基于MSC.ADAMS的动力传动系统建模与仿真

基于MSC.ADAMS的动力传动系统建模与仿真
作者：张冬生
来源：《中国科技纵横》2013年第03期
【摘要】根据动力传动系统的组成及工作原理，在MSC.ADAMS中分别建立了发动机、液力变矩器、齿轮传动、离合器的动力学模型，并组装成动力传动系统虚拟样机，采用仿真剧本进行总体仿真。

结果表明，利用MSC.ADAMS进行动力传动系统仿真具有一定的优越性。

【关键词】动力传动系统液力变矩器齿轮传动仿真剧本
引言
动力传动系统是一个典型的多体、多工况、多激励系统，其组成包括发动机、液力变矩器、齿轮传动、离合器等子系统，各子系统仍是复杂的多刚体-柔体系统，其工作过程包括起步、换挡、制动、加速、减速等工况，其受力包括发动机的周期性激励，路面的随机激励，齿轮系统内部激励等。

如何建立动力传动系统的动态模型并仿真其工作过程，对动力传动系统的匹配计算、强度校核、优化设计、疲劳分析、一体化控制具有十分重要的意义。

本文根据MSC.ADAMS提供的各种建模方法，结合其它软件，实现了动力传动系统的虚拟仿真。

1 发动机
在MSC.ADAMS中利用Akima曲面拟合技术，将某型号柴油发动机的一组部分特性曲线拟合为部分特性曲面。

根据部分特性曲面，插值出任意油门开度和发动机转速下的指示转矩值：式中ωe为发动机转速，α为油门开度，surface_engine为发动机特性曲面，0表示输出插值点坐标值。

当把曲轴系简化为一当量转动惯量时，可采用多刚体系统模型，如图1所示，其各刚体质量、质心位置及转动惯量通过在CAD软件（如Pro/E）中建立精确实体模型得到。

2 液力变矩器
采用广泛应用于车辆上的三元件向心涡轮液力变矩器作为研究对象，忽略液力变矩器在偶合器工况下工作时的导轮惯性力矩，则其动态系统力学模型，如图2所示。

图2中、、、为非稳定工况下的泵轮轴动态转矩、泵轮动态液力转矩、泵轮构件当量转动惯量、泵轮转速；、、、为非稳定工况下的涡轮轴动态转矩、涡轮动态液力转矩、涡轮构件当量转动惯量、涡轮转速。

根据图2建立数学模型：
，
忽略循环圆内液体循环流量变化、忽略泵轮和涡轮中工作液体转动惯量以及机械损失，则：
=，=
式中λ为泵轮动态力矩系数，ρ为工作液体密度，为循环圆直径，k为动态变矩比。

当液力变矩器非稳定工况下的泵轮转速变化在-52rad/≤dω/dt≤52rad/时，液力变矩器的动态特性与静态特性的相对偏差在4.5%以内，可以用静态特性代替动态特性。

此外，假定液力变矩器原始特性在各种工况下保持不变。

因此，在进行仿真时，根据液力变矩器的原始特性曲线，直接利用Akima插值方法确定当前速比下的动态和值。

通常，发动机与液力变矩器通过结合共同工作，可视为一种新的动力装置，其模型框图如图3。

在MSC.ADAMS中，用固定铰连接液力变矩器的泵轮和发动机的飞轮，利用
MSC.ADAMS中的runtime function、data elements和system elements定义模型，采用仿真剧本控制各开关。

利用此模型进行某全程调速柴油机和某正透穿液力变矩器共同工作仿真，能方便得出全程调速柴油机与液力变矩器共同工作的一些动态特性。

3 齿轮系统
齿轮系统是一个复杂的动力学系统，是建立动力传动系统模型的重中之重，直接采用MSC.ADAMS中的齿轮副不足以仿真齿轮系统工作时的动态特性。

为此，作者探索出一套基于MSC.ADAMS的齿轮系统建模方法，可以生成齿轮实体，综合考虑时变啮合刚度、轮齿误差、啮合初相位、传动轴柔性对齿轮系统的影响。

3.1 齿轮副模型
传统的齿轮副扭转振动力学模型如图4所示。

设齿轮副的重合度在1-2之间，由图4可推得齿轮副扭转振动分析模型为：
在齿轮传动中，主动齿轮和被动齿轮上的轮齿不断进入啮合，啮合齿对不断发生变化以进行连续动力传递，在MSC.ADAMS中难以采用传统的齿轮副扭转振动模型描述这一过程。

为此，对图4所示的齿轮副扭转振动力学模型进行变换，添加一无质量刚性辅助齿轮。

无质量刚性辅助齿轮与主动齿轮组成一虚拟齿轮副；被动齿轮不再与主动齿轮啮合，而是通过扭簧与无质量刚性辅助齿轮连接。

工作时，动力由主动齿轮通过虚拟齿轮副传递给无质量刚性辅助齿轮，再通过扭簧传递给被动齿轮。

上述齿轮副旋转模型可以在MSC.ADAMS中方便地实现：无质量刚性辅助齿轮可以通过定义一个密度足够小的齿轮来代替；虚拟理想齿轮副可以直接采用MSC.ADAMS中的齿轮副；扭簧可以通过定义一个如下的力矩来实现，该力矩作用于被动齿轮，反作用于无质量刚性辅助齿轮，其大小由无质量刚性辅助齿轮和被动齿轮之间转角、等效扭簧刚度、阻尼、等效扭簧初始角位移变动量决定。

3.2 多齿对啮合的初始相位
对于复杂的多级齿轮传动系统，同时有多对齿轮啮合，当考虑时变刚度、时变阻尼、时变误差时，各啮合齿对的初始刚度、阻尼、误差是各不相同的。

在利用3.1所述齿轮副旋转模型定义多级齿轮的啮合时，需要确定各参数的啮合初始相位。

鉴于啮合初始相位与齿轮的各实体参数和位置参数密切相关，把多齿对啮合的初始相位问题同3.3齿轮实体模型结合考虑。

3.3 齿轮实体模型
考虑到MSC.ADAMS/View齿轮实体建模功能缺乏，多齿对的啮合初始相位与齿轮的各实体参数和位置参数密切相关，作者基于齿轮滚齿加工过程，结合VC++编程及
MSC.ADAMS/View二次开发技术，编制了渐开线直齿圆柱齿轮三维造型模块。

它包括一个VC++程序文件、两个对话框、两个宏。

利用该模块，可以生成任意精度的齿轮，并通过输入方位确定啮合关系及初相位。

3.4 刚度、阻尼与误差
阻尼、轮齿啮合误差多采用经验公式；齿轮啮合的时变啮合刚度、阻尼、轮齿啮合误差是在定义齿轮副旋转模型的等效扭簧时考虑的，可通过拟合曲线或函数给定；轴的柔性效应可采用折算法加以考虑，或通过同建立曲轴柔性体相同方法确定。

至此，便可实现对复杂多自由度齿轮系统的仿真，方便地得到齿轮系统在内部激励（时变啮合刚度、啮合阻尼、轮齿啮合综合误差）、外部激励（原动机、负载动态输入）共同作用下的动态响应。

该齿轮系统可以同其它子系统相连，作为动力传动系统的一部分；亦可以作为独立的系统，通过仿真研究其动态特性。

图5是进行某齿轮系统仿真时第三对齿轮的动态啮合力曲线图。

仿真时设时变啮合刚度按正弦变化，动力为恒转矩输入，负载为直线负载（阻力矩与转速成正比），不考虑啮合阻尼、轴的柔性效应。

4 离合器
以湿式多片式动力换档离合器为例。

离合器的结合油压一般由液压缓冲阀控制，其充油压力特性可由试验结果给定[6]。

亦可利用MSC.ADAMS/Hydraulics建立液压缓冲阀模型，作为
离合器模型的子模型。

在MSC.ADAMS中，离合器的摩擦力矩可通过作用在主动边和被动边的力矩表示，具体过程同液力变矩器的建模相似。

5 总体仿真
动力传动系统一般可分为上述几个子系统，对于某一具体的动力传动系统，按照上述方法建立各子系统模型，确定各模型的相对位置并采用固定铰连接，即可组成动力传动系统总体仿真模型。

对于动力传动系统在不同工况下的工作过程，可以通过仿真剧本切换不同的负载条件、油门操作、换档离合器操作来实现。

现代动力传动系统已经发展到智能自动换档、一体化控制阶段，电子控制技术得到广泛应用。

采用上述方法建立的动力传动系统模型实际上是一个机械-液力-液压模型，其工作过程受预先编写的仿真剧本的控制，相当于一个动力传动系统虚拟试验台。

6 结语
本文以MSC.ADAMS作为多体动力学仿真平台，结合Pro/E实体建模、ANSYS模态分析、VC++编程，根据动力传动系统的组成及工作原理，给出了各子系统建模及总体模型仿真方法。

所建立的动力传动系统模型具有如下特点直观性好、仿真精度高、可扩展性强等特点。

参考文献：
[1]钟再敏.液压次级调节车辆传动系仿真试验系统研究〔博士学位论文〕.北京：北京理工大学，2000.
[2]覃文洁，廖日东.运用ADAMS进行发动机曲轴系的动力学分析.美国MDI公司2001年中国用户年会论文集，2001.
[3]项昌乐.车辆传动系轴类零件疲劳设计与变矩器动态特性研究：〔博士学位论文〕.北京：北京理工大学，2001
[4]李润方，王建军.齿轮系统动力学.北京：科学出版社，1997.
[5]李润方，陶泽光等.齿轮啮合内部动态激励数值模拟.机械传动，2001.2.。