基于虚拟技术的同步带仿真分析研究

2016-06-13北京航天光华电子技术有限公司北京100854

军民两用技术与产品 2016年9期

关键词：同步带虚拟技术仿真

李　鹏（北京航天光华电子技术有限公司，北京　100854）

基于虚拟技术的同步带仿真分析研究

李鹏
（北京航天光华电子技术有限公司，北京100854）

摘要随着卫星天线技术的发展，同步带传动在天线传动系统中的应用越来越广泛，而利用先进的虚拟仿真技术对同步带的传动特点进行研究，分析其动态特性与柔性传动的特点，对将来同步带传动的设计与传动系统的控制具有十分重要的意义。

关键词虚拟技术，同步带，仿真，ADAMS

引言

同步带传动是利用带轮的齿槽和带齿的啮合而实现的一种传动，其吸取了带传动、齿轮传动和链传动的诸多优点，带轮与带之间没有相互滑动，且具有传动平稳、噪音低、冲击小、无需润滑、污染小、带体薄而轻、强度大、传动效率高等特点[1]。

虚拟样机技术是20世纪90年代中期逐渐兴起，基于计算机技术的一项新概念技术。虚拟样机类似于产品设计中的物理样机，其采用精确、逼真的数字模型来表示物理样机的各个部分、各个部件和整个原型样机，更易于设计和显示，且可以方便地进行反复修改，从而有效地节约研制资金和研制周期。目前，西方发达国家特别是美国在虚拟样机领域的开创性研究已取得了令人瞩目的成就，例如，美国波音公司在波音777飞机的开发中就使用了虚拟样机技术，节省了研制成本。而在我国，虚拟样机技术尚处于起步阶段，主要应用于航空、航天等领域，许多高校也正在使用和研究[2, 3]。

利用虚拟仿真技术对同步带传动的动态特性进行研究，可以了解同步带传动的特点，以及传动过程中的力学与动力学特性，了解其失效形式，了解并熟悉不同类型的同步带样式及其各自的特点，了解相应的关键技术和难点，有助于提高卫星通信天线结构设计的合理性和科学性，降低卫星通信天线的研制成本，缩短研制周期，提高研制效率[4, 5]。通过对同步带传动的动态特性进行研究，不仅可以积累相关的设计经验，了解相关的知识，还可为将来研制卫星通信天线产品打下坚实的基础。

1　虚拟仿真技术概述

在ADAMS中，有3种建立柔性体的方法：第一种是利用ADAMS中的柔性梁连接，将一个构件离散成许多段刚性构件，这些离散后的刚性构件之间采用柔性梁连接，但这种方法仅限于简单构件设计使用，其离散连接的实质仍是刚性体和柔性连接，还不能称为真正的柔性体。第二种方法是利用其它有限元分析软件将构件离散成细小的网格，再进行模态计算，然后，将计算的模态保存为模态中性文件MNF（Model Neutral File），直接读取到ADAMS中建立柔性体。第三种方法是利用ADAMS/AutoFlex模块，直接在ADAMS/View中建立柔性体的MNF文件，然后再用柔性体替代原来的刚性体。

离散柔性连接件是直接利用刚性体之间的柔性梁连接，将一个构件分成多个小块，在各个小块之间建立柔性连接获得的模型。每段离散件有自己的质心坐标系、名称、颜色和质量信息等属性，每段离散件就是一个独立的刚性构件，可以像编辑其它刚性构件一样来编辑，如赋予其不同的材料、颜色等属性，也可对每段离散件之间的柔性梁进行编辑，指定柔性梁的参数。使用柔性梁连接的优点是其能够直接帮助用户计算横截面的属性，比直接使用柔性梁连接将两个构件连接起来更方便[6, 7]。

2　同步带传动的影响因素

2.1传动比对同步带传动的影响

通过对两种不同传动比的同步带传动系统进行仿真研究，分析传动比的改变对同步带运动状态的影响。如表1所示，两套系统均采用XL齿型的同步带和带轮，带轮的中心距相同，左边是从动轮，右边是主动轮，主动轮的运动输出也相同，系统（1）的传动比为1:1；系统（2）从动轮不变，主动轮齿数为系统（1）的一半，即传动比为1:2。

通过表1的数据可以看出，在运动输入、中心距等条件相同时，较小的传动比在运动过程中具有更好的性能，具体表现在较小的同步带预张紧力、较小的同步带动张紧力、较小的带轮受力等方面。同时，运动的稳定性也有所提升，具体表现为从动轮的角加速度波动较小。传动比的减小能够产生更大的传动力矩，但是从动轮的响应时间会相应地延长，速度也会减慢，所以，设计传动系统时要根据需求权衡利弊，选取合适的参数。

表1　不同传动比传动系统对比

2.2节距对同步带传动的影响

通过对两种不同齿型的同步带传动系统进行仿真研究，分析齿型的不同对运动状态的影响。如表2所示，两套系统分别采用XL和XXL齿型的同步带和带轮，传动比均为1:1，带轮的直径和中心距相同，左边是从动轮，右边是主动轮，主动轮的运动输出也相同。

由表2数据可以看出，在运动输入、中心距、带轮直径等条件相同时，较小的节距在运动过程中具有更好的性能，具体表现在较小的同步带预张紧力、较小的同步带动张紧力、较小的带轮受力等方面。同时，运动的稳定性也有所提高，具体表现为从动轮的角加速度波动较小。但是需要注意的是，节距的减小，会影响带传动的传动能力（节距越小,承载能力越小），所以，选用时应综合考虑各方面的因素，合理地匹配有关参数。

表2　不同节距传动系统对比

2.3环绕方式对同步带传动的影响

结合动中通天线的方位传动系统，对两种不同环绕方式的同步带传动系统进行仿真研究，分析环绕方式对运动状态的影响。如表3所示，两套系统除皮带环绕方式不同外，其余参数均相同，带轮尺寸也按照实际尺寸进行造型。

通过表3的数据可以看出，在带轮大小、布局相同时，两种环绕方式的仿真结果却不尽相同，方案（1）的各个带轮包角更大，这就意味着同时有更多的带齿参与了传动，从而减小了每个带齿的平均受力。另外，无论是皮带的预张紧力还是运动时的张紧力，方案（1）的数据都较小，各个带轮的受力也较小。通过对各个带轮的角加速度进行比较，可以得出，与方案（2）相比，方案（1）具有更好的稳定性，因为每个带轮的角加速度变化比较平缓，没有急剧地增大或减小。