基于ADAMS的齿轮变速箱动态特性仿真分析
基于ADAMS的多级齿轮传动系统动力学仿真
第23卷 第6期2003年12月北京理工大学学报T ran sacti on s of Beijing In stitu te of T echno logyV o l .23 N o.6D ec .2003 文章编号:100120645(2003)0620690204基于ADAM S 的多级齿轮传动系统动力学仿真洪清泉, 程 颖(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081)摘 要:为了建立多级齿轮传动系统的虚拟样机,在对传统的齿轮副扭转振动模型进行动力学等价变换的基础上,提出一种基于ADAM S 的动力学仿真方法Ζ利用该方法建立的模型能综合考虑时变啮合刚度、啮合阻尼、轮齿啮合综合误差、原动机和负载的动态输入、齿对啮合相位以及传动轴扭转柔性,仿真多级齿轮传动系统的动态特性Ζ通过实例仿真研究了各因素对系统动态响应的影响规律,结果表明该方法是可行的Ζ关键词:齿轮;动力学仿真;虚拟样机;机械系统自动动力分析中图分类号:TB 21 文献标识码:AD ynam ic Si m ulation of M ultistage Gear Tra i n System i n ADAM SHON G Q ing 2quan , CH EN G Y ing(Schoo l of M echan ical and V eh icu lar Engineering ,Beijing In stitu te of T echno logy ,Beijing 100081,Ch ina )Abstract :In o rder to set up the virtual p ro to typ e of a m u ltistage gear train system ,a dynam ic si m u lati on m ethod in ADAM S is given ,based on an equ ivalen t k inetic m odel of gear p air w h ich has been tran sfo rm ed from the to rsi onal vib rati on m odel.M odels set up by th is m ethod can in tegrate the influence of ti m e 2varying m esh stiffness ,m esh dam p ,com po site gear erro r ,dynam ic inp u t of the pow er and loading ,m esh p hase and to rsi onal flex ib ility of shaft .A si m u lati on exam p le that studies the influence of each facto r to the dynam ic respon se is p rovided and the resu lts show that the m ethod is feasib le .Key words :gear ;dynam ic si m u lati on ;virtual p ro to typ e ;ADAM S收稿日期:20021127作者简介:洪清泉(1977-),男,硕士生;程 颖(1964-),女,副教授,E 2m ail:chengy@bit .edu .cn Ζ 在对齿轮系统的动态特性进行计算机仿真时,由于考虑因素的不同,建立的模型有所差异,仿真的难易程度和结果也不尽相同Ζ作者基于多体动力学仿真软件ADAM S ,给出了一种综合考虑多种影响因素的齿轮系统扭振模型及多级齿轮传动的虚拟样机仿真方法Ζ1 齿轮副动力学模型111 等价齿轮副动力学模型传统的齿轮副扭转振动模型如图1所示[1]ΖΗp ,Ηg 为主、被动齿轮的扭转振动角位移;I p ,I g 为主、被动齿轮的转动惯量;R p ,R g 为主、被动齿轮的基圆半径;e (t )为轮齿啮合综合误差;k m 为啮合综合刚度;c m 为啮合阻尼;T p ,T g 为作用在主、被动齿轮上的外载荷力矩Ζ图1 齿轮副扭转振动力学模型F ig .1 To rsi onal vibrati on model of gear pair在ADAM S 中难以采用传统的齿轮副扭转振动模型描述轮齿啮合传动过程,为此对该模型进行如下变换:添加一无质量刚性辅助齿轮,辅助齿轮与主动齿轮组成一虚拟齿轮运动副;被动齿轮不再与主动齿轮啮合,而是通过扭簧与辅助齿轮连接Ζ工作时,动力由主动齿轮通过虚拟齿轮副传递给辅助齿轮,再通过扭簧传递给被动齿轮Ζ变换后的齿轮副动力学模型如图2所示,Η为辅助齿轮的角位移;R ′p ,R ′g 为主、被动齿轮啮合节圆半径;k ′m 为等价扭簧刚度;c ′m 为等价扭簧阻尼;e ′(t )为轮齿啮合综合误差的等价扭簧初始角位移变动量;T 1为虚拟齿轮运动副对主动齿轮的反作用力矩,T 2为虚拟齿轮运动副传递给辅助齿轮的力矩,即等价扭簧传递的力矩Ζ图2 等价齿轮副动力学模型F ig .2 A n equivalent k inetic model of gear pair112 在ADAM S 中的实现方法等价齿轮副动力学模型可以在ADAM S 中实现Ζ辅助齿轮通过定义一密度足够小的齿轮代替;虚拟齿轮运动副直接采用ADAM S 中的齿轮运动副;扭簧通过定义力矩实现,该力矩作用于被动齿轮,反作用于辅助齿轮,其大小由辅助齿轮和被动齿轮之间转角、转速、等价扭簧刚度、等价扭簧阻尼、等价扭簧初始角位移变动量和初始角速度变动量决定Ζ113 参数变换与计算根据两种齿轮副变换前后轮齿动态啮合力对主、被动齿轮的作用力矩等价的原则,即可确定出两种齿轮副模型之间的动力学参数变换关系Ζ①等价扭簧刚度 k ′m =k m R 2g ,式中 k m 为轮齿啮合综合刚度Ζ②等价扭簧阻尼 c ′m =c m R 2g ,式中 c m 为轮齿啮合阻尼Ζ③等价扭簧初始角位移变动量 e ′j =e j R g ,式中 e j 为轮齿啮合综合误差,一般只考虑齿轮误差Ζ常见的处理方法是根据齿轮设计的精度等级确定齿轮偏差,采用以时间为变量的简谐函数表示法进行误差模拟[2]Ζ若改用以齿轮转角为变量的简谐函数表示,则可使齿对处于相同啮合位置时具有相同的轮齿啮合综合误差Ζe j (Υj )=e j0+e jr sinm od (Υj z j )+∆j360 z j 2Π,式中 e j0为齿轮误差的常值;e jr 为齿轮误差的幅值,根据齿轮的公差值确定;Υj 为齿轮转角;z j 为齿数;∆j 为啮合初始位置Ζ2 多级齿轮传动系统动力学模型对于多级齿轮传动系统,除了齿轮副啮合问题,还必须考虑不同啮合齿对动力学参数的相位差、传动轴柔性、原动机和负载的动态特性Ζ211 齿对啮合相位的确定目前齿轮系统仿真的啮合相位计算仅限于较简单的情况:如行星轮系和中心在同一条直线上的齿轮传动[3,4]Ζ为此,作者对通用的多级齿轮传动相位计算方法进行了推导,参见图3Ζ(a )啮合齿数发生变化的角度位置(b )齿对初始啮合角度位置图3 啮合相位计算F ig .3 Calculati on of m esh phase196 第6期洪清泉等:基于ADAM S 的多级齿轮传动系统动力学仿真 在计算出任一啮合齿对的啮合齿数发生变化(单齿啮合与双齿啮合的过渡)时的齿轮角度位置∆j1和∆j2,齿对正确啮合的初始角度位置∆j 后[5],通过∆j 与∆j1,∆j2的关系确定该齿对的啮合相位Ζ212 传动轴柔性效应采用有限段的方法考虑传动轴的柔性效应[6],其基本思想是把柔性体描述为多个由弹簧和阻尼器为结点连接的刚体组成的多刚体系统Ζ在本模型中,传动轴的柔性效应是通过两端点的扭转总体效应加以考虑的Ζ213 原动机和负载原动机和负载的具体模型比较复杂,将其简化为作用在输入齿轮和输出齿轮上的转矩或转速,采用ADAM S 实时函数直接模拟[7,8]Ζ3 实例仿真基于ADAM S 的多级齿轮传动仿真模型如图4,采用GST IFF 积分器求解,时间步长011m sΖ图4 多级齿轮传动虚拟样机模型F ig .4 V irtual p ro to type of m ultistage gear train311 内部激励对动态响应的影响系统的外部激励为常值(齿轮1的输入转速为500r m in ,齿轮5输出转矩1000N m ),在不同内部激励作用下,齿轮3的扭振角加速度如图5所示Ζ图5中,曲线1是刚性传动轴,不考虑啮合相位,时变啮合综合刚度单独激励下齿轮3的扭转振动角加速度,曲线2,3,4,5分别为考虑齿轮3轮齿啮合阻尼、轮齿啮合综合误差、不同啮合相位、传动轴扭转柔性后齿轮3的扭转振动角加速度Ζ可见,啮合阻尼可有效减小系统的振动,轮齿啮合综合误差显著增大系统的振动,但都不改变动态响应的相位和频率;不同啮合相位影响了齿对的刚度突变时刻,使系统的时变啮合刚度激励总体效应发生变化,对系统动态响应的影响视具体情况而定;传动轴柔度对系统动态响应的相位、幅值、频率都有影响Ζ(a )啮合阻尼对动态响应的影响(b )轮齿啮合综合误差对动态响应的影响(c )啮合相位对动态响应的影响(d )传动轴扭转柔度对动态响应的影响图5 不同内部激励对系统动态响应的影响F ig .5 Influence of different inner excitati onon the dynam ic response312 外部激励对动态响应的影响系统内部激励只考虑时变啮合综合刚度,在外部激励动态作用下,齿轮3的扭振角加速度如图6所示Ζ图6a 为齿轮1输入转速为470～530r m in ,按正弦规律每转过1周波动一次时齿轮3的扭转振动角加速度变化Ζ可见,动态响应明显受输入转速波动的影响Ζ296北京理工大学学报第23卷 图6b 为作用在齿轮5上的负载转矩,按正弦规律在500～1500N m 之间每转过1周波动一次时齿轮3的扭转振动角加速度变化Ζ可见,负载转矩对动态响应的影响类似于调制作用Ζ(a )输入转速波动下的动态响应(b )负载转矩波动下的动态响应图6 外部激励对系统动态响应的影响F ig .6 Influence of different outer excitati onon the dynam ic response4 结 论实例仿真结果与文献[1]中的理论分析是一致的Ζ验证了给出的基于ADAM S 的多级齿轮传动系统的动力学仿真方法是正确的Ζ同时,用该方法可考虑多种激励的影响,直接建立系统虚拟样机模型Ζ参考文献:[1] 李润方,王建军.齿轮系统动力学[M ].北京:科学出版社,1997.L i R unfang ,W ang J ian jun .D ynam ics of gear system[J ].Beijing :Science P ress ,1997.(in Ch inese )[2] 李润方,陶泽光,林腾蛟等.齿轮啮合内部动态激励数值模拟[J ].机械传动,2001,25(2):1-3.L i R unfang ,T ao Zeguang ,L in T engjiao ,et al .N um erical si m u lati on fo r inner dynam ic excitati on of gearing [J ].M echan ical T ran s m issi on ,2001,25(2):1-3.(in Ch inese )[3] 孙智民,沈允文,李素有.封闭行星齿轮传动系统的扭振特性研究[J ].航空动力学报,2001,16(2):163-166.Sun Zh i m in ,Shen Yunw en ,L i Suyou .A study on to rsi onal vib rati on s in an encased differen tial geartrain [J ].Jou rnal of A ero space Pow er ,2001,16(2):163-166.(in Ch inese )[4] 张锁怀,石守红,丘大谋.齿轮耦合的转子轴承系统的非线性模型[J ].机械科学与技术,2001,20(2):191-193.Zhang Suohuai ,Sh i Shouhong ,Q iu D amou .Anon linear model fo r dynam ic analysis of a geared ro to r 2bearing system [J ].M echan ical Science and T echno logy ,2001,20(2):191-193.(in Ch inese )[5] 朱景梓,张展,秦立高.渐开线外啮合圆柱齿轮传动[M ].北京:国防工业出版社,1990.Zhu J ingzi ,Zhang Zhan ,Q in L igao .T he invo lu tecylindrical gear tran s m issi on by ou ter m esh [M ].Beijing :N ati onal D efence Indu stry P ress ,1990.(in Ch inese )[6] 康新中,吴三灵,马春茂.火炮系统动力学[M ].北京:国防工业出版社,1999.Kang X inzhong ,W u San ling ,M a Chunm ao .Gunsystem dynam ics [M ].Beijing :N ati onal D efenceIndu stry P ress ,1999.(in Ch inese )[7] M echan ical D ynam ics Inc .ADAM S so lver u ser’sgu ide [M ].[s .l.]:M echn ical D ynam ics Inc .,2002.[8] M echan ical D ynam ics Inc .ADAM S view u ser’s gu ide[M ].[s .l .]:M echn ical D ynam ics Inc .,2002.396 第6期洪清泉等:基于ADAM S 的多级齿轮传动系统动力学仿真。
基于ADAMS的变速箱传动系统动力学分析研究
息，所以必须给各个构件赋予材料Ｉ 。 其 中 ，箱 体 材 料 定 义 为 灰 口铸 铁 ＨＴ２ ５ ０，
ｐ＝ ６ ． ８ Ｘ １ ０ ｋ ｇ ／ ｍ ，弹 性 模 量Ｅ ＝ Ｉ ． ４ １ Ｘ ｅ １ １ Ｐ ａ ， 泊松
摘
要 ：以Ａ Ｄ Ａ Ｍ Ｓ 软件为基础 ，通过在 三维 软件 中建立变速器的三维装配模型 ，导人Ａ Ｄ Ａ Ｍ Ｓ 中建立了 变 速箱传 动系统 的多体 动力学模 型 ，进行传 动系统 动力学仿 真分析 ，得到 了齿 轮间的动 态啮 合 力 ，各 轴承对箱 体的作 用力 ，并 通过理论 计算验证 了仿真结 果的正确 性 。为进 一步进行 强 度校 核 ，优化设计 、故障诊 断和振动 噪声分析 提供 了重要的参考依据。
设 置好 的分 析模 型如 图２ 所示。
比 ｕ＝ Ｏ ． ２ ８ 。
好 的模 型转 化 为 别的 格 式导 入 ￣ Ｊ Ｉ ＡＤ ＡＭＳ 中 。其 中 Ｉ ＧＥ Ｓ 、ｐ ａ ｒ ａ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ 和ｓ ｔ ｐ 格 式都 可 以导 入 ￣ ］ Ｉ ＡＤＡＭＳ
齿 轮 和 轴 的 材 料 定 义 为 ４ ５钢 ， ｐ＝ ７ ． ８ ５ Ｘ １ ０ ｋ ｇ ／ ｍ ，弹性 模 量Ｅ ＝ ２ ． ０ ７ ×ｅ ｔ ｌ Ｐ ａ ，泊
ｌ
— — — —
ｌ Ｉ ５ 似
制 造软 件
一 ＝＿ ＿—一 ０ 巳 — —— 一 二
基于Ａ Ｄ ＡＭＳ 的变速箱传动 系统 动力学分析研究
Ｄｙ ｎａｍ ｉ ｃ ａｎ ａｌ ｙ ｓｉ ｓ ｏｆ ｇｅａｒ ｍ ｅｓｈ ｂａｓ ｅｄ ｏｎ Ａ 队 Ｍ Ｓ
基于ADAMS的齿轮减速器动力学仿真与故障分析
Ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ６ （Ｉ － － ） ． ２ ８
的参 数构 造 出齿 轮 实体模 型 ；通 过 理论 计算 后 ，按 照各 个 构 件之 间 的运 动 关 系定 义约 束 ，添加 运 动副 。约 束关 系如表 ２ 所示 。
２ ０ １ ５ —０ ２ —０ ３ 收稿日嗣： 基 金项目： 国家 自然科学基金 （ ６ １ ２ ６ ２ ０ ５ ９ ， ３ １ ４ ６ ０ ２ ４ ８ ）；新疆优 秀青年科 技创新人才培养项 目 （ ２ ０ １ ３ ７ ２ １ ０ １ ６ ）；新疆大学 博士启动基金 ；新疆 自治区科技支疆项 目 （ ２ ０ １ ５ ９ １ １ ０ ２ ） １ ９ ８ ９一），男，硕士研究生 ，研究方 向为齿轮箱故障诊断 。 作者简介： 马强 （
步仿 真分 析 的重 要基 础 ，本 文 以角速 度这 个 参数 来进 行
验证。
式 中 Ｍ、Ｋ广 义质 量矩 阵和 刚度 矩 阵 。 引入 约 束条 件定 义齿 轮 的啮合 ：
第３ ７ 卷 第６ 期
２ ０ １ ５ — ０ ６ （ 上） ［ ０ ７ １
表２ 约束关系
Ｅ 。 、Ｅ ： 为 两齿 轮材 料 的弹性 模 量 。
Ｕ 、Ｕ ２ 为两齿 轮材 料 的泊松 比。
计 算 结果 如表３ 所示。
表３ 接触参数
２ 齿轮减速器样机动 力学分析
２ ． １齿轮传动动力学基本方程
齿轮传动系统的动力学仿真分析
齿轮传动系统的动力学仿真分析摘要：本文对建立好的整体机械系统的虚拟样机模型进行运动学和动力学的仿真分析，通过仿真分析，可以方便地得出齿轮传动系统在特定负载和特定工况下的转矩，速度，加速度，接触力等，仿真分析后，可以确定各个齿轮之间传递的力和力矩，为零件的有限元分析提供基础。
关键词：传动系统动力学仿真 adams 虚拟样机中图分类号：th132 文献标识码：a 文章编号：1007-9416(2011)12-0207-01随着计算机图形学技术的迅速发展，系统仿真方法论和计算机仿真软件设计技术在交互性、生动性、直观性等方面取得了较大进展，它是以计算机和仿真系统软件为工具，对现实系统或未来系统进行动态实验仿真研究的理论和方法。
运动学仿真就是对已经添加了拓扑关系的运动系统，定义其驱动方式和驱动参数的数值，分析其系统其他零部件在驱动条件下的运动参数，如速度，加速度，角速度，角加速度等。
对仿真结果进行分析的基础上，验证所建立模型的正确性，并得出结论。
本文中所用的动力学仿真软件是adams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郎日方程方法，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。
虚拟样机就是在adams软件中建的样机模型。
1、运动参数的设置先在造型软件ug中将齿轮传动系统造型好，如下图所示。
在已经设置好运动副的齿轮传动系统的第一级齿轮轴上绕地的旋转副上给传动系统添加一个角速度驱动。
然后进行仿真。
在进行仿真的过程中，单位时间内仿真步数越多，步长越短，越能真实反映系统的真实结果，但缺点是仿真时间也随之变长，占用的系统空间也就越大。
所以应该在兼顾仿真真实性与所需物理资源和仿真时间的基础上，选择一个合适的仿真时间和仿真的步长。
基于ADAMS的齿轮传动特性仿真分析.kdh
【148】 第33卷 第12期2011-12(上)收稿日期：2011-09-12作者简介：连锦程（1984 -），男，陕西榆林人，研究生，研究方向为电动汽车行星齿轮传动。
基于ADAMS的齿轮传动特性仿真分析Based on ADAMS of gear transmission characteristic simulation analysis连锦程，崔建昆LIAN Jin-cheng, CUI Jian-kun（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）摘 要：文章基于ADAMS对齿轮传动特性进行了仿真分析，获得设计齿轮在真实工作条件下的啮合性能，从而形成齿面加工参数设计的闭环修正系统。
关键词：ADAMS；齿轮传动；仿真分析中图分类号：TH132 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2011)12(上)-0148-03Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.12(上).440 引言在齿轮产品试制之前，对齿轮空载和承载情况下的啮合过程进行计算机仿真，以获得设计齿轮在真实工作条件下的啮合性能，形成齿面加工参数设计的闭环修正系统，对于缩短研发周期、减少研究失误、节省试制费用和提高设计质量有着很重要的意义。
ADAMS 是集成建模、求解和可视化技术一体的运动仿真软件，是当今世界上应用范围最广的机械系统动力学仿真分析平台之一。
它已成功应用于汽车工程、航空航天、铁路车辆、工程机械和工业机械等领域。
本文以齿轮泵为模型，进行了分析。
1 泵齿轮副传动特性分析物理建模是在几何模型的基础上，对齿轮泵齿轮副系统的各个零件添加物理属性，包括：确定组成系统部件的材料密度、泊松比和弹性模量；设置所有部件的质量和惯性矩；确定装配部件间的约束关系和设置相应的主轴驱动参数；作用在齿轮副系统的各种外力和机构部件间的摩擦力等[1]。
通过建立模型得到同真实齿轮泵齿轮副在几何形状和物理性能等方面都完全一致的虚拟样机[2]。
基于ADAMS的齿轮减速器动力学仿真
Ｔ ｅｐｒｍｅｒ ｄ ｌｓｃｎ ｅｔ Ｄ ＭＳ Ａ ｔｍａｉ Ｄ ｎ ｍｉ Ａ ａ ｓ ｆ ｃ ａｉ ｌ ｙｔｍｓ ，ｎ ｈ ｎ ｈ ａａ ｔｉ ｍｏ ｅ ｉ ｏ ｖ ｒ ｄｔ Ａ Ａ ｃ ｅ ｏ （ ｕｏ ｔ ｙ ａ ｃ ｎ ｌ ｉ ｏ ｈ ｎｃ ｓｅ ） ａ ｄｔｅ ｃ ｙ ｓ Ｍｅ ａＳ
维普资讯
Ｔｅ ｈｎ ｌｇ ＆ Ｅｃ ｎｏ ｎ Ａｒ ａ ｆ ｃ ｏｏ ｙ ｏ ｍｙ ｉ ｅ ｓｏ Ｃｏ ｍｍｕｎｃ ｔｏ ｓ ｉａｉ ｎ
基 于 ＡＤＡＭＳ的齿ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ轮 减 速 器 动 力 学 仿 真
孙 中平
（ 西北海中等职 业技 术学校 ， 广 广西 北海 ５ ６ ０ ） ３ ０ ０
（ ｔｍａｉ Ｄ ｎｍｉ Ａ ａ ｓ ｆＭｅｈｎｃｌ ｙｔ ） 美 国 Ａｕｏ ｔ ｙ ａ ｃ ｎ ｌ ｉ ｏ ｃ ａ ｉ ｓ ｅ 是 ｃ ｙｓ ａ Ｓ ｍｓ
一
簇 在形状或功能 上具有 相似 性 的设计方 案。用户 在设 计
时无 需准确的定位 和定形 ， 只需勾 画出大 致轮廓 ， 后通 过 然 修改标注的尺寸值来达到最终 的形状 ， 实现对产 品的设计 和
摘
要 ： 于三维造型设计软件 Ｓｌ ｗ ｒｓ构建 了单级齿轮减速 器的三维参数化模 型 ， 基 ｏ ｉ ｏｋ ， ｄ 并将 其导入机械 系统动 力学
仿真软件 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ中， Ａ ＡＭＳ中建立减速 器的虚拟样机模 型 ， 此样 机模 型进 行仿 真 ， 到转速 、 齿啮合 力等 在 Ｄ 对 得 轮 参数特性曲线 ， 对其进行分析 ， 为动 态特性优化提供理论指 导。 关键词 ： 减速 器； 虚拟样机 ； 力学仿 真 动
基于adams的齿轮啮合过程中齿轮力的动态仿真
0.1
0.2 0.3 time(sec)
0.4
0.5
0.2
0.3 Time(sec)
0.4
1000.0
2000.0 frequency(Hz)
机械 ２００５ 年第３ 期 总第３２期 ・１５・ 设计与研究
5 结论
由以上仿真分析结果可知：从时域分析来看， 由于在相同的静态负载作用下，所以每组齿轮啮合 力都在同一值附近上下波动，齿轮啮合力成周期性 变化；从频域分析来看，随着转速的增加，主频率 大小增加，这与转速与啮合频率的关系相吻合。所
0.2 0.3 Time(sec) meshing force 0.4 0.5
以利用动力学仿真软件ADAMS可以较准确的仿真 出齿轮间的啮合力。 这为进一步利用 ADAMS研究齿 轮传动系统的静、动态特性奠定了基础。
——————————————— 收稿日期：2004－10－20 作者简介：李金玉（1979－） ，女，汉，吉林人，长春工业大学机电工程学院硕士研究生；勾志践（ 1958－） ，男，汉，吉林人 ，长春工业大 学机电工程学院教授，主要研究方向：机床动力学及切削过程振动诊断与控制。
・１６・ 设计与研究 机械 ２００５ 年第３ 期 总第３２ 卷
1.5E+005 1.0E+005 ewton-mm 50000.0 0.0 0.0 0.1 Analysis:Last-Run torque
0.1
0.2 0.3 time(sec)
0.4
0.5
500.0
1000.0 frequency(Hz)
基于ADAMS的变速箱齿轮的运动学和动力学仿真
王 雁
Ｖ／ ＼ ＡＮＧ ｎ Ｙａ
（ 合肥工业大学 机械与汽车工程学院 ，合肥 ２ ０ ０ ） ３０ ９ 摘 要 ： 了保 证变速箱齿 轮在运 动过程中稳定性 ，在Ｓ ｌＷｏｌ 软件中建立齿 轮系统三维模型 ，采 为 ｏｄ ｒｓ ｉ ＜ 用Ａ Ａ Ｓ Ｄ Ｍ 虚拟样机技 术进行运动学和 动力学仿真 。通过 仿真曲线结果可以获得 齿轮的角速度 和驱 动力的大小 ，为变速箱齿轮动态特性优化设计提供理论指导 。
０ 引言
齿 轮 传 动 是机 械 传 动 中 最 重 要 、应 用 最 广 泛 的传 动 之 一 ，其 中汽 车 变 速 箱 齿 轮 在 承 受 载 荷 和 传 动 动 力 的过 程 中常 会 遇 到 变 形 、振 动 、噪 音 、 断 裂 等 情 况 ，而 变 速 箱 齿 轮 的运 动 平 稳 性 和 其 运 动 形 式 有 着 直 接 的关 系 ，因 此 ，有 必 要 对 齿 轮 系
ＡＤＡＭＳ 件 中形 成 虚拟 样机 模 型 ，然后 对 虚拟 样 软
根 据 齿 轮 设 计 的 指 标 和 参 数 ， 在 三 维 软 件
Ｓ ｌ Ｗｏｋ 里利 用拉 伸 、切 除 、旋 转 等命令 进 行零 ｏｉ ｒ ｓ ｄ 件 的三 维建 模 ，然 后进行 装配 ，如 图 １ 所示 。
８５ 。 ．Ｎ
一 ｎ Ｉ Ｊ
止 数 据 丢失 ，这 对 仿 真 结 果 的 正 确性 和 有效 性 有
重 要 的影 响 。齿 轮三 维 模型 以Ｐ ｒｓｌ 格 式 导入 ａａｏｉ ｄ Ａ ＤＡＭＳＶｉｗ后 ，如图２ 示 。 ／ ｅ 所
＝
０５
１０
Ｔｓ （）
机 模 型 进 行 运 动 学 和 动 力 学 仿 真 ，获 得 其 转 速 特 性 曲线 ，为 分析 齿轮 的平稳 运 动提 供参 考依 据 。
基于ADAMS的变速箱动力学仿真分析概要
本科生毕业论文设计题目基于MSC.ADAMS的变速箱动力学仿真分析作者姓名指导教师所在学院专业（系）班级（届） 2009级完成日期 2013 年 5月 6日目录中文摘要、关键词 (1)第1章前言 (2)第2章变速箱的结构和工作原理 (4)2.1 变速箱的主要功能 (4)2.2 变速箱的分类 (4)2.3 变速箱普通齿轮传动的工作原理 (5)2.4 两轴式手动变速器的结构名称 (8)第3章机械系统的分析理论基础 (10)3.1 参考系和坐标系的类型 (10)3.2 坐标系的设置 (10)第4章虚拟样机原理和模型的建立 (12)4.1 虚拟样机技术 (12)4.2 MSC.ADAMS结构功能和动力学方程的建立 (12)4.3 基于MSC.ADAMS虚拟样机模型的建立 (17)4.4 基于MSC.ADAMS建立的四档手动变速器模型 (18)4.5 变速箱模型所受到的约束类型 (18)第5章基于MSC.ADAMS对模型的动力学仿真分析 (20)5.1对二档手动变速箱模型进行仿真分析 (20)5.2 模型所受约束的受力分析 (24)全文总结 (26)结束语 (27)参考文献 (28)致谢 (29)摘要在现在这个世界，已经进入了一个数字科技的时代，科技飞速发展，同样也伴随着计算机技术的快速的发展，体型越来越小，但是功能越来越强大，越来越智能化。
虚拟样机仿真技术的出现和迅速发展为人类更好地研究力学分析提供了方便，同时也为变速箱技术研究和发展提供了必要的条件。
了解汽车变速箱的工作原理和结构功能，并且基于ADAMS软件，对变速箱动虚拟样机模型进行了仿真分析。
得到设计的特性曲线，相关的概念设计、设计方案，详细的设计流程以及计划方案的修改、机械系统的优化处理，甚至故包括诊断各阶段、高准确的仿真分析结果，从而达到减低开发所需要的成本，缩短产品开发时的所需要的时间，提高产品的质量和竞争力。
关键词：变速箱虚拟样机 MSC.ADAMS 仿真分析1前言作为人类知识的不断增强的客观物质世界的能力，已经建立了比较完善的科学理论体系。
基于ADAMS的齿轮变速箱动态特性仿真分析
参考文献： ［1］ 张金菊.结构用锯材非破坏性检测综合分等技术研究 Combigrade
课题第二阶段试验［D］.北京：北京林业大学，2007. ［2］ 盛骤，等.概率论与数理统计［M］.北京：高等教育出版社，2008. ［3］ 王朝志，张厚江.应力波用于木材和活立木无损检测的研究进展
［J］.林业机械与木工设备，2006，34（3）.
有进行其它缺陷的检量，即外观分等没有考虑其它缺陷
3 结束语
因素的影响，今后对此应做进一步的研究。
从本次试验的结果看，应力波检测所得的数据与各 国外观分等结果的相互印证性为：美国的较好，中国和 日本的不好。这表明采用应力波检测法对按美国外观分 等标准分等的试件所含节子的检测比较准确，同时也表 明，美国外观分等方法与中国和日本的外观分等方法相 比能更准确地检测试件的密度。中国和日本外观分等结
角速度 /°·s-1
9000.0 8000.0
z1.CM_Angular_Velocity.Y
tygear
7000.0
6000.0
5000.0
4000.0
3000.0
2000.0
1000.0
0.0 0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
基于虚拟样机模型，在输入轴上添加转速驱动，为了 在仿真过程中转速不出现突变，利用 STEP 函数使转速在 0.2s 内由 0 增加到 1400r/min（8400°/s），关系式为 STEP （time，0，0D，0.2，8400D），如图 3a 所示。输出轴上添加 一个恒定负载转矩 6×106N·mm （该转矩由实际工况决 定），方向与转速驱动方向相反，添加好约束和载荷的
2 建立齿轮变速箱仿真模型
2.1 建立三维实体模型
基于Adams的公转二级减速齿轮动力仿真分析
摘要利用SolidWorks建立普通二级圆柱直齿轮减速机构和公转二级圆柱直齿轮减速机构实体模型，把模型导入Adams中建立运动学仿真分析，给出约束、转速、接触力和负载的添加方法，获得齿轮的啮合力和接触频率图像。
与普通状态下的二级齿轮减速机构对比得出两种状态的下的运动规律，仿真结果表明，理论值和仿真值误差较小，对优化设计公转速度和齿轮传动速度及其齿轮和轴的强度校核提供了一定的理论和技术支持。
关键词公转二级减速Adams动力学仿真2.School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin300384China）Abstract Using SolidWorks to establish the institutions of general level two spur gear and the revolution of two cylindrical gear deceleration entity model,getting the model into Adams to establish the kinematics simulation analysis,given the constraints,speed,contact force and load,get the gear meshing force and frequency of contact pared with the secondary gear reduction mechanism of general condition of two kinds of state of motion,the simulation results show that,the theoretical value and the simulation value has a little error,to provide a certain theoretical and technical support for the revolution speed and speed of gear transmission optimization design and strength checking of gear and shaft.Keywords revolution of two deceleration Adams kinematics simulation0引言二级减速齿轮传动机构是机械传动系统中重要的一部分，圆柱齿轮传动由于具有恒定传动比及传递功率损失很小等传动特点，因此具有其他传动不可替代的优势，因此准确的掌握齿轮传动的力学特性，对整个系统的几何设计和强度设计工作有着重要意义。
基于ADAMS的变速器虚拟样机仿真分析
基于ADAMS的变速器虚拟样机仿真分析陈福向广东粤电集团沙角A电厂, 511700王晓笋武汉大学动力与机械学院, 430072摘要：利用UG二次开发功能建立变速箱的CAD模型，在ADAMS/VIEW内通过装配建立模型的虚拟样机模型，通过编写接触力计算子程序实现了轮齿啮合力的计算，结合脚本控制语句实现了变速换挡过程的仿真。
关键词：变速器，虚拟样机，啮合力，换挡1.CAD模型的建立ADAMS/VIEW环境下需要借助外界CAD软件建立变速箱模型，采用Unigraphics(UG)[1]提供的Opengrip二次开发语言，编写了外啮合齿轮的参数化建模程序[2]，通过调试编译生成可执行文件gear.grx。
在UG中齿轮的参数化建模程序的运行界面如下图1所示，需要提供的信息有齿轮的模数m、齿数Z、压力角A、齿顶高系数F、齿根高系数C、变位系数X 和齿厚B。
图1、UG内参数化齿轮建模对话框图2、在UG里建立的CAD模型图2所示的就是在UG中建立的变速箱CAD模型，对于造型复杂的齿轮可以很方便的建立，而且可以实现啮合齿轮对之间的轮齿精确咬合，从而为下一步向ADAMS中传输准确模型奠定了基础，ADAMS的SOLVER核心程序计算时，支持的基本三维模型格式是PARASOLID格式，因此，在UG中利用该软件提供的输出功能，输出所有独立刚体的PARASOLID格式文件。
2.虚拟样机模型的建立图3、变速箱的虚拟样机动力学模型（不含机架）利用ADAMS/VIEW进行组装，并根据各个部件之间的运动约束关系，在刚体上添加不同的铰约束和相互的接触力作用，其中接触力使用用户自编译的动态链接库文件计算，得到了变速箱的虚拟样机模型，如图3所示。
为了加快模型计算速度和计算的精确度，利用ADAMS软件提供的二次开发接口，利用FORTRAN编写了接触力的子程序，主要的ADAMS内部函数包括CNFSUB和CFFSUB，其中CNFSUB子函数用于计算接触力，其格式如下：SUBROUTINE CNFSUB(ID, TIME, PAR, NPAR, LOCI, NI, LOCJ, NJ,& GAP, GAPDOT, GAPDOTDOT, AREA, DFLAG, IFLAG, FORCE)其中PAR为程序输入参数，PAR被定义为一个列向量，其中K = P AR(1)表示接触刚度，E = P AR(2)表示刚性接触力指数，C = P AR(3)表示阻尼，D = P AR(4)默认穿透深度。
基于ADAMS软件下的变速器虚拟样机仿真分析
基于ADAMS软件下的变速器虚拟样机仿真分析作者：巢鑫来源：《商情》2016年第50期[摘要]：本文基于ADAMS软件，对变速箱动力学虚拟样机模型进行了仿真分析。
从而能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、实验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、减低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。
[关键词]：变速器虚拟样机仿真分析1Pro/E软件模型的建立ADAMS环境下需要借助外界CAD软件建立变速箱模型，本文采用Pro/Engineer软件对建立的变速箱模型进行结构分析。
应用Pro/E软件建立与实物相对应的变速箱三维实体模型，在利用多体动力学仿真软件ADAMS与Pro/E之间接口MECHANISM/Pro将所建立的三维实体模型传送到ADAMS/View 模块中。
根据各子系统工作原理在MSC.ADAMS平台上施加合理的约束，并建立各子系统虚拟样机，保证传动系统虚拟样机与真实样机的工作原理相一致。
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作。
换句话说，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上，以确保所有的零件和各个环节保持相关性和协调性。
例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。
2虚拟样机模型的建立变速器位于传动部分中央，由箱体、主动轴总成（包括一级锥齿轮传动）、中间轴总成（包括中间轴和各级变速齿轮的主动齿轮）、主轴总成（包括主轴和各级变速齿轮的被动齿轮）、倒挡轴总成和换挡机构组成。
由于变速箱子系统具有6个挡位，一挡、二挡、三挡、四挡、五挡及倒挡，因此本文根据变速箱的工作原理建立了与6个挡位对应的虚拟样机，建立变速箱子系统各挡位相对应的虚拟样机。
变速箱的仿真设计与分析
摘要计算机性能的飞速提高和虚拟样机仿真技术的迅速发展及CAD/CAE/CAM在汽车产品设计开发中的广泛采用，为变速箱技术的深入研究提供了必要的条件。
ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件，是由美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件。
本文基于ADAMS软件，对变速箱动力学虚拟样机模型进行了仿真分析。
从而能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、实验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、减低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。
首先对某型变速箱的工作原理、类型、发展及现状等进行了阐述；简要介绍了多体系统动力学的理论基础，对大型多体系统动力学仿真软件ADAMS进行了详细介绍。
并在对ADAMS 软件熟悉的基础上对变速箱动力学虚拟样机模型进行了仿真分析。
关键词：变速箱ADAMS虚拟样机仿真分析浙江工业大学成教毕业论文目录第1章绪论 ....................................................................................................................................................... - 1 -1.1 变速箱简介 .............................................................................................................................................. - 1 -1.1.1 变速箱工作原理 ....................................................................................................................... - 1 -1.1.2 变速箱的类型 ........................................................................................................................... - 1 -1.1.3 变速箱的关键部件 ................................................................................................................... - 2 -1.2 本文研究的主要内容和目的意义 .......................................................................................................... - 2 -第2章多体系统动力学研究的理论基础 ....................................................................................................... - 3 -2.1 多体系统动力学简介 .............................................................................................................................. - 3 -2.1.1 多体系统动力学的研究方法 ..................................................................................................... - 3 -2.1.2 多体系统动力学在汽车动力学分析中的应用.......................................................................... - 4 -2.2 虚拟样机技术 .......................................................................................................................................... - 4 -2.3 机械系统动力学仿真分析软件ADAMS ............................................................................................... - 4 -2.3.1 ADAMS 软件简介 ......................................................................................................................... - 4 -2.3.2 ADAMS 软件的特点 ................................................................................................................... - 5 -2.3.3 ADAMS 软件模块简介 ................................................................................................................. - 5 -2.3.4 ADAMS分析软件的计算方法 ...................................................................................................... - 6 -第3章虚拟样机仿真模型的建立 ................................................................................................................. - 10 -3.1 应用Pro/E软件对变速箱模型进行结构分析 ..................................................................................... - 11 -3.2 基于ADAMS软件建立变速箱虚拟样机模型 .................................................................................. - 14 -3.3 对变速箱虚拟样机模型的动力学仿真分析......................................................................................... - 15 -3.4 仿真结果分析 ........................................................................................................................................ - 16 -第4章全文总结 ............................................................................................................................................. - 16 -参考文献 ............................................................................................................................................................... - 17 -第1章绪论1.1 变速箱简介变速箱是各类机械传动系统中常用的传动装置，因其结构紧凑，传动效率高，传递扭矩大，且传动比准确，在各类机械中得到了广泛的应用。
ADAMS齿轮啮合的动力学仿真
软件 。其 中 , ADAMS/ Exchange 接 口 模 块 利 用 IGES、 STEP、STL 、DWG/ DXF 等产品数据交换库的标准格式 文件 ,可以实现 ADAMS 与 CATIA 、Pro / E、UG、ANSYS 等优秀 CAD/ CAE/ CAM 软件的数据双向传输 ;对于把 ADAMS 的 菜 单 嵌 入 到 CAD 软 件 , 其 中 以 Pro/ E 和 ADAMS 的专用接口模块 Mechanism/ Pro 较为方便和成 熟 ,二者采用无缝连接的方式 ,不需要退出 Pro/ E 应用 环境 ,就可以装配的总成根据其运动关系定义为机构 系统 ,进行系统的动力学仿真 ,从而确定系统的力 、位 移 、速度 、加速度等力学性质[2] 。本文是基于 Mecha2 nism/ Pro 接口模块进行设计和数据传输的 。
3 OPTDES - SQP :使用 OPTDES 的二次规划算法 。 3 DOT1 :是指用具有 BFGS 的 DOT 方法处理无约 束问题 ,用具有 MMFD 的 DOT 算法处理约束问题 。 3 DOT2 :是指用具有 FR 的 DOT 方法处理无约束 问题 ,用具有 SLP 顺序线性规划的 DOT 算法处理约束 问题 。
第 30 卷 第 6 期 基于 Pro/ E 和 ADAMS 齿轮啮合的动力学仿真 67
数 。比如齿轮 ,工程上所定义的自变参数有齿数 、压力 角 、螺旋角 、模数和齿宽等 ,因变参数有基圆 、分度圆 、 齿顶圆 、齿根圆等 。用户只须输入以上齿轮自变参数 , 便可得到所需齿轮 ,从而快速完成齿轮的建模 。圆柱 齿轮的主要自变参数如表 1 所示 。
sd # = RB - M / 3 sd # 为线段底部到齿轮中心距离 sd # = R-A - RB + 1. 125 3 M / 3 sd # 为线段长度 然后草绘变截面扫描剖面曲线 (垂直于扫描轨迹 曲线) ,其中参数尺寸关系如下 RY = RB - M + TRAJ PAR 3 ( R-A - RB + 1. 125 3 M) / 3 RY为齿形任意点半径 SB = RB 3 ( PI/ Z + 2 3 SETA + 4 3 X 3 TAN (N) / 3 SB 为基圆弧齿厚
基于ADAMS的锥齿轮传动系统动态特性仿真和可靠性疲劳分析
机床与液压
MACH I N E TOOL & HYDRAUL ICS
Dec12007 Vol135 No112
基于 ADAMS的锥齿轮传动系统动态特性仿真和可靠性疲劳分析
汪红波 , 马世平 , 汪红刚
1 1 2
( 11 浙江师范大学 , 浙江金华 321004; 21 浙江省台州市路桥中学 , 浙江台州 318050 )
计算机仿真基于adams的齿轮啮合过程中齿轮力的动态仿真机械设计与研究2005高等教育出版社19891基于遗传算法的圆锥齿轮传动模糊优化设计机械设计2001181科学出版社20001中国科技信息2005221基于adams的传动装置的虚拟建模和仿真山西冶金2006吴大林康海英1基于adams的锥齿轮传动系统动态特性仿真军械工程学院学报2004汉族讲师主要研究方向为机械模具设计的研究
μ α =
σv - σ μ σL ≤ σ≤ σ σv - σ- L 0 其它区间
[5 - 6 ]
收稿日期 : 2006 - 12 - 25
(上接第 179 页 ) 确 、合理 、科学的评价 , 为机械设备维护管理提供理 论依据 , 该方法简便易行 。本文得出如下结论 : ( 1 ) 从机械设备的状态监测 、经济性和安全影 响的角度出发 , 选取了可靠性 、维修性 、技术性能 、 经济性 、监测性和安全性 6 个方面的健康指标 , 建立 了机械设备健康指标体系 。 ( 2 ) 按照功能相关原则 , 将机械设备划分为各 功能子系统 , 通过对各功能子系统进行健康状态评 价 , 建立功能子系统的健康状态情况数据库 , 从而实 现机械设备的整体状态评价 , 为健康维护策略提供定 量性决策理论依据 。 ( 3 ) 通过对机械设备功能的划分 , 得出机械设 备的健康评价可采取多级综合评价 , 底层基本功能单 元的评价则是对各个基本健康指标的评价 , 然后采取 “ 从下而上 ”的方式 , 一级一级往上评价 , 最后得到 机械设备各系统的健康评价值 , 并给出了机械设备健 康状态评价层次模型 。
基于ADAMS的变速器虚拟样机仿真分析
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基于CATIA和ADAMS的齿轮传动系统动态特性仿真
(上接第 7页 ) D0 为两个碰撞体的惯性中 心距。该函数综合考虑了 齿轮啮合中的多种因素 ,是 较为精确的一种仿真力方 法 [4,5] 。齿轮啮合虚拟样机 模型如图 2所示。
3 齿轮传动装置的 虚拟仿真
基于建好的仿真 模型 ,对传动装置从启 动到启动完毕阶段的 一对啮合齿轮 ,在输入 轴上加转速驱动。为 了施加转速时不出现 突变 ,使用 STEP函数 使转速在 011 s内由 0 增 加 到 1 500 r /m in (9 000°/ s) , 即 , STEP ( time, 0, 0D, 1, 9 000D) ( time为时间自变量 )。 输出轴上施加一定的 负载转矩。仿真时间 为 2 s,步长取 0101 s 进行仿真。仿真结束后 ,启动 ADAMS/ PostProcessor模块 ,得 到主动齿轮转速和从动齿轮转速如图 3、4所示 ,齿轮啮合力源自如图 5所示。 由图中可以看出
0 s到 1 s之间 ,为加速 阶段 , 随着速度的增 加 ,啮合力的波动幅度 增加 ,波动周期减小。 在 1 s以后 ,为恒定转速 阶段 ,从动齿轮转速在一个均值附近上下波动 ,波动周期和波 动幅度 (即齿轮传动中的动载荷 )都表现为一个较为稳定的 值。传动啮合力在增速阶段较为平稳 ,在转速达到恒定值时 , 存在一定的波动 ,体现了轮齿周期性啮合的特点。
参考文献
315工作台与中间底座的设计 由于通用件采用 40系列动力箱、机械滑台、侧底座 ,它们
高度为一定值 ,夹具部件又有一个高度定值 ,故需要将工作台 与中间底座的高度严格控制。通常中间底座与侧底座的高 度一致 ,所以工作台的高度即为一定值。
通过以上的设计介绍 ,一台简单的 N485Q齿轮室单面多
1王光斗 ,王春福主编 1燕山大学 ,洛阳工学院 ,长春汽车工业高等专科 学校编 1机床夹具设计手册 (第 3版 ) 1上海科学技术出版社 12000年 11月 2大连组合机床研究所编 1组合机床设计参考图册 (第 1版 ) 1机械工业 出版社 11975年北京 3谢家瀛主编 1组合机床设计简明手册 (第 1版 ) 1机械工业出版社 11994 年 2月北京 4袁哲俊 ,刘华明主编 1刀具设计手册 (第 1版 ) 1机械工业出版社 11999 年 6月 5邱宣怀主编 1机械设计 1高等教育出版社 , 2003
基于ADAMS的行星齿轮系的运动仿真
基于ADAMS的行星齿轮系的运动仿真孙宏，杨为（重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044）摘要：以某行星齿轮实例为载体，通过Pro/ E 建立精确行星轮系的三维模型，并使用ADAMS 对该轮系齿轮啮合情况进行动力学仿真分析；仿真结果表明，发现仿真结果与理论结果的误差不到2%，由此得出基于Pro/ E 和ADAMS 所建立的模型进行齿轮啮合分析是正确的，并提出了Pro/ E模型导入ADAMS 的更便利的新方法。
关键词：Pro/ E，ADAMS，行星轮系，齿轮啮合Abstract：Based on a specific planetary gear system, establish a precision 3D model by Pro/E software, and process kinematic simulation analysis for planetary gear mesh by Adams .The simulation results demonstrate that error between simulation results and theoretical result is less than 2%,then we can draw a conclusion that the planetary gear system based on Pro/E and ADMS is correct, thereby it provides a new approach to meshing force analysis for planetary gear system. Meanwhile it provides basic data for the finite-element analysis, and makes further optimization design evidence-based.Keyword：Pro/E Adams Planetary gear Meshing force1.引言行星齿轮传动系统以其结构紧凑、传动比范围大、传动效率高等的优点, 在各种机器和机械装备中被广泛使用, 其力学行为和工作性能对整个机器性能有重要影响。
基于ADAMS的直齿圆柱齿轮动态性能仿真分析
第15期2023年8月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.15August,2023基金项目:徐州市科技计划项目;项目名称:大型高功率密度卷扬行星齿轮减速机的关键制造技术;项目编号:KC21099㊂作者简介:王春明(1970 ),男,江苏徐州人,高级工程师,本科;研究方向:行星齿轮减速机㊂基于ADAMS 的直齿圆柱齿轮动态性能仿真分析王春明1,张㊀磊2,张㊀彭1(1.徐州博远传动机械有限公司,江苏徐州221100;2.徐州工程学院机电工程学院,江苏徐州221018)摘要:齿轮传动是机械领域最重要的传动方式,其中直齿圆柱齿轮是使用最为广泛的类型,适应于多种传动场合,主要起到承载以及传动作用㊂在多数高速或者重载场合中,齿轮组往往承受较大载荷或者啮合次数较多,对齿轮组的工作性能以及使用寿命具有较大的影响㊂因此对齿轮组的啮合情况进行动态分析具有重要意义㊂文章通过建立直齿轮组的虚拟样机模型,进行动态仿真分析,对其传动比㊁齿轮组啮合力以及各齿在工作过程中的动态响应进行深入研究,为直齿圆柱齿轮传动性能改善㊁啮合特性优化提供理论依据㊂关键词:直齿圆柱齿轮;动态仿真;啮合力;ADAMS 中图分类号:TG86;TP391.41㊀㊀文献标志码:A 0㊀引言㊀㊀直齿圆柱齿轮是齿轮传动中的关键部件,广泛应用于短距离传动场合,主要用于减速器㊁变速箱㊁组合传动轮系,具有传动平稳㊁工作效率高㊁无轴向分力等特点㊂随着工业技术的不断发展,相关领域对于齿轮组传动的精确性㊁平稳性提出了更高的要求,特别是一些高精密仪器,任意齿轮对的传动情况都会对仪器的工作性能造成影响,因此对齿轮组的工作特性进行深入研究显得尤为必要㊂基于齿轮组实体的研究工作周期长㊁成本高㊁测量分析误差较大,所能研究的内容也受测量方式等的诸多限制,其研究效率较低㊂随着虚拟仿真技术的快速发展,虚拟仿真软件趋于成熟,使用虚拟仿真技术对齿轮组进行仿真研究具有周期短㊁成本低㊁研究内容丰富多样㊁数据测量计算准确等诸多优点㊂目前,有许多专家学者在对齿轮传动动力学特性进行研究分析,王晓芳等[1]利用Pro /E 软件建立动车组齿轮箱模型,利用ADAMS 对其进行动力学仿真分析,计算得到齿轮箱齿轮的角速度㊁齿轮间啮合力,并进行对比分析;朱玉泉等[2]利用Solidworks 建立减速器行星齿轮传动三维模型,利用ADAMS 对其进行运动学仿真分析,获取输出角速度及角加速度,以此分析行星齿轮系统传动的平稳性和可靠性;蔡晓娜[3]建立直齿圆柱齿轮动力学模型,对其转速及动态啮合力进行仿真分析,研究结果为直齿圆柱齿轮传动性能改善㊁振动噪声的减小及啮合特性的优化提供理论依据㊂本文利用虚拟样机仿真技术对直齿圆柱齿轮组进行深入研究与分析,通过ADAMS 软件建立直齿圆柱齿轮的虚拟样机模型,获取主动齿轮及从动齿轮的转动角速度,并对主动齿轮添加负载,获取直齿圆柱齿轮啮合齿对的啮合力,相关数据为直齿圆柱齿轮的有限元分析提供理论依据㊂1㊀直齿圆柱齿轮实体模型建立㊀㊀本文研究的直齿圆柱齿轮组为减速齿轮组,由一大一小两个齿轮组成,其中小齿轮作为主动轮,大齿轮作为从动轮㊂齿轮组的相关参数如表1所示㊂表1㊀齿轮组参数部件名称齿数模数/mm 压力角/ʎ齿宽/mm 主动轮171020100从动轮251020100㊀㊀根据表1中主动齿轮及从动齿轮相关参数,在Solidworks 中绘制主动齿轮及从动齿轮的三维实体模型,进行装配,得到主动齿轮与从动齿轮相互啮合的齿圆柱齿轮组,装配体模型如图1所示㊂2㊀直齿圆柱齿轮动力学仿真分析㊀㊀在建立正确的直齿圆柱齿轮组三维实体模型基础上,利用ADAMS 软件建立虚拟样机模型,对齿轮组进行动力学仿真,并对齿轮动态特性进行分析㊂2.1㊀建立直齿圆柱齿轮虚拟样机模型㊀㊀将直齿圆柱齿轮三维实体模型另存为Parasolid221 Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图1㊀直齿圆柱齿轮组装配体模型注:1 主动齿轮;2 从动齿轮㊂(∗.x t)格式导入ADAMS软件,对其进行过约束检查[4],在Solidworks中对模型建立不正确的结构㊁配合进行修改,重新导入ADAMS软件,直至模型验证正确㊂在ADAMS中对直齿圆柱齿轮虚拟样机模型进行前处理,设置模型相关材料属性,定义部件材料属性为steel㊂而后设置零部件之间的运动副关系,如表2所示㊂表2㊀运动副关系部件名称约束关系主动轮与地面转动副从动轮与地面转动副主动轮与从动轮接触副㊀㊀为了模拟直齿圆柱齿轮传动实际工况,利用仿真软件接触力功能模拟两轮齿之间的啮合力,接触力相关参数设置如表3所示[5]㊂表3㊀接触力参数㊀㊀为使直齿圆柱齿轮虚拟样机模型运动,需对主动轮添加驱动函数,为使齿轮转动平稳,在0~1s设置缓冲时间,转速由0逐渐增加至3000ʎ/s,运动至5s 齿轮停止转动,其中STEP函数设置为STEP(time,0, 0,1,3000d),为模拟实际工况,需对主动齿轮添加负载450kN㊂同样在0~1s设置缓冲时间,负载由0逐渐增加至450kN,STEP函数设置为STEP(time,0,0, 1,450000),其中设置完成的直齿圆柱齿轮虚拟样机模型如图2所示㊂在此基础上,设置仿真时间5s,仿真步长1000步,对其进行动力学仿真㊂2.2㊀动力学仿真结果分析㊀㊀对建立的直齿圆柱齿轮虚拟样机模型,根据实际图2㊀虚拟样机模型工况,添加驱动函数及负载后,对其进行动力学仿真,对仿真结果进行分析,得到主从齿轮输入角速度如图3所示㊂图3㊀主动轮角速度从图3能够得出在0~1s属于缓冲期,主动轮角速度由0逐渐增加至3000ʎ/s,防止角速度的突变造成仿真误差㊂1~5s主动轮角速度保持平稳,角速度维持在3000ʎ/s,直齿圆柱齿轮平稳转动,在此阶段得到的齿轮动力学参数较为准确,误差较小,获取从动齿轮输出角速度变化曲线如图4所示㊂图4㊀从动轮角速度从图4能够得出,从动轮在0~1s,从动轮角速度逐渐增加至最大值,曲线走势与主动轮角速度变化曲线走势一致,其角速度最终在2040ʎ/s上下范围内小幅波动,仿真计算得其传动比约为1.47,与理论传动比相等,验证了虚拟样机模型的准确性[6]㊂1s之后曲边呈现周期性变化趋势,主要是由于齿轮在稳定运转阶段进行周期性啮合引得的,而波动是由于直齿圆柱齿轮在相互啮合过程中的振动㊁碰撞噪声所引起的[7],获取主动轮施加载荷曲线如图5所示㊂321Copyright©博看网. All Rights Reserved.图5㊀主动轮施加负载从图5可知,在0~1s 时间内,负载由0逐渐增加至450kN;在1~5s 时间内,保持稳定负载输入,为主动轮施加负载模拟实际工况后,通过软件功能求解出齿轮对接触力的动态变化过程,如图6所示㊂0~1s 的过程中,接触力峰值不断增大,且呈现波动趋势,于1s 左右接触力达到最大[8],1s 之后接触力变化呈现周期性波动,表明齿轮间在啮合过程中有明显的冲击现象㊂图6㊀直齿圆柱齿轮啮合齿对的动态啮合力3 结语㊀㊀通过建立直齿轮轮组的虚拟样机模型,根据实际工况对主动轮施加实际负载以及转速,对其进行动力学仿真分析,得到从动轮的输出转速,计算其传动比㊀㊀等于理论传动比,验证了虚拟样机模型的准确性㊂通过对轮齿啮合力的仿真分析,得出啮合力处于周期性波动的结论,对于研究齿轮组共振频率具有一定的意义,有利于深入研究齿轮组噪声以及振动,以便提升运转平稳性㊂参考文献[1]王晓芳,宋东升,王旭,等.基于Pro /E 与ADAMS 的动车组齿轮箱传动动力学分析[J ].现代制造技术与装备,2023(2):41-42.[2]朱玉泉,于景华.基于ADAMS 的行星轮系减速器运行平稳性分析[J ].机械工程与自动化,2021(4):85-87.[3]蔡晓娜.基于ADAMS 的直齿圆柱齿轮动力学仿真[J ].煤矿机械,2019(9):184-186.[4]潘毅,许妍妍,樊智敏.双渐开线齿轮柔性多体动力学分析[J ].机电工程,2022(8):1088-1095.[5]徐方舟,魏小辉,张明,等.基ADAMS 的齿轮齿条刚柔耦合啮合分析[J ].机械设计与制造,2012(7):200-202.[6]曹国亮,许晶晶,朱海兵,等.直齿圆柱齿轮传动的参数化设计及仿真[J ].现代制造技术与装备,2021(2):107-108.[7]刘云霞.高速齿轮传动系统动态性能分析研究[D ].西安:长安大学,2020.[8]马敏波,崔焕勇,王成,等.齿轮传动过程中的动力学分析[J ].现代制造技术与装备,2017(6):8-9.(编辑㊀沈㊀强)Simulation analysis of dynamic performance of spur cylindrical gears based on ADAMSWang Chunming 1Zhang Lei 2Zhang Peng 11.Xuzhou Boyuan Transmission Machinery Co. Ltd. Xuzhou 221100 China2.School of Mechanical &Electrical Engineering Xuzhou University of Technology Xuzhou 221018 ChinaAbstract Gear transmission is the most important transmission method in the field of machinery among which straight cylindrical gears are the most widely used type suitable for various transmission occasions mainly playing a load -bearing and transmission role.In most high -speed or heavy -duty situations gear sets often bear large loads or engage multiple times which has a significant impact on the working performance and service life of gear sets.Therefore dynamic analysis of the meshing situation of gear sets is of great significance.This article establishes a virtual prototype model of a spur gear group conducts dynamic simulation analysis and conducts in -depth research on its transmission ratio gear group meshing force and the dynamic response of each tooth during the working process providing theoretical basis for improving the transmission performance and optimizing the meshing characteristics of spur cylindrical gears.Key words spur gear dynamic simulation meshing force ADAMS421 Copyright ©博看网. All Rights Reserved.。
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收稿日期：2009－08－24
建立齿轮箱的实体模型，然后导入 ADAMS 中进行动力
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 用日本外观分等方法与采用中国外观分等方法一样不 果与应力波检测结果对应关系不好的原因可能是由于
能较好地检测试件的密度。
本次外观分等检测仅进行了节子这一缺陷的检量而没
①空档时，只有 Z1 和 Z2、Z7 和 Z8 两对齿轮啮合；
②一档时，拨叉拨动 Z6 和 Z5 啮合，此时齿轮箱传动
路线为
Z1→Z2→Z5→Z6，传动比为
i1=
Z2 Z1
× Z6 Z5
＝
29×29 15×18
=
3.15；
③二档时，拨叉拨动结合套与 Z4 结合，此时齿轮箱
传动路线为
Z1→Z2→Z3→Z4，二档传动比为
工作。变速箱属于汽车的传动部件，对其进行运动学和 模型基础上，其不仅对工程技术人员的理论知识要求很
动力学的研究非常重要。常规的机械设计理论和材料力 高，设计也不可能实现参数化，不能满足现代设计的要
学方法只能得到近似的静载荷数值，与实际情况相差较 求，所以这种方法通常只用在理论研究中。而利用 Pro/E
碰撞力数值为零；当 q<q0 时，两物体发生碰撞，其碰撞
力大小与刚度系数 K、变形量 q0-q、碰撞指数项 e、阻尼
系数 C 和阻尼完全作用时变形距离 d 有关。刚度系数
K
取决于撞击物体的材料和结构形状，K=
4 3
R0.5E*，其
中
1 R
=1 R1
+1 R2
，E1*
= 1-v21 E1
+ 1-v22 E2
32
林业机械与木工设备
第 37 卷
学仿真分析，则可很好地解决上述问题。
1 齿轮变速箱机构分析
本文以 BJ2020 型齿轮变速箱为研究对象，该变速
箱结构简图如图 1 所示，其设有三个前进档和一个倒
退档。变速箱输入轴通过联轴器与电动机相连，电动机
标 定 转 速 为 n =1400r/min。 变 速 箱 输 入 轴 轴 承 采 用
i2=
Z2 Z1
× Z4 Z3
＝
29×22 15×24
=1.77；
④三档时，拨叉拨动结合套与输出轴花键啮合，输
入轴与输出轴由花键连接成为一根轴，此时传动比为
i3=1；
⑤倒档时，拨叉拨动 Z6 和 Z8 啮合，此时齿轮箱传动
路线为
Z1→Z2→Z7→Z8→Z6，倒档传动比为
i4=
Z2 Z1
× Z8 Z7
（Southwest Forestry College, Kunming Yunnan 650224, China）
Abstract：Based on three dimensional modeling software Pro/E , the physical model of BJ2020 gear box is constructed and transferred into ADAMS, and then the virtual prototype model of the gearbox is established by adding constraint and load. According to the working state of the gearbox in the second gear, the dynamic simulation is carried out, obtaining the revolution of the output shaft, mesh force of all gears and meshing frequency. The simulation result and the theoretical calculation value match, verifying the accuracy of the simulation. Key words：gear box; dynamic simulation; meshing frequency
×
Z6 =3.74。 Z8
各档位输出轴转速为：
i 0 0 0 N n →
→1
11 1
→ →
1
→1 →1
1
1 1
1 1
1
1 1
0→
→ →
0→
→ →
i2 0
0 i3
0 0
N → 1
→ 11 →1
2
N → 1
→1 →1
3
11 1
n 11 11 1 11
11 1
=1 1 1 n 1 1 1 1
11 1
0 0 0 i N n →→
角速度 /°·s-1
9000.0 8000.0
z1.CM_Angular_Velocity.Y
tygear
7000.0
6000.0
5000.0
4000.0
3000.0
2000.0
1000.0
0.0 0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
摘 要：基于三维造型软件 Pro/E 构建 BJ2020 型齿轮变速箱的实体模型，并将其导入到 ADAMS 中，添加约束 和载荷后建立变速箱虚拟样机模型，根据变速箱在二档时的实际工况，对其进行动力学仿真，得到输出轴转速、各 级齿轮啮合力及啮合频率。仿真结果与理论计算值对比数据较吻合，验证了仿真的准确性。
→1
= → 1
→1
N n → 1
1
21
1
1
3
1 1
11
11 1
11
11
1 1
1
1 1
1
→1
11 1
011
→
0
0 3.74 N n →→ 1
11 1
→1 4 1 1 1 1
（2）
现有的文献已对圆柱齿轮传动的动态特性做了比
较详细的介绍，因此，本文主要以斜齿轮传动的二档进
行 ADAMS 仿真，分析其斜齿轮传动的动态特性。
ADAMS 中，接触力定义为：
0F_impact=0
（3）
K（q0-q）e-C·（dq/dt）·STEP（q，q0－d，1，q0，0）
式中：STEP 为阶跃函数；q0 为两物体间初始距离；q 为
物体碰撞过程中的实际距离；q0-q 为碰撞过程中的变
形量。在式（3）表示当 q≥q0 时，两物体不发生碰撞，其
14
6
Ⅰ
Ⅱ
8
Ⅳ
Ⅲ
7Leabharlann 235图 1 变速箱结构简图
Ⅰ.输入轴；Ⅱ.输出轴；Ⅲ.中间轴；Ⅳ.倒档轴；
1．Ⅰ轴常啮合齿轮 Z1；2.Ⅲ轴与Ⅰ轴常啮合齿轮 Z2；3．Ⅲ轴二档斜
齿轮 Z3；4.Ⅱ轴滑动斜齿轮 Z4；5．Ⅲ轴一档直齿轮 Z5；6.Ⅱ轴滑动
直齿轮 Z6；7．Ⅲ轴倒档常啮合齿轮 Z7；8.Ⅳ轴倒档常啮合齿轮
2 建立齿轮变速箱仿真模型
2.1 建立三维实体模型
ADAMS/View 可提供两种刚性构件的造型方法。一 种是利用 ADAMS/View 提供的建模工具，直接创建刚 性构件；另一种方法是通过 ADAMS/View 与其他 CAD 软件的数据接口，直接导入 CAD 几何模型，再通过适 当的编辑转变成 ADAMS 中的刚性构件。由于 ADAMS/ View 的三维造型能力不强，不能建立复杂的零件模型， 所以应先根据齿轮变速箱的结构尺寸，应用 Pro/E 造型 软件对变速箱各组成部分进行三维造型并装配成整 体。由于 ADAMS/View 只提供 Para solid、STEP、IGES、 SAT、DXF 和 DWG 等格式的模型数据交换接口，因此 在保存模型时需保存为 Para solid 格式的文件，装配图 的输出操作为：file→export→parasolid，选择导出格式时 选择.xmt_txt 文件类型。ADAMS 的导入操作是 file→ Import→parasolid，注意在输入时选择.xmt_txt 格式，找 到 Pro/E 的输出文件名。导入模型后编辑构件的属性 （包 括 颜 色 、位 置 、名 称 和 材 料）和 定 义 模 型 的 质 量 信 息，最后得到齿轮变速箱虚拟样机模型如图 2 所示。
图 2 齿轮变速箱虚拟样机模型
2.2 添加约束和载荷
在建立虚拟样机模型的基础上，定义各构件的约 束关系。根据齿轮变速箱位于二档时的实际传动情况， 拨叉拨动结合套使 Z4 与 Z3 啮合，此时齿轮箱传动路线
第 11 期
谭 智，等：基于 ADAMS 的齿轮变速箱动态特性仿真分析
33
为 Z1→Z2→Z3→Z4，因此，定义各构件之间的约束关系如 表 1 所示。
→→ 11
11 11
11
→
4 →1 4 1 1 1 1
（1）
式中：n1 为输入轴的转速，Ni 为第 i 档时输出轴的转速。
将各档传动比代入式（1），得：
→13.15 0
1
00
N n →1
11 1
→1 →1
1
1 1
1 1
1
1 1
1
→1
11 1
01
1 1
01
1 1
1.77 0 0 0 10
→1
N n → 1
参考文献： ［1］ 张金菊.结构用锯材非破坏性检测综合分等技术研究 Combigrade
课题第二阶段试验［D］.北京：北京林业大学，2007. ［2］ 盛骤，等.概率论与数理统计［M］.北京：高等教育出版社，2008. ［3］ 王朝志，张厚江.应力波用于木材和活立木无损检测的研究进展
［J］.林业机械与木工设备，2006，34（3）.