2024年4月16日发(作者：牟靓影)
基于有限元法的链板结构设计研究
黄天成;王宏丽;郑强元;袁新梅
【摘 要】@@%为了研究滚子链链板“8”字型结构的合理性,本文在ISO 08B型
链条链板结构形式基础上对链板选择了5种不同的结构形式,并进行了有限元分析.
通过有限元分析发现上下链板孔附近半“8”字型区域应力较大,而其它区域应力相
对较小,综合考虑减小链条的单位长度质量、降低链板用材量、提高链条运行平稳
性及降低链条运行的噪音等因素后,得出“8”字型结构是链板最佳结构形式,为链
板结构设计提供了理论依据.
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2012(034)016
【总页数】3页(P110-112)
【关键词】滚子链;链板;结构设计;有限元法
【作 者】黄天成;王宏丽;郑强元;袁新梅
【作者单位】长江大学机械工程学院,荆州434023;荆州四机赛瓦石油钻采设备有
限公司,荆州434024;长江大学机械工程学院,荆州434023;长江大学机械工程学院,
荆州434023
【正文语种】中 文
【中图分类】TH122
0 引言
链板作为滚子链中的主要零部件，它的工作性能好坏对滚子链的工作寿命及整个链
传动的可靠性具有重要意义。为了提高链传动的耐磨性、可靠性和链条的使用寿命，
很多学者围绕滚子链开展了很多相关的研究工作，主要是在现有链条的结构形式基
础上，验证内外链板及其它零部件的结构强度及疲劳特性，但对滚子链内外链板结
构形式设计的理论依据研究内容较少。为了验证现有滚子链链板“8”字型结构的
合理性，本文通过改变链板外形结构形式及几何尺寸，结合有限元分析方法对其进
行了有限元分析模拟，给链板结构形式设计提供了理论支撑。
1 链条力学分析
1.1 受力分析
滚子链传动过程中链条的紧边张力F主要由有效圆周力F1、离心力引起的张力Fc、
松边垂度引起的张力Ff及链条运动过程中的动载荷（动载荷主要包括紧边产生的
附加力△F1和从动轮产生的附加力△F2）组成[1]。各力的计算方法如式（1）-式
（5）所示。
式中：P—链传动传递功率，kW；v—链条紧边运行速度，m/s；q—单位长度链
条质量，kg/m；Kf—链条的垂度系数；l—链轮中心距，m；g—重力加速度，
m/s2；amax—链条水平加速度最大值，m/s2；R1—主动轮半径，m；R2—从
动轮半径，m；ω1—主动轮加速度，rad/s；z1—主动轮齿数；z2—从动轮齿数；
J—从动轮转动惯量，kg ·m2；ε2—从动轮角加速度，rad/s2。
1.2 计算结果
本文以某型号摩托车使用的ISO 08B型链条内链板为例进行分析研究，该链条部
分尺寸参数[2]如表1所示。该摩托车传动功率为7.1kW，链条运动速度为
2.75m/s。根据链传动工作情况及各零部件的几何尺寸将链条受力最大的工况代入
各计算公式，得到链条运动过程中其紧边受到的张力F最大值为2860.3N。
表1 滚子链尺寸参数ISO链号质量/kg·m-1 08B 12.7 11.3 7.75 4.45 11.81 0.60
节距/mm内链节外宽/mm内链节内宽/mm销轴直径/mm内链板高度/ mm
2 有限元分析方案及模型建立
2.1 有限元分析方案
在ISO 08B型链条链板的结构和外形尺寸基础上，对链板选用5种不同结构及尺
寸进行有限元分析研究。在这5种方案中，链板的长宽比均与ISO 08B型链条链
板的长宽比相同为一定值。5种方案的链板结构形式如图1所示。
图1 各方案链板示意图(a)方案一：缩放比为3：1；(b)方案二：缩放比为2：1；
(c)方案三：缩放比为1：1；(d)方案四：缩放比为1：1，链板两端为圆角；(e)方
案五：ISO 08B链条链板标准结构形式
2.2 有限元模型建立
国内摩托车链板常用材料为45Mn，屈服极限为375MPa，弹性模量为210GPa，
泊松比为0.3。
根据摩托车链条链板的几何结构及工作过程中的受载情况，取链板结构的1/4创
建几何模型，网格划分时选用20节点SOLID186单元，选择手动控制网格尺寸及
体扫略的方式进行网格划分。
2.3 约束及载荷
根据链板有限元模型的简化原则，对链板两对称面进行对称约束即可。
根据链条链板与销轴接触的接触关系可知链板孔的载荷分布与其它孔径接触的载荷
分布情况类似。链板孔合理的面力分布规律与参考文献[3～6]相同，根据链板孔径
载荷分布规律可得链板孔径上的载荷分布函数为：
式中：QC为链板孔径上的总载荷，单个链板上的载荷QC为链条紧边拉力F的一
半；R为链板孔半径；l为链板孔轴向长度，取值范围为-L～L之间，L为链板厚度
的一半；θ为链板孔载荷作用的角度范围，取值范围为-60°～60°之间。
将链板的结构尺寸及载荷数据代入式（6）得到链板孔径上的受力分布函数，再根
据分布函数进行加载，计算各方案的应力应变情况。
3 有限元分析结果
由有限元软件分析计算可得出链板5种不同方案的计算结果，各方案中链板节点
应力云图如图2所示，各方案中链板最大等效应力及最大位移结果如表2所示。
图2 各方案节点应力云图
由图2可以看出，5种方案中链板最大等效应力均位于链板孔内侧，由各方案链板
的应力云图可以看出，上下链板孔附近半“8”字型区域应力较大，而上下链板孔
半“8”字型区域以外位置应力相对较小。
表2 各方案有限元计算结果方案 最大等效应力/MPa 最大位移/mm方案一
284.47 0.00494方案二 282.33 0.00528方案三 325.34 0.00841方案四 336.05
0.00856方案五 363.23 0.00956
由表2可以看出，5种方案中链板承受的最大等效应力值均小于所用材料的屈服极
限，表明应力状况均满足设计要求；其中方案一和方案二中链板最大等效应力分别
为284.47MPa和282.33MPa，方案三中链板最大等效应力为325.34MPa，方案
一及方案二链板外形尺寸分别为方案三的2倍及3倍，但应力仅减小了12.6%及
13.2%，表明仅通过增大链板外形尺寸的方法改善链板应力状况并不合适。
由图2可以看出，方案三、方案四及方案五的应力分布情况大致相同，它们的最
大等效应力值分别为 325.34MPa、336.05MPa及 363.23MPa，其中方案三及方
案四最大等效应力相差较小，方案五的最大等效应力相对于方案三及方案四增大了
10.4%及7.5%，但其最大等效应力小于链板所用材料的屈服极限，满足设计要求，
所以在综合考虑减小链条的单位长度质量、降低链板用材量、提高链条运行平稳性
及降低链条运行的噪音等因素后，选择方案五即两端为圆角的“8”字型结构是链
板最佳结构形式。
4 结论
1）通过有限元分析发现链板工作过程中上下链板孔附近半“8”字型区域内应力
较大，而其它区域应力相对较小，为链板设计成“8”字型结构提供了一定的理论
依据。
2）链板外形几何尺寸的大小对链板最大等效应力有一定的影响，但其最大等效应
力变化率相对于外形尺寸变化量而言变化较小，表明仅通过改变链板外形几何尺寸
的方法改善链板应力状况并不合适。
3）在综合考虑减小链条的单位长度质量、降低链板用材量、提高链条运行平稳性
及降低链条运行的噪音等因素后，两端为圆角的“8”字型结构是链板最佳结构形
式。
4）当链板长宽与ISO 08B型链条链板长宽相同时，链板外形轮廓形状对其应力分
布情况影响不大，但对最大等效应力有一定影响，所以可在链板“8”字型结构基
础上进一步研究其轮廓形状及几何尺寸对其最大等效应力的影响。
参考文献：
[1] 沈昱,安琦,孙林,等. 链传动受力分析及计算方法商榷[J]. 机械科学与技
术,2002,21(2)： 220-222.
[2] 成大先. 机械设计手册(第五版) [M]. 北京： 化学工业出版社,2011.
[3] 复旦大学数学系. 有限元素法选讲[M]. 北京： 科学出版社,1976.
[4] 周思柱,陶伦绪,党建国. 石油机械连杆类零件的三维有限元分析[J]. 石油机
械,1994,22(10)： 1-7.
[5] 鱼春燕. SL4105Z型柴油机曲轴有限元分析及优化设计[J]. 拖拉机与农用运输
车,2005,32(1)： 37-40.
[6] 黄天成,袁新梅,周思柱,等. 柱塞泵十字头有限元疲劳强度分析[J]. 煤矿机
械,2009,30(2)： 98-100.
2024年4月16日发(作者：牟靓影)
基于有限元法的链板结构设计研究
黄天成;王宏丽;郑强元;袁新梅
【摘 要】@@%为了研究滚子链链板“8”字型结构的合理性,本文在ISO 08B型
链条链板结构形式基础上对链板选择了5种不同的结构形式,并进行了有限元分析.
通过有限元分析发现上下链板孔附近半“8”字型区域应力较大,而其它区域应力相
对较小,综合考虑减小链条的单位长度质量、降低链板用材量、提高链条运行平稳
性及降低链条运行的噪音等因素后,得出“8”字型结构是链板最佳结构形式,为链
板结构设计提供了理论依据.
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2012(034)016
【总页数】3页(P110-112)
【关键词】滚子链;链板;结构设计;有限元法
【作 者】黄天成;王宏丽;郑强元;袁新梅
【作者单位】长江大学机械工程学院,荆州434023;荆州四机赛瓦石油钻采设备有
限公司,荆州434024;长江大学机械工程学院,荆州434023;长江大学机械工程学院,
荆州434023
【正文语种】中 文
【中图分类】TH122
0 引言
链板作为滚子链中的主要零部件，它的工作性能好坏对滚子链的工作寿命及整个链
传动的可靠性具有重要意义。为了提高链传动的耐磨性、可靠性和链条的使用寿命，
很多学者围绕滚子链开展了很多相关的研究工作，主要是在现有链条的结构形式基
础上，验证内外链板及其它零部件的结构强度及疲劳特性，但对滚子链内外链板结
构形式设计的理论依据研究内容较少。为了验证现有滚子链链板“8”字型结构的
合理性，本文通过改变链板外形结构形式及几何尺寸，结合有限元分析方法对其进
行了有限元分析模拟，给链板结构形式设计提供了理论支撑。
1 链条力学分析
1.1 受力分析
滚子链传动过程中链条的紧边张力F主要由有效圆周力F1、离心力引起的张力Fc、
松边垂度引起的张力Ff及链条运动过程中的动载荷（动载荷主要包括紧边产生的
附加力△F1和从动轮产生的附加力△F2）组成[1]。各力的计算方法如式（1）-式
（5）所示。
式中：P—链传动传递功率，kW；v—链条紧边运行速度，m/s；q—单位长度链
条质量，kg/m；Kf—链条的垂度系数；l—链轮中心距，m；g—重力加速度，
m/s2；amax—链条水平加速度最大值，m/s2；R1—主动轮半径，m；R2—从
动轮半径，m；ω1—主动轮加速度，rad/s；z1—主动轮齿数；z2—从动轮齿数；
J—从动轮转动惯量，kg ·m2；ε2—从动轮角加速度，rad/s2。
1.2 计算结果
本文以某型号摩托车使用的ISO 08B型链条内链板为例进行分析研究，该链条部
分尺寸参数[2]如表1所示。该摩托车传动功率为7.1kW，链条运动速度为
2.75m/s。根据链传动工作情况及各零部件的几何尺寸将链条受力最大的工况代入
各计算公式，得到链条运动过程中其紧边受到的张力F最大值为2860.3N。
表1 滚子链尺寸参数ISO链号质量/kg·m-1 08B 12.7 11.3 7.75 4.45 11.81 0.60
节距/mm内链节外宽/mm内链节内宽/mm销轴直径/mm内链板高度/ mm
2 有限元分析方案及模型建立
2.1 有限元分析方案
在ISO 08B型链条链板的结构和外形尺寸基础上，对链板选用5种不同结构及尺
寸进行有限元分析研究。在这5种方案中，链板的长宽比均与ISO 08B型链条链
板的长宽比相同为一定值。5种方案的链板结构形式如图1所示。
图1 各方案链板示意图(a)方案一：缩放比为3：1；(b)方案二：缩放比为2：1；
(c)方案三：缩放比为1：1；(d)方案四：缩放比为1：1，链板两端为圆角；(e)方
案五：ISO 08B链条链板标准结构形式
2.2 有限元模型建立
国内摩托车链板常用材料为45Mn，屈服极限为375MPa，弹性模量为210GPa，
泊松比为0.3。
根据摩托车链条链板的几何结构及工作过程中的受载情况，取链板结构的1/4创
建几何模型，网格划分时选用20节点SOLID186单元，选择手动控制网格尺寸及
体扫略的方式进行网格划分。
2.3 约束及载荷
根据链板有限元模型的简化原则，对链板两对称面进行对称约束即可。
根据链条链板与销轴接触的接触关系可知链板孔的载荷分布与其它孔径接触的载荷
分布情况类似。链板孔合理的面力分布规律与参考文献[3～6]相同，根据链板孔径
载荷分布规律可得链板孔径上的载荷分布函数为：
式中：QC为链板孔径上的总载荷，单个链板上的载荷QC为链条紧边拉力F的一
半；R为链板孔半径；l为链板孔轴向长度，取值范围为-L～L之间，L为链板厚度
的一半；θ为链板孔载荷作用的角度范围，取值范围为-60°～60°之间。
将链板的结构尺寸及载荷数据代入式（6）得到链板孔径上的受力分布函数，再根
据分布函数进行加载，计算各方案的应力应变情况。
3 有限元分析结果
由有限元软件分析计算可得出链板5种不同方案的计算结果，各方案中链板节点
应力云图如图2所示，各方案中链板最大等效应力及最大位移结果如表2所示。
图2 各方案节点应力云图
由图2可以看出，5种方案中链板最大等效应力均位于链板孔内侧，由各方案链板
的应力云图可以看出，上下链板孔附近半“8”字型区域应力较大，而上下链板孔
半“8”字型区域以外位置应力相对较小。
表2 各方案有限元计算结果方案 最大等效应力/MPa 最大位移/mm方案一
284.47 0.00494方案二 282.33 0.00528方案三 325.34 0.00841方案四 336.05
0.00856方案五 363.23 0.00956
由表2可以看出，5种方案中链板承受的最大等效应力值均小于所用材料的屈服极
限，表明应力状况均满足设计要求；其中方案一和方案二中链板最大等效应力分别
为284.47MPa和282.33MPa，方案三中链板最大等效应力为325.34MPa，方案
一及方案二链板外形尺寸分别为方案三的2倍及3倍，但应力仅减小了12.6%及
13.2%，表明仅通过增大链板外形尺寸的方法改善链板应力状况并不合适。
由图2可以看出，方案三、方案四及方案五的应力分布情况大致相同，它们的最
大等效应力值分别为 325.34MPa、336.05MPa及 363.23MPa，其中方案三及方
案四最大等效应力相差较小，方案五的最大等效应力相对于方案三及方案四增大了
10.4%及7.5%，但其最大等效应力小于链板所用材料的屈服极限，满足设计要求，
所以在综合考虑减小链条的单位长度质量、降低链板用材量、提高链条运行平稳性
及降低链条运行的噪音等因素后，选择方案五即两端为圆角的“8”字型结构是链
板最佳结构形式。
4 结论
1）通过有限元分析发现链板工作过程中上下链板孔附近半“8”字型区域内应力
较大，而其它区域应力相对较小，为链板设计成“8”字型结构提供了一定的理论
依据。
2）链板外形几何尺寸的大小对链板最大等效应力有一定的影响，但其最大等效应
力变化率相对于外形尺寸变化量而言变化较小，表明仅通过改变链板外形几何尺寸
的方法改善链板应力状况并不合适。
3）在综合考虑减小链条的单位长度质量、降低链板用材量、提高链条运行平稳性
及降低链条运行的噪音等因素后，两端为圆角的“8”字型结构是链板最佳结构形
式。
4）当链板长宽与ISO 08B型链条链板长宽相同时，链板外形轮廓形状对其应力分
布情况影响不大，但对最大等效应力有一定影响，所以可在链板“8”字型结构基
础上进一步研究其轮廓形状及几何尺寸对其最大等效应力的影响。
参考文献：
[1] 沈昱,安琦,孙林,等. 链传动受力分析及计算方法商榷[J]. 机械科学与技
术,2002,21(2)： 220-222.
[2] 成大先. 机械设计手册(第五版) [M]. 北京： 化学工业出版社,2011.
[3] 复旦大学数学系. 有限元素法选讲[M]. 北京： 科学出版社,1976.
[4] 周思柱,陶伦绪,党建国. 石油机械连杆类零件的三维有限元分析[J]. 石油机
械,1994,22(10)： 1-7.
[5] 鱼春燕. SL4105Z型柴油机曲轴有限元分析及优化设计[J]. 拖拉机与农用运输
车,2005,32(1)： 37-40.
[6] 黄天成,袁新梅,周思柱,等. 柱塞泵十字头有限元疲劳强度分析[J]. 煤矿机
械,2009,30(2)： 98-100.