基于ADAMS的微型RV減速器虛擬樣機仿真技術研究

鄭彥博，謝彪，王紅霞，李杰，楊屏

1.黔南民族職業技術學院 貴州都勻 558000

2.貴州航天朝陽科技有限責任公司 貴州遵義 563100

1 序言

RV傳動是在傳統擺線針輪行星傳動的基礎上發展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且具有體積小、質量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩定、效率高和傳動平穩等一系列優點，日益受到國內外的廣泛關注。

2 微型RV減速器仿真模型的建立

2.1 裝配圖

微型RV減速器裝配示意如圖1所示，其中擺線齒輪7、8分別如圖2、圖3所示，齒輪參數：精度等級5級，齒輪齒數38，偏心距0.5mm，全齒高0.9230mm，短幅系數0.8478，針齒半徑1.5mm，針齒中心圓φ46mm，針齒齒數39，針徑系數1.2338。

圖1 微型RV減速器裝配示意

圖2 擺線齒輪7

圖3 擺線齒輪8

2.2 結構參數

微型RV減速器的總長度為41mm，最大外圓直徑為73mm，其總傳動比i=50，輸入軸轉速n1=2000r/min，輸出盤轉速n2=40r/min，輸出盤轉矩T=7N·m。針齒殼半徑rp=23mm，針齒半徑rrp=15mm，偏心距a=0.5mm，針輪齒數Zp=39，即擺線齒輪齒數Zc=Zp－1=38，漸開線中心輪齒數Z1=39，漸開線行星輪齒數Z2=49，壓力角α=20°，模數m=0.3。

2.3 質量特性參數

微型RV減速器零部件材料特性見表1。考慮到一級小齒輪與輸入軸為一體結構，則大、小齒輪材料均選用0Cr17Ni4Cu4Nb（熱處理、375HBS、6級精度及軟齒面）。為了提高零件承載能力，并使結構緊湊，擺線輪、針齒殼、針齒均選用軸承鋼GCr15，熱處理硬度取58～62HRC。輸出軸材料選用0Cr17Ni4Cu4Nb。

2.4 建立模型

根據RV減速器的傳動原理，利用CREO軟件建立微型RV減速器的三維模型，CREO與ADAMS之間的數據交換是通過MECHANISM/PRO接口模塊實現的，MECHANISM/PRO模塊使兩個軟件實現無縫銜接，將裝配好的微型RV減速器模型調入ADAMS，進行系統的運動學和動力學仿真分析。簡化的微型RV減速器虛擬樣機模型如圖4所示。

圖4 微型RV減速器虛擬樣機模型

3 ADAMS仿真條件設置

3.1 ADAMS工作環境設置

設置模型的重力及方向、工作網格、模型單位及坐標系等工作環境。

1）模型重力及方向：重力方向為大地坐標系Y軸的負方向。

2）工作網格：將工作網格設置為長方形網格，網格范圍為80mm×80mm，網格尺寸為2mm×2mm。

3）模型單位：模型單位選擇MMKS。

4）坐標系：將微型RV減速器裝配體坐標系與ADAMS坐標系設置為重合。

5）參數：按照表1，修改微型RV減速器各零件的質量特性參數。

3.2 ADAMS約束副的設置

運動副主要包括五大部分：一般運動副、虛約束、運動發生器、高副及一般函數約束。在ADAMS仿真軟件中約束副設置如下。

1）創建固定副：針齒殼與大地固結在一起，曲柄軸與漸開線行星輪固結在一起，針齒與針齒殼固結在一起。

2）創建旋轉副：旋轉副只允許兩個物體繞一條共同的軸線旋轉，創建曲柄軸與擺線輪、輸入軸與大地、輸出盤與大地及曲柄軸與輸出盤之間為旋轉副。

3）創建耦合副：在ADAMS仿真軟件中設置漸開線中心輪與漸開線行星輪為耦合副約束。

3.3 ADAMS載荷的設置

利用沖擊函數法計算微型RV減速器漸開線直齒輪傳動中的接觸力。根據赫茲靜力彈性接觸理論得到如下公式：

式中，K是剛度系數（MPa·mm1/2）；R3是外齒輪的節圓半徑（mm）；R4是內齒輪的節圓半徑（mm）；μ1是漸開線中心輪材料的泊松比；μ2是漸開線行星輪材料的泊松比；E1是中心輪材料的彈性模量（MPa）；E2是行星輪材料的彈性模量（MPa）。

計算可得K=8.2×105MPa·mm1/2。接觸力具體參數如圖5所示。

圖5 接觸力參數

3.4 ADAMS驅動的設置

輸入轉速使用階躍函數（step）來定義，轉速在0～2s處于變化階段，在2s后達到2000r/min，相當于12000°/s，并處于穩定階段。輸入轉速的階躍函數表示為“12000d*time*STEP( time , 0 , 0 , 2 ,1 )”，即輸入轉速在2s后達到12000°/s，并保持不變，在0～2s轉速由0變化至12000°/s。

3.5 ADAMS負載轉矩的設置

在輸出軸上施加恒定轉矩7N·m，1.5s后使轉矩在1.5～2s平穩加載，轉矩的階躍函數可表示為“STEP( time , 1.5 , 0 , 2 , 7000 )”，輸出軸的負載轉矩如圖6所示。

圖6 輸出軸的負載轉矩

4 仿真結果分析

取模擬時間為6s，步長為0.05s，通過對微型RV減速器模型進行模擬仿真研究，得到運動學參數和動力學參數曲線圖。

輸入軸和輸出軸質心角速度隨時間變化曲線如圖7所示，可以看出輸出軸和輸入軸轉向相同。由于使用了階躍函數“12000d*time*STEP( time ，0 ， 0 ，2，1 )”來定義減速器的驅動轉速，所以在0～2s，輸入軸和輸出軸的轉速處于變化階段，2s之后，輸入軸轉速為12000°/s，輸出軸轉速約為240°/s，傳動比為50∶1，和實際傳動比相符，證明了虛擬樣機運動關系是正確的。

圖7 輸入軸和輸出軸質心角速度變化曲線

曲柄軸和漸開線行星輪質心角速度隨時間變化曲線如圖8所示，曲柄軸和漸開線行星輪通過花鍵聯接，質心角速度隨時間變化的曲線完全一致。

圖8 曲柄軸和漸開線行星輪質心角速度變化曲線

齒輪在微型RV減速器中起著承受載荷和傳遞動力的作用，齒輪常見的失效形式有輪齒折斷、齒面磨損、齒面點蝕、齒面膠合和塑性變形等，另外曲柄軸也在微型RV減速器中起著重要的作用，因此對曲柄軸和齒輪進行動力學分析。

曲柄軸和漸開線行星輪相互間作用力曲線如圖9所示。在0～1.5s微型RV減速器剛開始起動，曲柄軸和漸開線行星輪相互作用力幾乎為0。在2s之后，轉速達到平穩，曲柄軸和漸開線行星輪出現較小的相互作用力，符合微型RV減速器的實際工作情況。

圖9 曲柄軸和漸開線行星輪相互間作用力曲線

二級齒輪傳動X軸方向作用力與時間曲線如圖10所示，二級齒輪傳動Y軸方向作用力與時間曲線如圖11所示。擺線齒輪7與針齒間作用力和擺線齒輪8與針齒間作用力的方向是相反的，ADAMS動力學仿真結果與理論一致。

圖10 二級齒輪傳動X軸方向作用力曲線

圖11 二級齒輪傳動Y軸方向作用力曲線

5 結束語

1）模型傳動比和實際情況相符合，實際運動方向與理論相符，結構受力合理，傳動特性良好。通過ADAMS虛擬樣機仿真分析，研發效率得到了很大的提高。

2）通過ADAMS虛擬樣機的運動學和動力學分析，得到漸開線行星輪、曲柄軸、輸入軸和輸出軸質心角速度隨時間變化的曲線，以及擺線輪和針齒之間的相互作用力曲線。仿真結果與理論分析一致，表明所建立的虛擬樣機模型是合理的，為相似類型的微型RV減速器提供了參考。