巢鑫

[摘要]：本文基于ADAMS軟件，對(duì)變速箱動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了仿真分析。從而能為用戶(hù)提供從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計(jì)算分析結(jié)果，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、減低開(kāi)發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

[關(guān)鍵詞]：變速器 虛擬樣機(jī) 仿真分析

1Pro/E軟件模型的建立

ADAMS環(huán)境下需要借助外界CAD軟件建立變速箱模型，本文采用Pro/Engineer軟件對(duì)建立的變速箱模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

應(yīng)用Pro/E軟件建立與實(shí)物相對(duì)應(yīng)的變速箱三維實(shí)體模型，在利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS與Pro/E之間接口MECHANISM/Pro將所建立的三維實(shí)體模型傳送到ADAMS/View模塊中。根據(jù)各子系統(tǒng)工作原理在MSC.ADAMS平臺(tái)上施加合理的約束，并建立各子系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，保證傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)與真實(shí)樣機(jī)的工作原理相一致。

Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶(hù)在為一件產(chǎn)品造型而工作。換句話(huà)說(shuō)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上，以確保所有的零件和各個(gè)環(huán)節(jié)保持相關(guān)性和協(xié)調(diào)性。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。

2虛擬樣機(jī)模型的建立

變速器位于傳動(dòng)部分中央，由箱體、主動(dòng)軸總成（包括一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)）、中間軸總成（包括中間軸和各級(jí)變速齒輪的主動(dòng)齒輪）、主軸總成（包括主軸和各級(jí)變速齒輪的被動(dòng)齒輪）、倒擋軸總成和換擋機(jī)構(gòu)組成。由于變速箱子系統(tǒng)具有6個(gè)擋位，一擋、二擋、三擋、四擋、五擋及倒擋，因此本文根據(jù)變速箱的工作原理建立了與6個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的虛擬樣機(jī)，建立變速箱子系統(tǒng)各擋位相對(duì)應(yīng)的虛擬樣機(jī)。這樣對(duì)變速箱進(jìn)行研究時(shí)就更具有針對(duì)性，根據(jù)不同工況采用不同的虛擬樣機(jī)。利用ADAMS進(jìn)行組裝，并根據(jù)各個(gè)部件之間的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，在剛體上添加不同的約束和相互的接觸力作用，得到了變速箱的虛擬樣機(jī)模型。針對(duì)建立好的虛擬樣機(jī)在ADAMS平臺(tái)上進(jìn)行樣機(jī)的校核驗(yàn)證。

3ADAMS中虛擬樣機(jī)模型的仿真

ADAMS軟件是美國(guó)學(xué)者蔡斯（Chace）等人利用多剛體動(dòng)力學(xué)理論，選取系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)剛體的質(zhì)心在慣性參考系中的三個(gè)直角坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角為廣義坐標(biāo)編制的計(jì)算程序。ADAMS軟件中應(yīng)用了吉爾（Gear）等解決剛性積分問(wèn)題的算法，并采用稀疏矩陣技術(shù)提高了計(jì)算效率。

ADAMS軟件采用模擬樣機(jī)技術(shù)，將多體動(dòng)力學(xué)的建模方法與大位移、非線(xiàn)性分析求解功能相結(jié)合，并提供與其它 CAE軟件如控制分析軟件 Matrix，有限元分析軟件 NASTRAN等的集成模塊擴(kuò)展設(shè)計(jì)手段。用戶(hù)利用ADAMS軟件可以建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。目前ADAMS軟件在汽車(chē)、航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

ADAMS使用交互式圖形環(huán)境和部件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，用堆積木式的方法建立三維機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化模型，并通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的仿真分析和比較來(lái)研究“虛擬樣機(jī)”可供選擇的設(shè)計(jì)方案。ADAMS仿真可用于估計(jì)機(jī)械系統(tǒng)性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的載荷輸入。利用 ADAMS軟件，用戶(hù)可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型。該模型可以是在 ADAMS軟件中直接建造的簡(jiǎn)化幾何模型，也可以是從其它CAD軟件中傳過(guò)來(lái)的造型逼真的幾何模型；然后，在幾何模型上施加力/力矩和運(yùn)動(dòng)激勵(lì)；最后執(zhí)行一組與實(shí)際狀況十分接近的運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試，得到實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真。

本文以6擋變速箱虛擬樣機(jī)為例，利用ADAMS提供的模型校核驗(yàn)證工具，對(duì)所建立變速箱子系統(tǒng)進(jìn)行模型驗(yàn)證，其驗(yàn)證結(jié)果為：6擋變速箱子系統(tǒng)在給定速度下運(yùn)行時(shí)，是按照給定的速度行駛，所建立模型沒(méi)有多余約束，模型驗(yàn)證成功。同樣，對(duì)其余5個(gè)擋位的虛擬樣機(jī)子系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，保證所建立的虛擬樣機(jī)不存在多余約束，說(shuō)明模型驗(yàn)證成功。

由于變速箱子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中占有重要地位，因此對(duì)建立的變速箱虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)仿真分析的結(jié)果的分析，可以得出以下的結(jié)論：變速箱系統(tǒng)6擋位虛擬樣機(jī)可以完成初速度給定情況下的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)，并且根據(jù)6擋位虛擬樣機(jī)所得到的擋位傳動(dòng)比，與設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比之間相比誤差很小，因此可以確定所建立變速箱系統(tǒng)五擋位虛擬樣機(jī)模型是精確合理的，可以代表其傳動(dòng)系統(tǒng)物理樣機(jī)并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

4結(jié)果分析

應(yīng)用變速箱各子系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的三維實(shí)體模型，利用接口技術(shù)基于ADAMS仿真平臺(tái)軟件建立了與實(shí)物樣機(jī)相對(duì)應(yīng)的虛擬樣機(jī)，并對(duì)各子系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了樣機(jī)驗(yàn)證校核，以保證所建立的虛擬樣機(jī)的合理性。通過(guò)對(duì)所建立好的變速箱各擋位虛擬樣機(jī)在給定初始條件作用下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)仿真分析，表明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。初步驗(yàn)證了變速箱虛擬樣機(jī)與真實(shí)變速箱實(shí)驗(yàn)的一致性，可以用本文所建立的變速箱虛擬樣機(jī)來(lái)代替實(shí)物樣機(jī)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。為進(jìn)行磨損失效周期確定、疲勞壽命預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面研究奠定了基礎(chǔ)，為下一步對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性能分析和虛擬試驗(yàn)研究打下堅(jiān)實(shí)可信的基礎(chǔ)。

5結(jié)論

應(yīng)用ADAMS，進(jìn)行建模、仿真分析，對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了模型的可靠性，為今后對(duì)變速箱故障進(jìn)行疲勞壽命及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供載荷數(shù)據(jù)。通過(guò)虛擬樣機(jī)在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)的6擋位虛擬樣機(jī)所得到的擋位傳動(dòng)比，與設(shè)計(jì)傳動(dòng)比之間相比，其誤差很小，因此可以用本文所建立的變速箱虛擬樣機(jī)來(lái)代替實(shí)物樣機(jī)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。

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