基于ADAMS的齿轮传动特性仿真分析

ｌ　訇　化　基于ＡＤＡＭＳ的齿轮传动特性仿真分析　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａ队ＭＳ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　连锦程，崔建昆　ＬｌＡＮ　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－Ｔ－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：ＴＨ１　３２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　００９—０１　３４（２０１１）１　２（上）一０１　４８—０３　Ｄｏｉ：１　０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１１．１　２（Ｉ－）．４４　０引言　在齿轮产品试制之前，对齿轮空载和承载情　立详细的几何模型，而由ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中的零件　机架（Ｇｒｏｕｎｄ）替代。物理样机中原来安装在泵　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、　体基座中的渐开线齿轮，直线齿廓内齿轮和月牙　在简化后的虚拟样机中根据ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ默认设　置，在导入齿轮副装配体过程中直接定义安装在　机架上。导入到ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ环境下的齿轮副的　几何模型　如图１所示。　＆　ｇ　《　ｇｇｇ　ⅡＥ　日§Ｅ　■ｚ口　Ⅲ　日■日　ｍ　∞Ⅱ　ｇ目％ｍ■　目　日《　《ｓ　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　一飘醐　１　Ｅｉｌｅ　Ｅｄｌｌ　Ｖｉｅｗ旦ｕｌｉｄ　Ｓｉｍｕｌ，￣ｅ　Ｂ鲥ｅｗ　Ｓｅｔｔｉｎｇｓ　ＩＤＯ　ＬＳ　Ｈｅｌｐ　Ｖｉｂ　ｒａｔｉｏ　。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。　Ｉ　Ａ．　｝ｅｈｉｌｕｎｂｅｎｇ　ｊ　圈　．　１　ＩｉＩ　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　囤　鲁．　ｌ　，　ｌ　－ｍ　逸　ＶｉｅｗＩ　；ｏｎｔｒ。Ｉ　ｐ　瓤　ｌｎｅｒｅｒｌ　ｅｌｎｌ　丽＿　Ｉ　ｌ　ｌｌ　嚣　Ｉ　Ｉ　ｄ　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　＿ｒ一　　ｆ　『　ｌ　ｒ　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…。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　】。　固　雹　和　也～　　ｌ＿　●ＲＧｅ　ｎｒｉｄ　ｅｒ固．Ｄ　Ｉｃｅｏｐｎｔｈｓ　ｌ｛　ｌ１．２齿轮材料的选取和设置　—　图１泵齿轮吕　的几何模型　１．１齿轮泵样机简化几何模型导入：￣ＪＡＤＡＭＳ　齿轮泵属于典型的旋转类机械，在轴承上固　定的外齿轮作为工作的主体，驱动直廓内齿轮，　通过莱单设置内外齿轮材料，内外齿轮材料　内齿轮在旋转运动过程中，依靠固定的月牙体　选择的原则为：应使齿面具有足够的耐磨性和硬　度，渐开线齿心具有足够的韧性，以防止齿面　的各种失效，还应具有良好的冷、热加工的工艺　性，以达到齿轮的各种技术要求。考虑齿轮泵在　泵油过程中受到油压载荷冲击特殊的工况要求，　把内外齿轮的型腔分为高低压区，主动的内齿轮　在原动件电机的驱动下把液体从低压区输向高压　区。齿轮泵齿轮副主要部件在导入ＡＤＡＭＳ软件　环境中，定位齿轮副部件的泵体基座不再单独建　收稿日期：２０１１－０９－１２　作者简介：连锦程（１９８４一），男，陕西榆林人，研究生，研究方向为电动汽车行星齿轮传动。　［１４８］　第３３卷第１２期２０１１－１２（上）　务ｌ　匐　化　选用硬度和韧性综合性能好的优质碳素结构钢。　ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ环境下通过几何体积和材料类型直　接设置齿轮副内外齿轮的物理特性：材料密度为　ｐ＝７．８０１ｅ一００６ｋｇ／ｍｍ＊＊３，泊松比为Ｙ＝０．２９和弹性　模量为Ｅ＝２．０７ｅ＋００５ｎｅｗｔｏｎ／ｍｍ＊＊２，系统将自动生　∞　ｈ±　…∞　臣　盛越秘躺罐瑟瑟　￡　纠Ｂｕｉｌｄ￣ｐｍｕｌｌｔｅ　Ｂ＿嘶　．Ｔ￣ｔｉｎ　ａ。　ｌｌｆｏｉｐ　Ｖ　Ａ　ＣｈｌＵｔ＇￣ｌｎｇ　目　§　／４　凰　盥　匣　謇。　Ｖｉ＃　ＣｏｎｌＩ　Ｉ　３　＿　ｉ　ｌ　：　ｒ　’　］　１　成内外齿轮的质心标记点和各齿轮的沿各轴向转　动惯量。　一　２　ｆ　；　ｐ　；　Ｉ●　　一　墨　Ｉ　１．３确定齿轮泵零件间约束关系　齿轮泵中内啮合结构中运动副约束关系的描　垒　霹　ｌ　ｆ一１　Ｉｎｃｍｒ￣　・ｅｎｌ　ｌ　述如下：　１）固定副：月牙和机架间的添加的约束，月　牙的自由度全部受到约束，它不参与运动，把内　外齿轮形成的型腔结构分为低压区和高压区。　２）旋转副：渐开线外齿轮和机架，直廓内　齿轮和机架间组成两个旋转副。根据齿轮泵的运　动特征，泵的驱动选为旋转运动。在渐开线外齿　轮和机架之间形成的旋转副上定义样机的驱动，　齿轮泵中施加的驱动由电动机提供，在虚拟样　机模型中，选择旋转运动模块ＭＯＴＩＯＮ模拟驱动　电机，赋予驱动电机恒定的转速Ｖ１＝６００ｒ／ｍｉｎ和　Ｖｌ＝１０００ｒ／ｍｉｎ，研究分析在这两种工况下内外齿　轮的传动特性和啮合特性。　３）齿轮副：齿轮副由内外两个齿轮组成，　约束渐开线外齿轮和直廓内齿轮间的传动关系。　在设置齿轮副的过程中要准确地定位好速度标记　点，它位于两个齿轮的接触点处，速度标记点处　的Ｚ轴应指向齿轮啮合运动的方向　。内外齿轮都　以速度标记坐标系为自己的定位坐标系，齿轮的　传动比有速度标记到两个连接点的距离所决　，　添加完约束和定义驱动的内外齿轮啮合结构如图２　所示。　１．４泵齿轮传动特性结果分析　进行齿轮啮合的运动学仿真，不考虑到系统　内部旋转副处轴承的摩擦阻力，仿真时间设置为１，　步长取为１００，分别定义驱动在转速为Ｖ　＝６００ｒ／ｍｉｎ和　Ｖ　＝１０００ｒ／ｍｉｎ２１２况下仿真，得￣ｌＪＡＤＡＭＳ软件完成　的齿轮啮合运动虚拟仿真结果，如图３、图４所示。　由图可知，内齿轮（被动齿轮）的转速比　较平稳，外齿轮Ｖ１＝６００ｒ／ｍｉｎ＝３６００ｄｅｇ／ｓ时，内　齿轮轴的角速度均值为４６２．１ｒ／ｍｉｎ＝２７５５ｄｅｇ／ｓ，　仿真测量的转速比ｉ２】＝２７５５／３６００＝０．７６７；外齿轮　Ｖ　＝１０００ｒ／ｍｉｎ＝６０００ｄｅｇ／ｓ时，内齿轮轴的角速度均　值为Ｖ２＝７６３ｒ／ｍｉｎ＝４５７８ｄｅｇ／ｓ，仿真测量的转速比　圈｝　●　一　盛　■　Ｇｒｉｄ㈠Ｄｅｐｔｈ　Ｒｅｎｄｅｒ　ｌ　０ｎ￥　１固定副２旋转副３旋转副（施加驱动）４齿轮副　图２添加约束和驱动的内外齿轮结构图　０＿【　净　【＿Ｔ１　Ｇｅａｒ—００∞＼∞　一　＾ｊ＾ｊ　Ｊ＾　Ｐｕｍｐ　Ｖ　ｊ＾ｊ＾，二＾，二＾，二２ｌ＝６００ｒ／ｍｉ　ｎ　４＾　１二，●．＾¨Ｕ—ｎ　ｎ６＿，６　—¨ｕ—ｎＵｎｕ—¨Ｕ—¨¨ｖ—¨¨ｖ—¨¨ｖ—ｎＵ０　３７００—¨—Ｕ—¨Ｕｎｕ—¨Ｕ—¨Ｕ＾¨Ｕ—¨Ｕ—¨Ｕ０——Ｏｕｔ　ｅｒ　鲁　６。ｇ　３５０。—０　—ｇｅｏａｒｔ　ｚ．・　Ａｎｇｕ－ｘＨｇ　ｌａｒ＿Ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｍａｇ　－—－，—－———－——Ｉｎｎｅｒ　ｇｅａｒ．Ａｎｇｕｌａｒ＿　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｍａｇ　０　０．２　０．４　０．６　０．８　ｌ　Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）　图３　Ｖ。＝６００ｒ／ｍｉｎ时内外齿轮轴的转速　Ｇｅａｒ　Ｐｕｍｐ　Ｖ１＝１０００ｒ／ｍｉｎ　——ＵＵｔｅｒ　Ｇｅａｒ．Ａｎｇｕｌａｒ＿　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｍａｇ　—　—－　——Ｉｎｎｅｒ　Ｇｅａｒ．Ａｎｇｕｌａｒ＿　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｍａｇ　０　Ｕ．２　Ｕ．４　Ｕ．６　０．　ｌ　Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）　图４　Ｖ。＝１０００ｒ／ｍｉｎ时内外齿轮轴的转速　１‘２１＝４５７８／６０００＝０．７６３。而外齿轮（主动齿轮）和　内齿轮（被动齿轮）齿轮轴的设计的转速比ｉ　。＝ＺＪ　Ｚ　＝１３／１７＝０．７６４７，两种工况条件下齿轮传动比误　第３３卷第１２期２０１１—１２（上）　！＇１４９１　姗　务ｌ造　ｌＩ８　化　差百分比为０．３２％和０．１　１％，仿真得到结果的满足　通过仿真分析绘制的曲线可以看到主动轮以　设计的传动比（０．７６４７）要求，说明建立的内啮合　恒定的转速驱动被动齿轮旋转过程中，主动轮和　被动齿轮的角加速度依然存在，角速度的值很　Ｅ　Ｅ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ０　０　Ｏ　０　Ｏ　０　０　０　Ｃ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｅ咂　加　ｉ０　Ｏ　Ｏ　０　０　０一　　３　３　Ｏ　Ｂ　一　一　＋　｛　ｌ－　齿轮传动系统仿真模型比较合理，能够对泵结构　中齿轮啮合系统的各种运动工况进行仿真分析［９，１ｏ］　运用ＡＤＡＭＳ／ＰｏｓｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ回放仿真结果，绘　小，齿轮刚进入啮合时加速度波动越来越大，运　行一段后，角加速度越来越小逐渐趋于Ｏ，保证了　齿轮啮合传动的稳定性。同时齿轮旋转副加速度　制泵结构中各齿轮旋转副角加速度的分析曲线，　得到在驱动转速为Ｖ】＝６００ｒ／ｒａｉｎ和Ｖ１＝１０００ｒ／ｍｉｎ３２　的这种波动性还与齿轮的齿廓精度和齿轮问的装　况下的仿真结果，如图５～图８所示。　＿量　７．ＯＯＥ—Ｏ３　６．Ｏ０Ｅ－０３　草　５．ＯＯＥ－０３　《　Ｉ　４．ＯＯＥ一０３　３．Ｏ０Ｅ一０３　２．００Ｅ一０３　１．００Ｅ－０３　兰　Ｏ．００Ｅ＋００　１．００Ｅ一０３　图５　Ｖ　＝６００ｒ／ｍｉｎ时外齿轮轴的角加速度　Ｉｎｎｅｒ　ｇｅａｒ．Ａｎｇｕｌａｒ—　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．Ｍａｇ　图６　Ｖ。＝６００ｒ／ｍｉｎ时内齿圈转动副的角加速度　Ｏｕｔｅｒ　ｇｅａｒ．Ａｎｇｕｌａｒ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．Ｍａｇ　ＶＩ＝１０００ｒ／ｍｉｎ　一　ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）　图７，Ｖ　＝１０００ｒ／ｍｉｎ时外齿轮轴的角加速度　图８　Ｖ　＝１０００ｒ／ｍｉｎ时内齿圈转动副的角加速度　［１５０１　第３３卷第１２期２０１１—１２（上）　配精度有关，因此在泵的加工制造过程中要确保　齿轮齿廓的精度和内外齿轮装配间保证足够的误　差要求，降低齿轮副加速度的波动，从而降低齿　轮泵中齿轮啮合过程中的振动幅度。　２结论　利用ＡＤＡＭＳ齿轮产品试制之前对齿轮的传动　特性进行仿真分析，可以得到大致真实的传动特　性，形成齿面加工参数设计的闭环修正系统。从而　为产品设计、性能预测和寿命分析提供依据，这样　对大大降低成本，缩短设计周期，提高设计质量有　着很重要的意义。利用软件进行仿真分析已经成为　齿轮产品设计开发的重要发展方向之一。　参考文献：　［１］范明豪，杨华勇，许贤良，等．复合齿轮泵理论及应用预测【ＪＪ　．液压气动与密封，２０００，８３（５）：ｌ１—１４．　【２］陈立平，张云清．机械系统动力学分析及ＡＤＡＭＳ应用教　程［ＭＩ．北京：清华大学出版社，２００５．　【３】崔清斌，吴大林，康海英．基于ＡＤＡＭＳ的齿轮传动系统动　态特性仿真［Ｊ］．石家庄：军械工程学院学报，２００４，（２）：９—１３．　【４】郭术义，杨杰．基于ＡＤＡＭＳ的齿轮传动系统可靠性研究　［Ｊ］．洛阳：拖拉机与农用运输车，２００７，（８）：５０—５３．　［５】李金玉，勾志践，李媛．基于ＡＤＡＭＳ的齿轮啮合过程中齿　轮力的动态仿真【Ｊ１．机械，２００５，３２（４）：１５—１９．　［６］李英华．基于ＵＧ和ＡＤＡＭＳ的圆柱齿轮减速器的仿真分　析【ＪＪ．山西科技，２００８　５，（５）２０—２６．　【７］范伯琦．渐开线内啮合齿轮泵的性能分析［ＤＩ．上海，上海　交通大学，１９９０．　【８】张新红．直线共轭内啮合传动分析及应用研究［Ｄ】．上海，　上海理工大学，２００９．　【９１陈军．ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ技术与工程分析实例【Ｍ】．北京：中国　水利机电出版社．２００６．　【１０】李凯，崔建困．直线共轭内啮合齿轮泵啮合力的计算［ＪＪ．机　械设计，２００５，增刊：１０１　１０３