基于ADAMS的变速箱齿轮的运动学和动力学仿真

王 雁

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009）

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，有必要对齿轮系统进行运动学和动力学仿真分析，对齿轮系统的可靠性设计、故障诊断具有重要作用[1~3]。

本文采用SolidWorks和ADAMS联合建立变速箱的齿轮模型，ADAMS是虚拟样机分析软件，具有强大的动力学仿真功能，但其几何建模却有很多不足之处，有必要利用CAD（SolidWorks等）软件建模来解决这个问题。利用SolidWorks对齿轮系统进行三维实体建模，将其装配模型导入到ADAMS软件中形成虚拟样机模型，然后对虚拟样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。

1 齿轮系统虚拟样机模型建立

1.1 齿轮三维实体模型建立

目前流行于工业界的CAD/CAM软件有很多[4]，如SolidWorks、Pro/E、UG，CATIA，但是基于Windows的SolidWorks充分利用了具有广泛群众基础的Microsoft Windows图形用户界面，具有强大的三维机械设计功能。其中灵活的操作方式和面向对象的操作特点，成为新一代的机械设计软件，它全面采用非全约束的特征建模技术，为设计师提供了极强的设计灵活性。齿轮的一些基本参数（如齿数、模数、压力角以及齿宽等），如表1所示。

表1 齿轮的几何参数

根据齿轮设计的指标和参数，在三维软件SolidWorks里利用拉伸、切除、旋转等命令进行零件的三维建模，然后进行装配，如图1所示。

图1 齿轮三维装配模型

1.2 齿轮的虚拟样机模型建立

齿轮的虚拟样机模型建立采用ADAMS软件实现。建立完三维装配模型导入到ADAMS中，其中ADAMS与SolidWorks共同支持的三种主要图形交换格式分别是STEP格式、IGES格式和Parasolid格式，在图形文件交换时采用Parasolid格式可以防止数据丢失，这对仿真结果的正确性和有效性有重要的影响[5]。齿轮三维模型以Parasolid格式导入ADAMS/View后，如图2所示。

图2 齿轮系统虚拟样机模型

齿轮仿真系统建立步骤如下：

1）首先分别在大小齿轮上选择命名零件名称，即可以自己定义零件的名称。

2）添加零件的材料属性，根据齿轮的材料可选择钢；添加重力，为了模拟真实环境。

3）零件之间的添加约束关系（移动副，转动副，铰接，球接，固定），如在轴上转动副。

4）施加齿轮副，在几何建模工具集，选择标记工具图标，设置速度标记，即定义齿轮啮合点；在齿轮轴上添加驱动力。

5）在调整之前打开ADAMS/View的自检结果表是非常重要的，可知道模型内零件信息和零件之间的约束关系，检查所添加的约束关系和自由度是否正确，通过检验，该模型具有自由度。

2 齿轮系统运动学和动力学仿真

齿轮虚拟样机系统在运动过程，按照ADAMS中的运行过程函数所实现的运动，假设系统所要实现的输出运动为：驱动轴（小齿轮）的角速度40deg/s。齿轮之间传动比8:5，按照ADAMS的运行过程函数，可以在驱动轴上设置40d*time。

在进行运动学仿真可获得大小齿轮的角速度，如图3所示，大小齿轮角速度分别为40（deg/s）和25（deg/s），可以看出与数学计算出的角速度是一致的；再进行动力学仿真可获得大小齿轮与轴之间的作用力，如图4所示，分别为24.6N和8.5N。

图3 齿轮角速度对比曲线

图4 大小齿轮与轴之间作用力曲线

3 结论

变速箱齿轮系统的运动学和动力学仿真，对齿轮系统的可靠性设计、故障诊断具有重要作用。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，对改善机械传动系统动力学性能和关键零部件设计起到重要指导作用，同时为变速箱齿轮动态特性优化设计提供理论指导，也为进一步的产品优化设计提供依据。