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研究生:戴義興
研究生(外文):Yi-Hsing Tai
論文名稱:皮帶傳動系統之動態力學模擬與分析
論文名稱(外文):Dynamics simulation and analysis of belt drive systems
指導教授:陳任之
指導教授(外文):Yum-Ji Chan
口試委員:吳育仁吳天堯
口試委員(外文):Yu-Ren WuTian-Yau Wu
口試日期:2021-06-07
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2021
畢業學年度:109
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:皮帶力學時規皮帶有限元素法
外文關鍵詞:belt mechanicstiming beltfinite element method
相關次數:
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皮帶為傳動系統中常見的元件,平皮帶是藉由摩擦作用來進行傳動,但接觸面常因過負載或與張力變化而產生打滑。時規皮帶是藉由齒型嚙合來傳動,具備低滑動且傳動效率較佳,故常用於自動化設備或機器手臂。皮帶齒的形狀尺寸複雜,且傳動時的影響因子繁多,如摩擦係數、加減速時間、高負載、加工與組裝精度。因此本研究在相同材料的前提下,變更接觸面的摩擦係數與從動輪的抗力矩,並以動態模擬觀察系統在加減速時的應力分佈與線速度變化。為確認模型的準確性,先藉由摩擦理論與皮帶力學來驗證平皮帶的動態模擬,再以該方法來模擬時規皮帶。由時規皮帶的模擬結果可知,抗力矩相同時,若摩擦係數愈小,則等速段的速差愈小。摩擦係數相同時,若抗力矩愈小,則加速段的速差愈小。時規皮帶的應力和線速度變化與皮帶的節距有關。當從動輪抗力矩與接觸面摩擦係數過大時,時規皮帶鬆緊邊的張力會產生明顯落差,亦會減少主動輪的接觸區域。
Belts are common component in the transmission system. Flat belts are driven by friction, but the contact surface often slips due to overload or changes in tension. Timing belts are driven by tooth-shaped meshing, with low sliding and better transmission efficiency, so they are often used in automation equipment or robotic arms. The shape and size of the belt teeth are complex, and there are many influencing factors during transmission, such as friction coefficient, acceleration and deceleration time, high load, processing and assembly accuracy. Dynamic simulation belt drivers of the same material with different friction coefficients and resistance torque are performed, and the stress distribution and linear velocity changes of the system during acceleration and deceleration are observed. The model is, first verified on flat belt drive by friction theory and belt mechanics, and this method is then use to simulate the timing belt drive. From the simulation results of the timing belt, it can be seen that when the torque is the same, if the friction coefficient is smaller, the speed difference in the constant speed section is smaller. When the friction coefficient is the same, if the resistance torque is smaller, the speed difference in the acceleration stage is smaller. The stress and linear speed of the timing belt are related to the pitch of the belt. When the resistance torque of the driven wheel and the friction coefficient of the contact surface are too large, the tension of the elastic side of the timing belt will produce a significant drop, which will also reduce the contact area of the driving wheel.
誌謝辭 i
摘要 ii
Abstract iii
目次 iv
表目次 vi
圖目次 vii
符號表 xi
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究目標 5
1.4 研究方法 5
1.5 論文架構 5
第二章 皮帶傳動系統簡介與相關理論 6
2.1 皮帶的相關理論 6
2.1.1 摩擦理論與有效張力 6
2.1.2 平皮帶力學 7
2.2 時規皮帶簡介 9
2.3 皮帶與樑的變形 12
2.4 結構分析 13
2.4.1 接觸面模擬方式 14
第三章 平皮帶的動態模擬 16
3.1 模型介紹 16
3.2 張力設定與最高傳動力矩推算 18
3.3 模擬設定 20
3.3.1 二維與三維模型 20
3.3.2 動作時序 20
3.3.3 接觸與網格設定 22
3.3.4 自由度及邊界條件設定 23
3.3.5 求解器設定 25
3.4 模擬結果 27
3.4.1 平皮帶理論之驗證 27
3.4.2 平皮帶可傳動力矩之驗證 37
3.4.3 線速度差異探討 45
第四章 時規皮帶動態模擬 50
4.1 皮帶幾何及材料設定 50
4.2 傳動系統模型與模擬情境 51
4.3 模擬設定 53
4.3.1 接觸與網格設定 53
4.3.2 動作時序與求解器設定 54
4.4 模擬結果 56
4.4.1 情境一(μ=0.6,Mr = 300 N m) 56
4.4.2 情境二(μ=0.1,Mr = 300 N m) 61
4.4.3 情境三(μ=0.6,Mr = 30 N m) 65
第五章 結論與未來展望 72
5.1 結論 72
5.2 未來展望 73
參考文獻 75
附錄一 平皮帶模擬的動作時序 76
附錄二 平皮帶各時段的Time Steps 設定 77
附錄三 修改皮帶輪密度與抗力矩後的時序表 77
附錄四 平皮帶的張力與扭矩推算 78
附錄五 時規皮帶模擬的動作時序 79
[1] 時規皮帶與皮帶輪, 工廠自動化機械標準零件, 台灣三住有限公司, 2008.
[2] 李榮華, 皮帶輪, 機件原理Ⅰ, 龍騰文化事業股份有限公司, 2001.
[3] 李輝煌, ANSYS工程分析, 高立圖書有限公司, 2005.
[4] 褚靜如, 皮帶及滑輪的有限元素模擬, 成功大學機械研究所碩士論文, 2005.
[5] 朱恩毅, V型傳動皮帶之疲勞試驗與應力分析, 成功大學機械研究所碩士論文, 2007.
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[13] Jianhua Guo, Qingxin Meng, Xin Yu, Qingming Hu, Study on Dynamic load characteristics of circular arc tooth synchronous belt based on RecurDyn, International Conference on Mechatronics, Electronic, Industrial and Control Engineering, Shenyang China, April 2015.
[14] Introduction to Contact - ANSYS Mechanical Structural Nonlinearities, 2010.
[15] ANSYS Mechanical APDL Performance Guide - Linear Equation Solver, 2013.
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