基于ADAMS的蜗轮蜗杆传动机构的仿真研究

第6期(总第163期)
2010年12月机械工程与自动化
M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.6Dec.
文章编号:1672-6413(2010)06-0074-02
基于ADA M S 的蜗轮蜗杆传动机构的仿真研究
葛　军,刘英林
(太原理工大学机械工程学院,山西　太原　030024)
摘要:用U G 建立蜗轮蜗杆传动机构的简化模型,将模型导入A DA M S 软件中施加约束进行仿真,分析仿真曲线检验建模的准确性,分析受力为进一步研究做准备。

关键词:A DA M S ;蜗轮蜗杆;仿真
中图分类号:T H 132.44∶T P 391.9 文献标识码:A
收稿日期:2010-04-22;修回日期:2010-08-11
作者简介:葛军(1984-),男,山西阳泉人,在读硕士研究生,研究方向为机械设计与理论。

0　引言
蜗轮蜗杆传动机构是用来传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力的,由于它具有传递比大、运动平稳、结构尺寸紧凑等优点,在各类机床、冶金、矿山及起重设备等的传递系统中得到了广泛的应用。

目前我国对蜗轮蜗杆机构的开发与研制一直由传统的“设计—试制—试验—改进”模式占主导,这种基于物理样机的设计研发模式具有工作量大、周期长、费用高、精度低的致命缺点,使得产品难以适应快速变化的市场需求。

采用虚拟样机对产品进行创新设计、测试和评估,可以缩短周期、降低成本、改进质量,提高企业面向客户与市场需求的能力,并加快新技术向新产品的转化。

本文通过虚拟样机技术在计算机上建立蜗轮蜗杆的简化模型,导入ADAMS 进行动力学仿真,得出所需的力学曲线,进而为模型的优化设计提供理论依据。

1　虚拟样机模型的建立
1.1　三维模型的建立及导入
鉴于整体模型比较复杂,根据仿真的需要,将蜗杆减速器的外壳、联接螺栓等固定构件等简化为大地模型,简化后的蜗杆传动模型只包括蜗杆、蜗轮。

为了在ADAMS 中建立蜗杆传动刚体模型,本文采用模型引入的方式。

将事先在U G 中建立的蜗杆传动装配模型以parasolid 格式导出,导入到ADAM S 软件中。

蜗杆传动机构三维模型如图1所示。

1.2　虚拟样机模型的建立
首先设定蜗轮材料为ZCU SN 10P 1,质量为13.05kg ,蜗杆材料为45钢,质量为17.26kg 。

然后根据蜗杆传动的运动规律添加如下约束:蜗杆轴承与大地之间添加固定约束,蜗杆轴承与蜗杆之间添加旋转副,蜗轮与输出轴之间添加固定约束,输出轴与蜗
轮轴承之间添加旋转副,蜗轮轴承与大地之间添加固定约束。

最后在蜗杆与蜗轮之间添加接触力(Solid to Solid Contact ),这是一种基于力的接触模型,如图2所示。

图1　蜗杆传动机构三维模型
图2　蜗杆传动机构虚拟样机模型
2　仿真结果分析2.1　仿真设置
根据ADAMS 中提供的已有单位,将整个系统单位设置为M KS,即设定系统单位为Length:m;M ass:kg;Fo rce:N ;T im e:s;Ang le:Degr ee;Frequency :Hertz 。

求解器选用GST IFF 的I3格式,并将Erro r 改为0.1,能够满足系统要求。

蜗杆的转速为350r /min,蜗轮的最大扭矩为100N ・m 。

给蜗杆施加一个固定转速的驱动,速度是
2100(o
)/s;再给蜗轮输出轴添加一个反方向的转矩,大小为100N ・m 。

ADAM S 为接触作用的仿真提供了极大的方便,通过修改接触副中接触刚度及其非线性指数、阻尼系数、最大阻尼时的击穿深度、接触面静态及动态摩擦系数,接触作用形式可以仿真至相当高的程度。

2.2　仿真结果
仿真结束后进入Po stPr ocessor 后处理模块查看所需的结果曲线。

2.2.1　输入输出轴转速分析
定义蜗杆输入转速n 输入=350r /min=2100(o
)/s,蜗杆头数z 1=3,蜗轮齿数z 2=35,按照此传动关系进行系统仿真验证。

蜗轮输出轴转速n 输出=30r/m in=180(o )/s 。

蜗杆传动仿真后,得到的蜗杆输入角速度和蜗轮输出角速度的特征曲线见图3。

图3　蜗杆输入角速度和蜗轮输出角速度的特征曲线
由图3可以看出,蜗杆传动启动时从静止到转动的瞬间,动力学变化较大,因而蜗轮在0s ～0.1s 之间的角速度有一个明显的加速阶段,而在0.1s 之后转速
达到额定值,基本保持转速在180(o
)/s 。

蜗杆仿真模型中蜗杆输入轴、蜗轮输出轴之间的转速及传动比关系符合设计要求及理论分析结果。

2.2.2　蜗杆受力分析
在ADAMS/PostProcessor 模块中分析蜗杆受力的特征曲线。

蜗杆x 轴(与蜗杆轴平行)的受力曲线见图4。

图4　蜗杆x 轴的受力曲线
蜗杆x 轴与蜗轮相切,为驱动蜗轮转动提供主要动力。

在推动蜗轮由静止到转动的瞬间,特别在0s 时刻,蜗杆x 轴方向的受力达到最大,经测量为29000N 。

在0s ～0.1s 时间段,蜗杆x 方向受力呈线性下降,在0.1s 达到最小,此后基本保持在7500N 。

3　结论
本文运用三维软件UG 建立了蜗杆传动机构的实体简化模型,运用ADA MS 仿真分析软件对蜗杆传动机构进行分析,通过输入主动件初始运动条件,计算机可自动进行分析,绘出各组成构件的位移、速度、加速度运动曲线。

这就省略了理论分析方法一步步繁琐的数学公式推导及求导过程,并且分析结果为可视化的图表,直观且清晰。

通过将模拟值与实测值的比较,证明了这一计算方法的正确性与可行性。

参考文献:
[1]　李增刚.A DA M S 入门详解与实例[M ].北京:国防工业
出版社,2007.
[2]　谭加才,朱理.基于Pr o/E 的蜗杆蜗轮参数化造型及运动
仿真[J ].设计与研究,2005(5):41-42.
[3]　王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及其在A DA M S
上的实践[M ].西安:西北工业大学出版社.2002.
[4]　郑建荣.A DA M S 虚拟样机技术入门与提高[M ].北京:
机械工业出版社.2002.
[5]　李军.AD AM S 实例教程[M ].北京:北京理工大学出版
社,2002.
Simulation of Worm and Worm Gear Based on ADAMS
GE Jun ,LIU Ying -lin
(College of M ech anical E ngineering ,T aiyuan Un ivers ity of T echnology ,T aiyu an 030024,China )
Abstract :T his paper sets up a simplified 3-dimensional solid m odel of wo rm and w or m g ear in U G softw ar e,then impo rts the mo del
into AD AM S so ftw are a nd adds lo ad and co nst raint s ,implements simulatio n finally .T he accuracy of modeling is tested thro ugh analy zing simulatio n cur ve.T his wo rk has la id a basis fo r fur ther study.Key words :A DA M S;w or m and w o rm g ear ;sim ulation
・
75・　2010年第6期 葛军,等:基于A DA M S 的蜗轮蜗杆传动机构的仿真研究。