基于ADAMS的齿轮变速箱动态特性仿真分析

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）.