Continental ContiTech康迪泰克马牌人字齿同步带单对齿啮合非线性接触分析
- 由于本文所研究的Continental ContiTech康迪泰克马牌人字齿同步带模型齿数为 112 个齿，带轮模型的齿数为40 个齿，齿数较多，而且每个齿都是由多段半径较小的圆弧组成。带齿是受力部分，划分网格时要适当加密，若建立带与带轮啮合的整体模型，会使计算量和计算时间非常大，受有限元软件与计算机硬件等条件的限制，只作相互啮合带齿与轮齿的部分模型。为了更好地模拟新型人字齿同步带传动啮合的实际情况，同时又需要根据计算机的计算能力和所需时间适当减小计算量，本文从多对啮合的Continental ContiTech康迪泰克马牌人字齿同步带上取下一部分进行研究，此部分包括一对完整的人字齿单对齿啮合时有限元模型的建立人字齿同步带一般由带背、强力层、带齿、包布层几个部分组成，整个带体的材料属于一种粘弹性复合材料，受载后的力学特性既是材料非线性，又是几何非线性和接触状态非线性，不容易得到较***的解。以前的研究者在模型很大程度简化的基础上，用理论方法对二维平面的梯形齿和圆弧齿进行了简单应力计算，这种简化到二维平面的方法仅限于直齿同步带，但很少有对三维人字齿同步带啮合传动模型进行应力分布的分析，而利用有限元软件对齿形为 STSB 齿的人字齿同步带应力分布的分析，本文几乎为首例。在非线性有限元分析中，计算结果会受到多种因素的影响，如几何模型的简化程度、单元类型、材料参数、接触类型、求解方法、加载的方式等。
（1）建模中做的几点简化模型建立有以下简化：
1）在传动中带齿与轮齿的啮合是一个动态过程，很难确定其在啮入、啮出过程中的具体接触状态和边界约束条件。带齿进入啮合到脱离啮合的过程中，每对相啮合的齿会处于不同的啮合位置，所受应力也不同。为了能确定初始状态，从而得到稳定的边界条件，取带齿与轮齿完全啮合时的静态位置进行接触分析。
2）Continental ContiTech康迪泰克马牌新型人字齿同步带在啮合传动中应力大小及分布受多种因素的影响，如几何参数、带轮转速、工作温度、润滑等。由前面第二章关于人字齿的载荷分配计算可知，人字齿同步带小带轮处，且在紧边参与完全啮合的***对带齿承受的法向载荷***大，其受力情况也具有代表性，是可能引起传动失效的***位置，所以可取此对带齿进行分析，并忽略临齿对其造成的影响。
3）带的包布层弹性模量与带的其他层相比非常小，且包布层厚度很小，因此在有限元分析中忽略其影响，将带的包布层与带齿橡胶作为一个整体来处理。
4）初步分析假设带轮半径足够大，同步带带背和强力层不承受弯曲应力。
5）带与带轮啮合的齿数为一对，且理论上轮齿顶与带齿槽无接触，在进行分析计算时，忽略带齿面与轮齿面间的摩擦力。
（2）Continental ContiTech康迪泰克马牌人字齿同步带和同步带轮在 Pro/E 中建立三维实体模型由于所要建立模型比较复杂，且 ANSYS 软件的几何建模功能较弱，为了节约时间，需先在***的三维建模软件 Pro/E 中建模，实现人字齿同步带 3D 实体的***建模，并对带和轮进行标准装配。然后利用这两种软件的兼容性，将模型存为 IGE文件，***后将文件导入到 ANSYS 中。若在 Pro/E 中建立的模型结构过于复杂或模型特征过多时，ANSYS 有时会把一些不能识别的特征省略掉，将 IGES 格式文件导入进 ANSYS 软件后很可能产生模型丢失等情况，直接影响模型后续分析的准确性，因此需要对模型进行布尔操作及检查。本模型基本参数：***层带背的材料采用氯丁橡胶，厚度设计为 2.5mm；第二层为强力层，材料为玻璃纤维绳，厚度为 1mm；第三层为带齿的材料也是氯丁橡胶，第四层得包布层忽略不计。分析时采用的带结构参数为：带宽 35mm，带齿螺旋角30°。选用前面第二章中计算确定的 STSB 带齿齿形基本参数为：节距 Pb = 8mm ，节线与带齿根距离 d p = 0. 686mm，带齿高 H t = 3. 5mm ，带齿圆弧半径 R1 = 1mm ，R2 = 7. 5mm ， R3 = 0. 5mm ， R4 = 1.2mm ， R5 = 0.8mm ，主圆弧中心坐标 l
2 = 4.9mm。轮齿基本参数为：节线与带齿根距离 d p =0. 686mm ，轮齿高 ht = 3. 3mm ，轮齿圆弧半径 r1 =0. 9mm ，r2 = 7. 5mm ，r3 = 0. 5mm，主圆弧中心坐标 l
2 = 4. 9mm。