胡心宽
上海迅赞供应链科技有限公司，上海市 201800
摘要：本文建立了链轮链条举升机构三维模型，并对该模型中链条选型及链节数进行计算及强度校核，同时为保证整体举升机构同步性而采用了胀紧套及前末端的柔性连接，计算得出胀紧套的下压力及扭矩值，为举升机构设计提供有力的理论支撑。
关键词：链轮链条；选型计算；强度校核；同步性
Study on calculation and synchronization of chain lifting mechanism
Hu Xinkuan
(Shanghai Xunzan Supply Chain Technology Co., Ltd, Shanghai 201800)
Abstract: This paper established a three-dimensional model of sprocket chain lifting mechanism and the chain selection and the number of chain links in the model are calculated and the strength is checked. At the same time, in order to ensure the synchronization of the whole lifting mechanism, the expansion sleeve and the flexible connection at the front end are used to calculate the downward pressure and torque value of the expansion sleeve, which provides a strong theoretical support for the design of lifting mechanism.
Keywords: Sprocket chain; Type selection calculation; Strength check; Synchronicity
1.引言
链传动是一种具有中间挠性的啮合传动，由轴线平和的主动链轮、从动链轮和链条组成。链传动没有弹性滑动和打滑，能够保持准确的平均传动比和较高的机械效率，同时链传动的初拉力相对带传动对轴的作用力较小。而与齿轮传动相比，链轮与链条是非共轭啮合，对链轮加工及安装精度要求较低[1]。目前机械行业使用的大多是滚子链，实际应用中对滚子链长度的计算与装配工艺都有一定要求，并且链轮传动与滚珠丝杆的组合使用，可以实现举升机构的功能。本文即对链条长度的设计过程及与滚珠丝杆组合实现举升功能后的同步性进行研究，为链轮传动及举升机构同步性研究提供了理论支撑。
2.链轮链条举升机构模型
2.1模型说明
本文的链轮链条举升机构结构图(图1)，图中将链轮及滚珠丝杆的支撑板均忽略不作研究，对张紧堕轮及动力输入器件也不作探讨。重点对链轮链条的选型及长度计算以及举升同步性进行研究。
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2.2 滚子链选型说明
滚子链有三个重要尺寸（如图2），即节距P、滚子链直径d1和内链节链内宽b1。滚子链初始使用工况条件为：水平传动、传动比i=1、主动机及从动机运转平稳、传动功率P=0.4 KW、主动轴转速V=0.1m/s、链轮齿数选定为Z1=9。
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图2 单排滚子链结构
（1）链轮选型
设计功率计算公式：pd=kmf1f2p=0.4kw；其中工况系数f1=1；主动链轮齿数系数f2=1;复排链排数系数Km=1。
如图3根据主动链轮转速及单排链额定功率曲线图，得出链轮转速及功率的交点所在区域，从而将链条型号选择为10A。
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（2）链轮中心距计算
考虑到链传动过程若中心距a过小，链条在链轮上的包角也会相应减小，同时啮合的齿数减小，链节及铰链受力增大，加剧链条的磨损。若中心距过大，链条松边的垂度会增大，容易产生抖动，在实际运行中会产生较大噪音等。应此在设计时，一般选取a0=(30-50)P[2]。
链长节数X0
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2.3 滚子链链轮选型计算
（1）尺寸计算
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（2）链轮材质选择及热处理
链轮的材质一般的工况常用45号钢或40Cr，热处理通常经过调质和表面淬火就可以了。调质工件轮廓在100mm以下的235-275HB，100mm以上的225-255HB。表面淬火要标明淬火位置，淬火深度等。
3.计算机辅助设计说明
根据以上链条及链轮的理论计算可以在计算机辅助设计软件中建立相关三维模型，本文模型是通过Solidworks三维软件建立的3D模型，以及通过软件里相关特征步骤的操作实现整个模型结构的创建。如下图5即链轮辅助设计中麦迪插件的运用，可以实现对链轮及链条的交互计算及模型自动生成，由于相关设计流程的模块化可以简化中间的计算过程和提高建模速度及准确性。
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通过理论计算数据结合3D设计软件对链条进行链阵列的运用，可以对计算结果进一步进行验证。如图6得到链条阵列数量为70节，并核查首尾两只滚子链中心距比正常节距P小了。这样的设计可以保证链轮在实际安装过程中会比较轻松，整根链条不会因张的特别紧而导致安装困难，轻微的松弛可以通过张紧轮进行张紧，甚至可以不用作张紧处理也不会有太大问题。本文中的链轮传动用来实现对滚珠丝杆的举升动作，对链条布置四边形中最长边通过惰轮对其进行张紧，可以规避链条来料累计误差导致链条总长度的改变或安装累计误差从而导致的链条松动的问题。
4、滚珠丝杆同步性研究
4.1 滚珠丝杆的安装要求及失效形式
本文中所运用的滚珠丝杆副正确安装后所承受的主要是轴向载荷。安装时，要保证螺母座的孔与工作螺母之间的良好配合，并保证孔与端面的垂直度等。并根据载荷的大小和方向选择了角接触轴承。另外因丝杆长度较短，采用了单支撑结构。因滚珠丝杆对平面度及垂直度加工精度要求较高，通常会配合直线导轨进行使用。本文中因机构布置空间有限，且如果直接使用直线导轨后会进一步提高对加工精度及安装精度的要求。故本文中的机构会采用另外一种方式保证滚珠丝杆副的安装要求。
滚珠丝杆失效因素包括滚珠丝杆加工精度如丝杠滚道部分与轴端的同轴度，丝杆滚道硬度、钢球硬度、丝母硬度等，以及钢球的材质或滚道混入杂质都有可能导致丝杆失效，具体失效具象可以是螺母反相器脱出、钢球脱落，螺母卡死等现象。对失效的丝杆进行剖析，较大一部分因素是滚道受到一定的径向力导致轨道出现划痕或凹印，导致滚珠在回珠器内卡死最终导致卡死和密封圈被顶出及钢珠散落的现象。
滚道表面损伤是因其滚道内的部分钢球破损，钢球的运动受阻，致使螺母的滚道摩擦面受力不均匀，滚道局部摩擦生热，材料发生“焊合”[4]，进而使滚道接触面擦伤而变粗糙，滚珠丝杆副也因此疲劳失效。
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4.2 影响滚珠丝杆同步性因素及具体方案
本文中，影响滚珠丝杆同步性的因素主要包括加工件的平面度及垂直度、滚珠丝杆本身的加工精度和零件质量及链轮传动一致性这三个主要方面。其中第一个和第二个因素都需要供应商的资质、品控保证及来料检验控制，第三个因素是本文重点研究对象，也是设计过程中可以控制的一个因素。
对于如何控制链轮传动的一致性，从机械结构方面可以通过分段柔性连接来实现。如图8所示，滚珠丝杆末端在丝杆底座处与底盘间隙配合固定，中间位置丝母H7公差精度轴孔配合，顶端采用了两组胀紧套固定具备一定的调节柔性。使得三根滚珠丝杆在安装时不会对加工精度或装配工艺要求过于严苛，同时在安装三根滚珠丝杆确定初始基准面时消除了链轮传动机构对其造成“憋劲”的影响。从而保证了整个滚珠丝杆举升机构的同步性要求。
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（1）胀紧套选型及校核
本文中滚珠丝杆最顶端外径Φ22mm，链轮内孔尺寸为Φ18mm。选取型号为Φ18*Φ22规格的Z1型胀紧套。该胀紧套材质为45#，强度及稳定性较好，在锁紧过程中没有轴向移动。靠摩擦传动，对被联结件没有键槽削弱，对传动过程中不会产生磨损。
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（2）胀紧套校核
单根滚珠丝杆与链轮连接使用了2组Z1型胀紧套，其下压力为2倍传递的轴向力即F=7.06 KN。已知举升机构的举升载荷F1=10 KN，单根滚珠丝杆受到载荷F2=3.33 KN。F为F2的2倍多，故该2组Z1型胀紧套满足需求。
胀紧套压块需要使用螺栓对其进行压紧，如12.9级M5内六角螺钉的保证载荷为13.8 KN,压块圆周再加上4只均布的M4螺栓保证受力均匀，即螺栓提供给胀紧套下压力满足需求。
结论
本文先对链条及链轮进行了传统理论计算，再运用计算机辅助设计建立了链轮传动模型。现如今机械设计大多数传统标准件都已经模块化到计算机辅助设计软件里，并且在设计软件内可以加载插件完成选型及力学校核，甚至可以直接导出三维模型，只需要在设计软件里加以装配即可。同时对链轮传动应用在滚珠丝杆举升机构中同步性进行了方案验证。这些对链轮传动设计及滚珠丝杆举升机构同步性研究提供了一定方法和借鉴。
参考文献
[1]常德功. 带传动和链传动设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2001.
[2]机械设计手册编委会. 机械设计手册单行本[M]. 北京: 机械工业出版社. 2007.
[3]张继东. 机械设计常用公式速查手册[M]. 北京: 机械工业出版社. 2007.
[4]王影. 滚珠丝杆传动系统的典型失效分析[J].精密制造与自动化，2008, 4:29-34.
胡心宽（1989.01）男，安徽池州，机械工程师，本科学士学位，智能机器人