基于ADAMS的變速箱齒輪的運動學和動力學仿真

王 雁

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

0 引言

齒輪傳動是機械傳動中最重要、應用最廣泛的傳動之一，其中汽車變速箱齒輪在承受載荷和傳動動力的過程中常會遇到變形、振動、噪音、斷裂等情況，而變速箱齒輪的運動平穩性和其運動形式有著直接的關系，因此，有必要對齒輪系統進行運動學和動力學仿真分析，對齒輪系統的可靠性設計、故障診斷具有重要作用[1~3]。

本文采用SolidWorks和ADAMS聯合建立變速箱的齒輪模型，ADAMS是虛擬樣機分析軟件，具有強大的動力學仿真功能，但其幾何建模卻有很多不足之處，有必要利用CAD（SolidWorks等）軟件建模來解決這個問題。利用SolidWorks對齒輪系統進行三維實體建模，將其裝配模型導入到ADAMS軟件中形成虛擬樣機模型，然后對虛擬樣機模型進行運動學和動力學仿真，獲得其轉速特性曲線，為分析齒輪的平穩運動提供參考依據。

1 齒輪系統虛擬樣機模型建立

1.1 齒輪三維實體模型建立

目前流行于工業界的CAD/CAM軟件有很多[4]，如SolidWorks、Pro/E、UG，CATIA，但是基于Windows的SolidWorks充分利用了具有廣泛群眾基礎的Microsoft Windows圖形用戶界面，具有強大的三維機械設計功能。其中靈活的操作方式和面向對象的操作特點，成為新一代的機械設計軟件，它全面采用非全約束的特征建模技術，為設計師提供了極強的設計靈活性。齒輪的一些基本參數（如齒數、模數、壓力角以及齒寬等），如表1所示。

表1 齒輪的幾何參數

根據齒輪設計的指標和參數，在三維軟件SolidWorks里利用拉伸、切除、旋轉等命令進行零件的三維建模，然后進行裝配，如圖1所示。

圖1 齒輪三維裝配模型

1.2 齒輪的虛擬樣機模型建立

齒輪的虛擬樣機模型建立采用ADAMS軟件實現。建立完三維裝配模型導入到ADAMS中，其中ADAMS與SolidWorks共同支持的三種主要圖形交換格式分別是STEP格式、IGES格式和Parasolid格式，在圖形文件交換時采用Parasolid格式可以防止數據丟失，這對仿真結果的正確性和有效性有重要的影響[5]。齒輪三維模型以Parasolid格式導入ADAMS/View后，如圖2所示。

圖2 齒輪系統虛擬樣機模型

齒輪仿真系統建立步驟如下：

1）首先分別在大小齒輪上選擇命名零件名稱，即可以自己定義零件的名稱。

2）添加零件的材料屬性，根據齒輪的材料可選擇鋼；添加重力，為了模擬真實環境。

3）零件之間的添加約束關系（移動副，轉動副，鉸接，球接，固定），如在軸上轉動副。

4）施加齒輪副，在幾何建模工具集，選擇標記工具圖標，設置速度標記，即定義齒輪嚙合點；在齒輪軸上添加驅動力。

5）在調整之前打開ADAMS/View的自檢結果表是非常重要的，可知道模型內零件信息和零件之間的約束關系，檢查所添加的約束關系和自由度是否正確，通過檢驗，該模型具有自由度。

2 齒輪系統運動學和動力學仿真

齒輪虛擬樣機系統在運動過程，按照ADAMS中的運行過程函數所實現的運動，假設系統所要實現的輸出運動為：驅動軸（小齒輪）的角速度40deg/s。齒輪之間傳動比8:5，按照ADAMS的運行過程函數，可以在驅動軸上設置40d*time。

在進行運動學仿真可獲得大小齒輪的角速度，如圖3所示，大小齒輪角速度分別為40（deg/s）和25（deg/s），可以看出與數學計算出的角速度是一致的；再進行動力學仿真可獲得大小齒輪與軸之間的作用力，如圖4所示，分別為24.6N和8.5N。

圖3 齒輪角速度對比曲線

圖4 大小齒輪與軸之間作用力曲線

3 結論

變速箱齒輪系統的運動學和動力學仿真，對齒輪系統的可靠性設計、故障診斷具有重要作用。通過仿真曲線結果可以獲得齒輪的角速度和驅動力的大小，對改善機械傳動系統動力學性能和關鍵零部件設計起到重要指導作用，同時為變速箱齒輪動態特性優化設計提供理論指導，也為進一步的產品優化設計提供依據。