基于ADAMS的變速箱齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真

王 雁

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要、應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)之一，其中汽車變速箱齒輪在承受載荷和傳動(dòng)動(dòng)力的過(guò)程中常會(huì)遇到變形、振動(dòng)、噪音、斷裂等情況，而變速箱齒輪的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和其運(yùn)動(dòng)形式有著直接的關(guān)系，因此，有必要對(duì)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)齒輪系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、故障診斷具有重要作用[1~3]。

本文采用SolidWorks和ADAMS聯(lián)合建立變速箱的齒輪模型，ADAMS是虛擬樣機(jī)分析軟件，具有強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。利用SolidWorks對(duì)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行三維實(shí)體建模，將其裝配模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中形成虛擬樣機(jī)模型，然后對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，獲得其轉(zhuǎn)速特性曲線，為分析齒輪的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)提供參考依據(jù)。

1 齒輪系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型建立

1.1 齒輪三維實(shí)體模型建立

目前流行于工業(yè)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(chǔ)的Microsoft Windows圖形用戶界面，具有強(qiáng)大的三維機(jī)械設(shè)計(jì)功能。其中靈活的操作方式和面向?qū)ο蟮牟僮魈攸c(diǎn)，成為新一代的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，它全面采用非全約束的特征建模技術(shù)，為設(shè)計(jì)師提供了極強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性。齒輪的一些基本參數(shù)（如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角以及齒寬等），如表1所示。

表1 齒輪的幾何參數(shù)

根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)的指標(biāo)和參數(shù)，在三維軟件SolidWorks里利用拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)等命令進(jìn)行零件的三維建模，然后進(jìn)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(jī)模型建立

齒輪的虛擬樣機(jī)模型建立采用ADAMS軟件實(shí)現(xiàn)。建立完三維裝配模型導(dǎo)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(shí)采用Parasolid格式可以防止數(shù)據(jù)丟失，這對(duì)仿真結(jié)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(dǎo)入ADAMS/View后，如圖2所示。

圖2 齒輪系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

齒輪仿真系統(tǒng)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(jù)齒輪的材料可選擇鋼；添加重力，為了模擬真實(shí)環(huán)境。

3）零件之間的添加約束關(guān)系（移動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副，鉸接，球接，固定），如在軸上轉(zhuǎn)動(dòng)副。

4）施加齒輪副，在幾何建模工具集，選擇標(biāo)記工具圖標(biāo)，設(shè)置速度標(biāo)記，即定義齒輪嚙合點(diǎn)；在齒輪軸上添加驅(qū)動(dòng)力。

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

2 齒輪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真

齒輪虛擬樣機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程，按照ADAMS中的運(yùn)行過(guò)程函數(shù)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，假設(shè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的輸出運(yùn)動(dòng)為：驅(qū)動(dòng)軸（小齒輪）的角速度40deg/s。齒輪之間傳動(dòng)比8:5，按照ADAMS的運(yùn)行過(guò)程函數(shù)，可以在驅(qū)動(dòng)軸上設(shè)置40d*time。

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)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(shù)學(xué)計(jì)算出的角速度是一致的；再進(jìn)行動(dòng)力學(xué)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(duì)比曲線

圖4 大小齒輪與軸之間作用力曲線

3 結(jié)論

變速箱齒輪系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)齒輪系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、故障診斷具有重要作用。通過(guò)仿真曲線結(jié)果可以獲得齒輪的角速度和驅(qū)動(dòng)力的大小，對(duì)改善機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能和關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)起到重要指導(dǎo)作用，同時(shí)為變速箱齒輪動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，也為進(jìn)一步的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。