进一步优选的是，线绳直径0.5-1.6mm，线绳根数14-24，弹力布排列角度90-145°。进一步优选的是，同步带带齿与链轮轮齿的接触属性是基于有限元大变形方程的节点对面摩擦接触算法。进一步优选的是，所述边界条件的设置包括张紧力大小、主动轮转速、从动轮负载。进一步优选的是，张紧力大小为150-600N，主动轮转速为5-20m/s，从动轮负载为0-1000N·m进一步优选的是，所述采用正交试验设计优化的节距范围为7.94—8mm。进一步优选的是根据本专利技术计算出的应力干涉集中区域为坐标(1.51,2.49)到(2.51,0.31)，应力干涉最大值出现在(2.2,1.63)(图5、图6)。进一步优选的是，所述采用反演法进行正交试验设计优化齿面曲线优化范围为最大干涉应力部位内移量为0-0.1mm。(图7)进一步优选的是，所述采用正交试验设计优化齿根圆角半径范围为0.76-0.81mm。进一步优选的是，按照本专利技术提供的8M圆弧齿同步带节距与齿形有限元优化方法优化的最优方案为节距7.97mm，最大干涉应力部位内移量为0.06mm，齿根圆角半径0.79mm。根据本专利技术的方法可以准确计算同步带传动过程中带齿与轮齿间啮合干涉应力分布区域和干涉应力最大部位。经过本专利技术优化后的8M圆弧齿传动带，大大降低了带齿与轮齿啮合时产生的干涉应力，同步带的使用寿命更长，能量损耗更小；同时本专利技术大大节约了研发周期和研发成本。是设计绿色节能同步带的有效方法。附图说明图1同步带张紧过程有限元建模示意图(图中1同步带，2主动轮，3从动轮)图2同步带传动过程有限元建模示意图图3同步带骨架材料有限元建模示意图(图中4线绳5弹力布)图4同步带带齿网格划分图5同步带带齿与链轮轮齿啮合干涉出现应力集中图6同步带带齿齿面曲线优化区域图7同步带带齿与链轮轮齿啮合干涉应力最大部位与内移范围图8同步带齿形优化前后对比具体实施方式下面结合附图针对三角带有限元模型的描述对本专利技术的实施实例作详细说明。分别建立同步带和链轮部件，8M同步带齿数是105，宽度是20mm，链轮齿数是32。对部件划分单元，其中同步带橡胶部分采用三维实体单元赋予同步带模型橡胶材料参数见表1，赋予同步带线绳和弹力布材料参数，使用REBAR单元定义线绳和弹力布参数见表2.对模型部件进行装配，使用基于有限元大变形方程的节点对面摩擦接触算法定义带齿与轮齿的接触。接触摩擦系数为0.3。使用基于虚功原理的静态隐式算法建立同步带张紧有限元模型，定义张紧力大小为250N，将计算的应力应变结果导入到基于动力学方程中心差分法的显式算法的同步带传动有限元模型中，主动轮转速为14m/s，从动轮负载为400N·m。以单个同步带带齿中心为原点，计算出应力干涉区域坐标为(1.51,2.49)到(2.51,0.31)，应力干涉最大值出现在(2.2,1.63)。采用反演法进行齿面曲线优化，最大干涉应力部位内移量变量为0mm、0.02mm、0.04mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm。节距优化，节距变量为7.94mm、7.95mm、7.96mm、7.97mm、7.98mm、7.99mm、8mm。齿根圆角半径优化，齿根圆角半径变量为0.76mm、0.77mm、0.78mm、0.79mm、0.80mm、0.81mm。经过正交试验设计法组合排列，试验方案列于表3。计算所得结果和产品实测失效寿命列于表4。表1表2项目中心距,mm直径,mm模量,MPa角度，°密度，g/cm3线绳1.420.51000002.6弹力布0.50.220000°/90°1.2表3表4项目最大干涉应力，MPa实测失效寿命，h实例1(标准8M齿形)3.56270实例22.91380实例32.53400实例43.34280本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法，其特征在于，通过建立的8M圆弧齿同步带有限元模型准确计算出同步带带齿与链轮轮齿在特定转速、负载等工况下啮合时产生的齿面干涉应力和齿根应力,针对应力集中区域通过应力反演的方法，采用正交试验设计对同步带的节距和齿形进行优化，并根据优化后的参数对同步带重新建立有限元模型，确定最优节距和齿形参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法，其特征在于，通过建立的8M圆弧齿同步带有限元模型准确计算出同步带带齿与链轮轮齿在特定转速、负载等工况下啮合时产生的齿面干涉应力和齿根应力,针对应力集中区域通过应力反演的方法，采用正交试验设计对同步带的节距和齿形进行优化，并根据优化后的参数对同步带重新建立有限元模型，确定最优节距和齿形参数。2.如权利要求1所述的基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法，其特征在于，步骤包括同步带传动有限元建模和链轮部件模型有限元建模，赋予部件材料参数，模型装配，同步带带齿与链轮轮齿的接触属性设置，边界条件设置，网格单元划分，提交计算。3.如权利要求1所述的基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法，其特征在于，同步带传动有限元建模包括同步带张紧和同步带传动两个过程，其中同步带张紧过程的有限元建模采用的是基于虚功原理的静态隐式算法，然后将计算结果导入到同步带动态传动有限元模型中；同步带动态传动有限元模型的建模是基于动力学方程中心差分法的显式算法。4.如权利要求2所述的基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法，其特征在于，同步带部件包括同步带橡胶部分和同步带线绳与弹力布部分，其中橡胶部分使用三维实体单元建模，线绳和弹力布使用二维壳体复合材料单元建模，并使用嵌入命令将线绳和弹力布的二维壳体复合材料单元嵌入到橡胶三维实体单元中，8M同步带齿数范围是89-206，宽度是20-60mm，链轮齿数是26-68。5.如权利要求2所述的基于有限元的8M圆弧齿同步带节距与齿形优化方法，其特征在于，赋予部件材料参数包括橡胶材料参数，线绳材料参数，弹力布材料参数和链轮材料参数；其中，橡胶材料使用门尼瑞夫林超弹方程和广义麦克斯韦粘弹方程表示，线绳、弹力布和链...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛振祥，李文博，王雪盼，侯占峰，
申请(专利权)人：青岛科技大学，三力士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37