基于刚柔耦合的汽车V带动力学仿真分析

张学忱，于雪莲，史尧臣,2

(1. 长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2. 长春大学 机械与车辆工程学院，长春 130022)



基于刚柔耦合的汽车V带动力学仿真分析

张学忱1，于雪莲1，史尧臣1,2

(1. 长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2. 长春大学 机械与车辆工程学院，长春 130022)

摘要：汽车V带由于具有结构简单，不需要润滑等优点，经常用于重型车辆的辅助传动系统中。本文针对AV10两轮传动系统，利用RecurDyn软件建立了V带与带轮的刚柔耦合仿真模型，通过动力学仿真分析得到了带传动过程中的载荷分布规律和带紧边中点振动曲线，并系统研究了带传动过程中张紧力和主动轮转速对V带传动平稳性的影响规律，为汽车V带的传动性能分析提供了一种数字化仿真分析方法。

关键词：汽车V带；载荷分布；横向振动；传动平稳性

0引言

汽车V带通过带的两侧面与带轮轮槽之间的摩擦力来传递运动和动力，由于汽车V带结构简单，使用方便，不需要润滑，而且承载能力大、传动效率高[1]，所以广泛应用于重卡等汽车发动机辅助传动系统中，一般采用两轮或三轮传动形式，通过调节两轮或三轮中心距将张紧力施加到汽车V带上，因此汽车V带传动过程中主要为带的两个侧面受力，带背在传动过程中一般只承受较小的弯曲应力，由于汽车V带传动过程中的振动影响带轮上的包角大小和带传动的承载能力，当振幅过大时V带的两侧面和带轮轮槽的侧面产生相对滑动导致带两侧面磨损，从而影响带的使用寿命。

随着汽车发动机使用寿命和传动平稳性要求的不断提高，对汽车V带的传动性能要求也越来越高。因此国内外学者进行了一系列的研究。2005年Y.Shen和K.Chandrashekhara通过建立三维有限元模型分析了V带与带轮的接触机理，并利用ABAQUS软件分析了V带与带轮沟槽楔角对V带楔面上接触应力分布的影响规律[2]。2009年哈尔滨理工大学的李娜、郝广平等针对V带传动过程中的摩擦载荷分布，通过对主、从带轮进行受力分析，修正了V带传动用当量摩擦系数的计算方法，建立了V带当量摩擦系数的计算公式，为V带传动过程中摩擦力分布计算提供了理论依据[3]。2012年重庆大学的曹俊卫等针对无极变速器用V带，利用LS-DYNA进行了V带的瞬态有限元仿真，研究了轴向力和带的弹性模量对带传动过程中横向振动的影响规律，提出增加轴向力和提高线绳的弹性模量能够降低带的横向振动[4]。

本文针对汽车发动机常用的AV10带研究张紧力和主动轮转速对V带横向振动的影响规律为汽车V带传动动力学分析提供一种仿真分析方法。

1汽车V带传动系统刚柔耦合模型的建立

1.1带和带轮三维模型的建立

本文针对节线长为950mm的单根AV10带和有效直径为95.49mm的带轮进行研究，根据国家标准GB/T13405-92选取带轮有效直径95.49mm，带长950mm，利用CATIA三维软件建立了两轮传动系统的三维模型。

图1　网格划分后的V带

1.2基于Hypermesh汽车V带网格划分

为了进行汽车V带传动刚柔耦合仿真分析，需要对汽车V带进行网格划分，在Hypermesh软件中导入V带的三维模型，采用四面体网格进行网格划分，网格划分后的汽车V带由29143个节点和34296个单元组成，如图1所示。

1.3刚柔耦合仿真模型的建立

将网格划分后的V带与带轮模型导入刚柔耦合多体动力学仿真软件Recurdyn中，定义带和带轮的材料属性，设置AV10带密度为1.11×103kg/m3，弹性模量为2025Mpa，泊松比为0.48，主、从动轮材料为45钢。施加主、从动带轮的转动副和带与带轮间的刚柔接触副，并设置主动轮转速为2500r/min，张紧力为600N，从动轮负载为3000N·mm，主从动轮间中心距为345.25mm，设置仿真时间为1.0s，仿真步长为200。

2V带的仿真分析

2.1带的应力仿真分析

图2　V带传动的应力云图

通过仿真分析得到汽车V带传动过程中的应力仿真云图如图2所示。AB段为带的紧边区域，BC段为带与主动带轮的接触区域，CD段为带的松边区域，DA段为带与从动带轮的接触区域。

带在AB段和CD段的受力主要为带的强力层承受紧边和松边拉应力。在BC段和DA段，带与带轮接触，带的两侧面在张紧力作用下楔紧到带轮轮槽内，通过摩擦力传递运动和动力，此时带的两侧面承受摩擦应力，带背承受弯曲应力。

为了分析汽车V带传动过程中带的载荷分布，分别选取带背中点处节点7538和带侧面中点处节点7542进行研究，两节点的位移随时间变化曲线如图3所示，应力随时间变化曲线如图4所示。在AB段，带所受紧边拉应力主要作用在强力层上，带背节点处应力最大值为24.509N/mm2，带侧面节点处最大值为9.688N/mm2；在BC段，带背主要承受弯曲应力，最大应力值为93.521N/mm2，带侧面主要承受接触应力，最大值为175.971N/mm2；在CD段受力与AB类似，带背节点所受最大应力值为34.033N/mm2，侧面节点最大应力值为86.59N/mm2；在DA区域受力情况与BC段相似，带背所受的最大弯曲应力为94.321N/mm2，带侧面的最大接触应力为174.744N/mm2。通过分析可知，在V带传动过程中，最大应力出现在带与主动轮接触区。

图3　节点的位移曲线

图4　两节点的应力曲线

2.2带的平稳性分析

由于汽车V带传动过程中最大振幅一般发生在带跨度中点位置，为了系统分析主动轮转速和张紧力对横向振动的影响规律，所以选取带紧边中点为研究对象。

(1)转速对横向振动影响规律

设置张紧力为600N，主动轮转速分别为2000r/min、2500r/min、3000r/min，通过仿真得到带紧边上中点处横向振动位移曲线如图5所示，当主动轮转速为2000r/min时，最大振动位移为0.028mm，频率为40Hz；当主动轮转速为2500r/min时，最大振动位移为0.025mm，频率为45Hz；当主动轮转速为3000r/min时，最大振动位移为0.015mm，频率50Hz。可以看出，随着主动轮转速增加，带横向振动幅值逐渐减小，横向振动频率逐渐增加。

(a)转速对横向振动位移影响规律

(b)转速对横向振动频率影响规律

(2)张紧力对横向振动影响规律

设置主动轮转速为2500r/min，V带张紧力为500N、600N、700N，如图6所示通过仿真得到张紧力对带中点处的横向振动曲线。当张紧力为500N时，横向最大振动位移为0.04mm，频率为45Hz；当张紧力为600N时，横向最大振动位移为0.028mm，频率为45Hz；当张紧力为700N 时，横向最大振动位移为0.015mm，频率为45Hz。可以看出，随着V带张紧力的增加，横向振动幅值逐渐减小，横向振动频率基本不变。

(a)张紧力对横向振动位移影响规律

(b)张紧力对横向振动频率影响规律

3结论

(1)基于刚柔耦合仿真分析得到了汽车V带传动过程中的应力分布云图，直观地反映了带传动过程中的载荷分布。

(2)仿真分析表明张紧力不变，随主动轮转速增加，带横向振动幅值逐渐降低，振动频率逐渐增加。

(3)仿真分析表明主动轮转速不变，随主动轮转速增加，带的横向振动幅值逐渐减小，横向振动频率基本不变。

参考文献：

[1]陆文龙. 汽车传动带发展与应用[J]. 中国橡胶，2010(20):18-21.

[2]Y.Shen,K,Chandrashekhara,W.F.Breig, L.R.Oliver. Finite element analysis of V-ribbed belts using neural network based hyperelastic material model [J]. International Journal of Non-Linear Mechanics, 2005(279):285-308.

[3]李娜，郝广平．一种V带传动当量摩擦系数计算的修正方法[J]．机械工程师，2009(6):47-52．

[4]曹俊卫，曾繁林，秦涛．橡胶V带式无级变速器皮带振动特性[J]．重庆大学学报，2012(6):42-48.

责任编辑：程艳艳

Analysis on Dynamic Simulation for V Belt of Automobile Based on Rigid-flexible Coupling

ZHANG Xuechen1，YU Xuelian1，SHI Yaochen1,2

(1. College of Mechatronical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China；2. College of Machinery and Vehicle Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

Abstract：Automobile V belt is often used in the auxiliary driving system of heavy vehicles due to its advantages of simple structure and unnecessary lubrication. Aiming at the two-wheel driving system of AV10, a rigid-flexible coupling simulation model of V belt and pulley is established by using RecurDyn software, in which the load distribution law and the vibration curve of the neutral point in the belt are obtained through dynamic simulation analysis, and the influencing factors of tension force and rotation speed on the stability of V belt is discussed, providing a digital simulation method for the transmission property analysis of automotive V belt.

Keywords：automobile AV10 belt; load distribution; lateral vibration; transmission stability

中图分类号：TH139

文献标志码：A

文章编号：1009-3907(2016)04-0001-03

作者简介：张学忱(1963-)，女，吉林长春人，教授，博士，主要从事工程图学、机械精密加工技术研究。

基金项目：吉林省质量技术监督局标准化科研专项项目(2015-LY-B-01-L01)

收稿日期：2015-10-28