汽车轮边减速器的运动仿真与分析

编号

毕业设计（论文）题目汽车轮边减速器运动仿真与分析

二级学院重庆汽车学院

专业车辆工程

班级 09454

学生姓名学号

指导教师职称副教授

时间 2013/5/31

目录

摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract ...................................................................................................................................... I 第一章绪论 . (1)

1.1课题研究的目的及其意义 (1)

1.2课题研究的内容 (2)

第二章. 行星齿轮轮边减速器工作原理 (4)

2.1 行星齿轮轮边减速器结构结构 (4)

第三章汽车行星齿轮轮边减速器模型建立 (5)

第四章汽车行星齿轮轮边减速器模型ADAMS运动仿真及动力学分析 (8)

4.1运动仿真： (8)

4.2动力学特性： (12)

4.3动力学特性分析： (13)

第五章结构模态分析 (15)

5.1 ANSYS模态分析理论 (15)

5.2 有限元模型建立 (16)

5.3模型模态求解和分析 (18)

全文总结 (22)

致谢 (24)

参考文献 (25)

摘要

汽车轮边减速器是重型汽车的重要运动件，减速器的好坏很大程度上作用着重型汽车的动力学和稳定性。本文以行星齿轮减速器为研究对象。首先，分析了该减速器的结构形式，进行了正确的选择。

其次，通过CATIA三维图形软件绘制出行星齿轮轮边减速器机构的CAD图形，并完成零件装配。然后通过通用接口导入到ADAMS虚拟样机,在ADAMS里面对各个零件添加正确的约束及运动副并进行仿真得到运动特性和动力学特性。

通过CATIA与ANSYS的通用接口将模型导入到ANSYS软件里面，对该模型进行处理划分网格。利用ANSYS里面的模态分析处理程序，对该连杆进行模态分析，从而得到构件的模态变形图和沿不通方向的位移场分布图。

关键词：行星齿轮减速器；运动仿真；动力学特性；模态分析；

Abstract

Automotivewheel reducerisan importantheavy vehiclesmoving parts, reducergood or badlargelyfocused onthe role ofcarsdynamicsand stability.In this paper,the planetarygear reducerfor the study.First, theanalysis of thereducerstructure,werethe right choice. Secondly, through theCATIA3D graphics softwaredrawplanetary gearwheel reducerinstitutionsCAD drawings, and completeparts assembly. Then througha common interfaceintoADAMSvirtual prototype,inwhichthe variouspartsADAMSadd the correctconstraintsanddeputy campaignand conductsimulatedmotion characteristicsanddynamics.

CATIAand ANSYSthrougha common interfacetoimport the model intoANSYSsoftware inside, the model isprocessedmesh. Using ANSYSmodal analysisinsidethe handler, modal analysisof theconnecting rod, resulting in componentmodaldeformation mapsanddirectionsalong thebarrierdisplacement fielddistribution.

Key word: Planetary gear reducer；Motion simulation;Dynamics； Modal analysis;

第一章绪论

1.1课题研究的目的及其意义

(1)一、课题研究背景

重型汽车轮边减速器多以行星齿轮为主，世界上的一些发达国家，如日本、瑞典、俄罗斯和美国等，对行星齿轮传动的研究、生产和应用都十分重视，在传动性能、传递功率、结构优化、转矩等方面均处于领先地位。发展比较快且取得一定科研成果的是在行星齿轮传动动力学方面。近几年来，随着我国对制造业的扶持和资金的投入以及科学技术不断进步，机械科技人员经过不懈的努力以及技术引进和消化吸收，在行星齿轮理论研究和优化设计等方面取得了一定的研究成果，在行星齿轮传动非线性动力学模型和方程方面的研究是国内两个关于行星齿轮传动动力学的代表，他们的研究成果取得了一定的成就并把许多技术应用于实际当中。与此同时，现代优化设计理论也应用到行星齿轮传动技术中，根据不同的优化目标，通过建立轮边减速器行星齿轮数学模型，产生了多种优化设计方法。在已经取得的成果中，有针对行星轮均载机构和功率分流方面的优化设计，有针对行星齿轮传动啮合效率、结构性能、体积的多目标优化设计研究，有专门针对如重型汽车轮边减速器行星传动机构齿轮模态优化设计，有针对行星机构噪声、振动、固有频率特性研究，这些成果的研究有利于提高了工程技术人员对行星传动技术的认识。在新理论和新数学计算方法出现的同时，行星齿轮减速器的优化设计方法也随着更新，比较新的研究成果：有可靠性工程理论在优化设计中的应用，有遗传算法在行星齿轮优化设计中的应用，有模糊数学在行星齿轮优化设计中的应用，有可靠性工程理论在优化设计中的应用，基于可靠性工程的理论通过引入强度可靠性系数方程来进行优化设计。这些新的设计理论和新的设计方法将许多设计理论概念和研究成果应用到优化设计中，对行星齿轮传动优化设计理论研究的发展有很大的贡献。

（2）课题意义

轮边减速器一般为双极减速驱动桥中安装在轮毂中间或附近的第二级减速

器。在一些矿山水利及其他大型工程等所用的重型汽车，工程和军事上用的重型牵引汽车及大型公共汽车等，要求有较高的动力性，而汽车车速相对较低，因而其传动系的低档总传动比很大，为了使变速器分动器传动轴等总成不致因承受过大尺寸及质量过大，应将传动系的传动比以尽可能大的比率分配给驱动桥。这就导致一些重型汽车大型汽车的主减速比必须很大，还有一些越野汽车要求在坏路上和无路地区具有良好的通过性,因此在设计上述重型汽车、大型公共汽车、越

野汽车时，需要在车轮旁附加轮边减速器。

我国研制汽车轮边减速器始于20世纪70年代中期，至今发展不快，技术水平只相当国外20世纪80年代末的水平。进入21世纪以来，我国经济形势发生了很大的变化。因此，重型汽车轮边减速器在我国的应用前景十分广阔。自从我国加入WTO之后，减速器行业面临极大的压力与挑战，为了应对这一严峻形势，一方面要引进更多更好的国外产品与相关技术，另一方面必须迅速发展民族工业。国外的汽车减速器应用得比较好，技术也比较先进，但价格比较高。一般情况是：国外的整机的价格是国内价格的2～3倍，而易损件、备件的价格却是5～8倍，因此，发展我国的轮边减速器产品是非常必要的。本论文正是对汽车轮边减速器的仿真与分析研究。

1.2课题研究的内容

本文以行星齿轮减速器机构为研究对象，以有限元法和机械动力学为理论基础，以三维建模软件CATIA，有限元分析软件ANSYS、机械系统动力学自动分析软件ADAMS为平台，完成减速器机构的建模，虚拟样机模拟，研究该模型

的动力学特性和进行模态分析。具体研究内容如下：

（1）根据已有的行星齿轮减速器参数，利用CATIA软件建立三维实体模型，并进行装配工作，为了下一步ADAMS分析做好准备。

（2）将上一步建立好的三维实体模型导入进入ADAMS软件里面，对各个连接部件进行定义，添加相符合的约束和驱动，并在各个齿轮间添加接触力。完成机构的多刚体虚拟样机模型建立。并在ADAMS多刚体运动分析的基础上，

完成对机构的运力学特性分析，得到曲线数据。

（3）将CATIA中的连杆模型导入到ANSYS里面，对该杆件进行参数的设定，网格的划分，并且对杆件进行模态分析，得到连杆的各阶振型及频率。

第二章. 行星齿轮轮边减速器工作原理

2.1 行星齿轮轮边减速器结构结构

由于轮边减速器大多采用单级行星齿轮形式，故本文仿真与分析均是以单级行星齿轮减速器为模型。

1.当太阳轮为主动件，齿圈为从动件，行星齿轮架固定时（图2a）:

2.当太阳轮为主动件，齿圈为从动件，行星齿轮架固定（图2b）:

3.太阳轮为主动件，行星齿轮架为从动件，齿圈固定（图2c）：

以上3式中n1,n2,n3分别为太阳轮、齿圈、行星齿轮架转速。Z1、Z2分别为太

阳轮和齿圈的齿数。

第三章汽车行星齿轮轮边减速器模型建立

由于动力学软件建模的能力十分有限，所以才有专业的三维建模软件对活塞连杆机构虚拟样机进行模型的建立，并且采用专业的CAD之间的接口导入到动力学分析软件ADAMS里面，这样能最好的利用到各个软件的独有的专长，从而给工作带来极大的方便。CATIA是由法国达索系统（Dassault Systemes S.A.）公司开发的，跨平台的商业3维CAD设计软件。CATIA有着先进的混合建模技术，设计对象的混合建模：在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作。 [4]基于其上CATIA的众多优点，本文采用CATIA对于活塞连杆机构进行CAD建模。活塞连杆机构由曲柄、连杆、活塞销、活塞组成。为了获得具体的零件质量特性参数，模型应与实物尽量接近。对零件三维建模的过程如下所示：

1.太阳轮CAD建模

2.行星轮CAD建模

3.行星架CAD建模

4.内齿圈CAD建模

5. 输入轴CAD建模

6.进入装配模块对模型进行装配

调入零件

装配完成

第四章汽车行星齿轮轮边减速器模型ADAMS运动仿真及动

力学分析

4.1运动仿真：

（1）将模型导入到ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全

参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

[6]其中ADAMS/View图形接口模块，它可以利用IGES、STEP、STL等产品数据转换库的标准文件格式完成ADAMS与其他CAD软件之间的数据传输，这样使得使用者在使用的过程中更加方便快捷的可以选用自己熟悉的软件来完成工作。用x_t 格式导入到ADAMS里面，导入完成的模型如图所示：

（2）对模型施加约束和运动副

（3）施加接触力

（4）施加驱动（角速度360度/秒）

4.2动力学特性：

输入轴转速

输出轴转速

行星轮与内齿圈接触力

行星轮与太阳轮接触力

行星轮与行星架接触力

4.3动力学特性分析：

输入轴与输出轴出动比为3.48，与结构预算传动比相符合。分析应力状态，行星轮与内齿圈、太阳轮、行星架的接触力周期性变化，符合运动特征，与理论相符。

问题：仿真结果有很多上面只是很小一部分。问题在于不知道动力学特性该从哪些

方面进行分析，以及分析的目的是什么，是

否要预算某些数据，然后让实验数据与之相符合？还请老师明示一下。

第五章结构模态分析

连杆是承受传递交变力的部件，工作条件恶劣。随着发动机高速化和大功率话，传统的静态设计已经不能满足需要。模态分析在评价轮边减速器动态特性时具有巨大的优势，本章就讲述了基于ANSYS的连杆三维模型进行的模态分析。5.1 ANSYS模态分析理论

模态分析是动力学分析过程中必不可少的一个步骤，主要用于确定机械结构和部件的固有频率和振型，是谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析的起点。

ANSYS模态分析是利用有限元分析理论，先把模型离散化，然后利用振动理论求解出结构的固有频率和振型。根据振动理论，连杆结构系统的动力学微分方程可表示为：

（4-1）式中：M为连杆质量；x为连杆的振动位移；C为阻尼系数；K为刚度系数；F为外部载荷。

若令C=0和F =0，便得到结构的无限阻尼自由振动方程。对于连杆结构的模态计算来说，阻尼对结构的固有频率和振型的影响很小，可以忽略不计，因此上式可变为：

（4-2）这是一个二阶常系数线性齐次微分方程，由此可导出连杆结构的固有频率与振型的特征方程：

（4-3）式中：为特征矢量，即为结构的正则化振型。

5.2 有限元模型建立

（1）模型的导入。首先，将之前在CATIA中建立的连杆实体模型保存成通用igs格式。注意：由于ANSYS软件的单位制度只能选择其某一套单位体制，所以为了方便，在CATIA中先预将所有单位制度调成国标。开启ANSYS，用import 命令将连杆igs格式文件导入到ANSYS里，并观察图形是否失真，对失真部分进行修补。

（2）选用单元划分网格。

单元的选择：由于连杆文件的不规则性，本文中选用solid92网格单元。

单元描述：solid92具有二次位移型函数，非常适合于模拟是规则形状的结构。本单元由10个节点定义，每个节点有3个自由度：节点坐标系的x，y，z 方向的平动。此单元还具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变的功能。[15]单元示意图如图4-2所示。

图4-1 solid92单元结构图

根据所选单元在ANSYS软件中定义其单元属性，如图4-3所示

（3）行星架材料属性输入。在生成MNF文件之前必须要定义行星架的材料属性，在ANSYS里面，需要定义其弹性模量，泊松比和密度。通过查询《机械工业常用材料性能数据库》得知各材料特性，如表1所示。

表1材料属性

标识符数值弹性模量（pa）EX 2．1e11泊松比PRXY 0.3 密度（kg/）DENS 7800

根据查的的数据，通过Preprocessor-Material Props-Material Models选项设定杆件材料属性，如图4-4所示。