第 1 章 绪论
1.1 选题背景及链条张紧装置简介
链传动因结构简单、适应性强、传动力大、传动比（平均传动比）准确、传动效率高、无滑动，能够在高速、重载以及恶劣环境下正常工作等特点，被广泛的应用在生产和生活实践中。因此链传动在工业生产制造和人民生活中的地位不容忽视，同时各种类型的链传动不断涌现，生产批量大，且应用于各种领域。链传动是一种具有中间挠性件的啮合传动[1]。通过链条与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动。链传动可用于传动用、输送用、曳引提升用以及许多结构巧妙、性能特异的专门用途。因此链条通常划分为四大类即传动链、输送链、曳引链和特种专用链[2]。链传动系统因链条的磨损伸长，大多都有张紧装置来张紧链条，以满足链传动的功能。张紧轮可以是链轮也可以是惰轮。张紧装置的主要功能是要保证链传动系统始终处于最佳的传动状态，张紧及时，张紧力充足。滚子链传动有各种不同的失效形式，其主要的失效形式为：链条疲劳破坏、链条铰链磨损、链条铰链胶合、链条静强度破坏。其中链条铰链磨损是滚子链传动中常见的失效形式之一[2]。根据统计资料表明，约 60 %的链条损坏是由于链条的磨损造成的[3]，因此必须重视链条磨损对链传动的影响，以便提高链传动的性能。链条铰链磨损后链条总长变大，从而链条松边垂度变大，增大动载荷，发生振动、引起跳齿、加大噪声以及其它破坏[3]，为避免上述减弱链传动传动效率和质量的问题发生，因此需要张紧链条。张紧方法可分为人工定期张紧和设张紧轮装置。可见张紧装置在链传动中的地位不可小觑。现有的张紧装置在张紧链条时也会改变链条与链轮的啮合包角，使其变大，提高传动质量。链传动中张紧装置的水平影响着链传动系统的不断革新。链传动整体的发展影响着工业发展和人民生活，随着科学技术的发展，小型化、轻型化、自动化成为新的工业发展趋势，但是链传动在小型化、轻型化、自动化方向上的发展则差强人意，阻碍了链传动的相关快速发展。
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1.2 自动张紧装置国内外相关研究
自动张紧可以解决人工定期张紧会出现的张紧力不准确，张紧力过大或者过小问题，同时也减少了人工成本，使链传动始终处于最佳工作状态，动力传递可靠，链条使用寿命增加。由上表可知带传动与链传动之间的关系，在不少的工业产品和生活用品中，其传动部分是由带传动和链传动共同构成，如汽车发动机(尤其是汽油发动机)的传动轮系,普遍可分为橡胶皮带传动和无声链传动两大系统[5]。故研究带传动系统中的张紧装置对研究链传动系统中的张紧装置有一定的借鉴意义。陶寅初，庄修振[6]发明了一种用于汽车发动机正时皮带系统的新型摩擦式自动张紧轮，采用新型摩擦式张紧轮替换中心固定式惰轮，减少了传动系统的动态负荷和振动，不需要定期调整皮带的张紧力，结构如下图 1.2 所示。徐昇佑[7]的发明中介绍了一种利用发动机转速控制影响皮带张力的可变张紧轮。当控制单元 50 在转速不高于预定转速时控制张紧致动器 44 以扩张弹性致动器，使弹性元件 34 的一部分变形，来达到张紧的目的。可变张紧轮结构如下图 1.3 所示。
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第 2 章 无支撑自动张紧链轮设计分析
2.1 无支撑自动张紧链轮设计思路及工作原理
本论文中所设计的张紧链轮需达到两个要求：1、舍弃现有张紧装置中其他部分，如张紧链装置中张紧轮的支撑轴及其它相关的支撑装置等，只保有实现张紧功能的张紧轮，达到简化张紧装置，减轻张紧装置重量的目的；2、具有自动张紧功能。能及时的把因链条铰链磨损而长度伸长的磨损链条张紧，保证链轮和链条良好的啮合状态，保证相关机构处于良好的工作状态。无支撑自动张紧链轮结构尺寸参数的确定必须遵守两个原则：1、不能干涉链条与链轮之间正常啮合运动； 2、符合国家标准所制定的链轮相关计算公式。常见的链轮结构可分为：制成整体式的小直径链轮；制成孔板式的中等尺寸的链轮；其中直径较大的链轮，经常使用组装式的结构，将齿圈通过螺栓连接方式或焊接固定在轮毂上[1]，以上结构设计的依据是链轮的尺寸。本文所设计的无支撑自动张紧链轮，不同于以往的张紧轮通过改变其物理位置来实现张紧，而是以张紧轮自身形状的变化来达到张紧目的。本论文中所述的张紧链轮是以链轮的功能来决定链轮的结构。而上述常用的链轮结构无法达到无支撑自动张紧链轮设计要求，因此链轮需采用新型结构形式，因此本文中的无支撑自动张紧轮不同于以往的整体式、刚性结构，需采用组合式、柔性结构来实现。
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2.2 链传动受力分析与磨损计算
链传动中有挠性元件，无特殊结构情况下是非共轭啮合，链条的中心线（中心线指链条拉直时，铰链中心的连线，下同）位置存在着周期性的变化，如图 2.4 所示，围在链轮上的链条是由多边形组成，链条中心线与链轮上的分度圆在运动中交替地呈现相切和相隔的位置[1]。因链传动固有的多边形效应，对链传动进行运动学分析后得出，如下图 2.4 所示，即使主动轮的ω1 为常数，链速 v 也经历“最小-最大-最小”的周期性变化。因此链条在垂直方向的速度v?也作周期性变化，使链条上下抖动，产生附加动载荷、引起冲击振动，故链传动不适合高速传动。因此本文中的链速选取为中低速，进行仿真分析。链传动时，内外链节的运动由销轴、套筒实现。链条与链轮啮合状态的发生与分离对链条上的铰链副有重要的影响，因为其磨损主要发生在此阶段。如图 2.7 所示，在啮合状态发生改变的 a、b、c、d 点铰链出现滑移现象[25]。
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第 3 章 无支撑自动张紧链轮弹性元件设计........29
3.1 无支撑自动张紧链轮弹性元件工作原理........29
3.2 无支撑自动张紧链轮弹性元件选取........ 29
3.2.1 片弹簧的结构与特点.......29
3.2.2 片弹簧的刚度...........30
3.2.3 片弹簧的应力集中...........30
3.2.4 片弹簧的材料...........31
3.3 弹性力学理论知识简介.... 32
3.4 弹簧片结构设计.........36
3.5 本章小结.....42
第 4 章 无支撑自动张紧链轮仿真分析.......... 43
4.1 无支撑自动张紧链轮三维实体模型建立........43
4.1.1 Pro/E 软件简介.........43
4.1.2 无支撑自动张紧链轮三维实体建模...... 44
4.2 无支撑自动张紧链轮多体动力学仿真....46
4.3 无支撑自动张紧链轮结构力学分析........ 51
4.4 齿数对无支撑自动张紧链传动的影响....55
4.5 本章总结.....57
第 5 章 结论与展望.........59
5.1 结论.....59
5.2 工作展望.....60
第 4 章 无支撑自动张紧链轮仿真分析
4.1 无支撑自动张紧链轮三维实体模型建立
为了研究本论文中设计的无支撑自动张紧链轮的链传动系统运动和无支撑自动张紧链轮的结构以及设计的结构参数是否合适，对其进行仿真分析。仿真分析的第一步是建立仿真模型，因为现有的仿真软件中三维建模能力有限，且本论文中无支撑自动张紧链轮结构较为复杂，因此先在功能强大的三维建模软件中建立三维实体模型。Pro/E 是一种机械设计综合软件，是一种参数化设计建模、基于特征的实体模型系统，包含实体模型、钣金设计、模具设计等模块，是一种 3D 高级建模软件，在机械设计行业中得到广泛使用。Pro/E 分模块进行不同的设计，在不同的模块中各自进行绘制草图、零件三维建模、零件装配、钣金设计等[43]。Pro/E 是基于尺寸驱动的参数化产品设计，在模型中修改尺寸后，模型的外形随尺寸的变化而实时地改变，设计者可以快速直观的表达自己的设计方案，节省了大量的时间，提高了设计效率。在 Pro/E 中设计的数据在同一数据库内，不同于以往的 CAD/CAM 系统中设计数据存放在不同数据库。数据在同一数据库内的好处是：任意时间内无论哪个设计工作者在产品设计中改动任意数据，都可及时反应在产品设计相应部分中。比如，改变组装工程图中的任意尺寸， 三维模型中的相关尺寸也会发生相应的变化。数据结构与设计的严密结合，让产品设计中的不同部分紧密结合，从而有效提高设计效率[44]。本论文中无支撑自动张紧链轮设计可以系列化，同时因为该无支撑自动张紧链轮设计体系不完善，因此在设计时极有可能需要不断的修改无支撑自动张紧链轮中的结构尺寸参数，Pro /E 软件中的参数化设计极大的满足了这一要求，同时无支撑自动张紧链轮中的弹性元件需要在 Pro /E 钣金设计模块中进行建模。
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结论
本文主要以无支撑自动张紧链轮为研究对象，在了解和掌握现有链传动张紧装置结构和工作原理，收集研读国内外学者对链传动中张紧装置所做的研究，借鉴与链传动有相似之处的带传动中现有的张紧装置的基础上，提出一种新型的张紧装置。提出一种新颖的张紧方法，由张紧轮自身结构形状的改变来实现自动张紧，设计一个无需支撑装置、能够自动张紧磨损链条的张紧链轮。先对无支撑自动张紧链轮进行必要的理论分析，确定链轮结构基本参数，尤其重点是对弹性元件进行理论分析，从而确定其结构参数，根据理论设计得出的结构参数，在 Pro/E 中建立无支撑自动张紧链轮的三维模型，导入 Recur Dyn 中，建立无支撑自动张紧链轮链传动仿真模型，对其进行不同条件下的运动仿真，分析其在不同条件下的运动特性，确定无支撑自动张紧链轮的受力情况。导入 ANSYS 中进行无支撑自动张紧链轮的力学分析，对该链传动系统的主要零件进行有限元分析后。得出以下结果：
1、在主动链轮转速较低的情况下，仿真无支撑自动张紧链轮链传动，得到构件受力图，可知启动初期受力数值有波动，稳定后受力基本稳定。
2、通过有限元静力学分析，得到无支撑自动张紧链轮各构件的等效应力云图，得到各构件在受力数值最大时，各构件的最大应力值，验证本论文中的结构参数满足设计要求。
3、通过仿真得出张紧轮齿数以及主、从动轮之间的齿数差，都对无支撑自动张紧链传动有不同程度的影响。张紧轮与主、从动轮齿数的差值越大，安装时受的压力越大，存储的形变能越多，可在更大的磨损量下实现张紧；主、从动轮齿数差变大，使得无支撑自动张紧链轮向齿数较多的链轮移动。
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参考文献(略)