基于ADAMS的二级直齿齿轮减速器运动仿真

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本文简要介绍了虚拟样机的含义，并就二级直齿齿轮减速器，利用ADAMS软件进行简单的运动仿真，直观再现传动过程，通过理论计算验证模型的正确与否。
- W; h. M  E0 z8 K/ @% a0 _( W在当今制造业中，传统的经验设计、类比设计和静态设计因为开发周期长、质量差、产品成本高等缺点越来越不适应日益加剧的市场竞争，企业能否对市场做出迅速的响应，生产出最大程度满足顾客要求的高质量低成本产品已成为竞争的焦点。
虚拟样机技术( V i r t u a l Prototyping Technology)的出现为企业提供了行之有效的方法。虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在某单一系统中零部件的CAD和FEA技术)揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。简单的说，虚拟样机技术就是利用CAD软件所提供的各零部件的物理和几何信息，直接在计算机上对机械系统进行建模和虚拟装配，从而获得基于产品的计算机数字模型,即虚拟样机(Virtual Prototype)，并对其进行仿真分析。这种方法使设计人员能在计算机上快速试验多种设计方案，直至得到最优化结果，而且免去了传统设计方法中物理样机的试制，从而大幅度缩短了开发周期，减少了开发成本，提高了产品质量。
虚拟样机技术是许多技术的综合，其核心是多刚体（柔体）系统运动学和动力学建模理论及其技术实现，其关键技术包括工程设计技术、建模仿真技术和VR可视化技术等。成熟的三维计算机软件有效地保证了虚拟样机技术的大规模推广和应用。这方面比较有代表性的是美国MDI公司开发的机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)、比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的S I M P A C K，其中ADAMS最为成熟，已广泛应用于世界各行各业，占据了超过50%的市场销售份额。
8 l9 O7 m- }3 x4 f6 j本文拟就二级齿轮减速传动，利用ADAMS软件进行简单的运动仿真，详细介绍应用ADAMS软件的一般操作步骤，直观再现传动过程，并验证所建造模型正确与否。
2 B( S( t5 b9 e" F1 k一、实例
设一个直齿二级齿轮减速器，基本结构几何参数如下：
3 f0 i  E1 a$ D& P" k第一级： 模数m = 4 m m ，z1=20，z2=50；齿宽B=40mm
第二级： 模数m = 4 m m ，z1=30，z2=70；齿宽B=40mm
0 I, Z, ]! Q# C则第一级传动小齿轮分度圆直径为d 1 = m × z 1 = 8 0 m m ，d2=m×z2=200mm；第二级传动小齿轮分度圆直径为d1=m×z1=120mm，d2=m×z2=280mm。
二、几何建模
0 V! J' o" x/ _, `. W9 F9 }- M1.启动软件
& r6 t* Q) L7 F6 c双击桌面上ADAMS/View的快捷图标,打开ADAMS/View。在欢迎对话框中选择“Create a new model”，在模型名称（Model name）栏中输入decelerator ；在重力名称(Gravity)栏中选择“Earth Normal(-Global Y)”；在单位名称(Units)栏中选择“MMKS －mm,kg,N,s,deg”；点击“OK”确定。
. _; p& U7 G) F/ `' n2.设置工作环境
" r# ^2 m; |. B2 h6 M/ ]& y# M% x在ADAMS/View菜单栏中，选择设置（Setting）下拉菜单中的工作网格（Working Grid）命令。系统弹出设置工作网格对话框，将网格的尺寸(Size)中的X和Y分别设置成750mm和500mm，间距（Spacing）中的X和Y都设置成10mm。然后点击“OK”确定。
3 a. {1 d- E9 @3.创建齿轮
鼠标右键单击模型库，选择旋转方式，按照上面计算所得各分度圆直径建立图1所示模型。
+ \& N/ K$ O' H  T  @+ s
) x# f- O$ T  y" D( }7 w3 s1 \6 U4 .创建旋转副、齿轮副、旋转驱动
6 E) }0 N  d9 K; l- N! I选择ADAMS/View约束库中的旋转副（Joint: Revolute）图标，参数选择“2 Bod-1 Loc”和“pick feature”，在“ADAMS/View”工作窗口中先用鼠标左键选择小齿轮，然后选择机架（ground），接着选择小齿轮上的中心点，拖动光标直到出现沿小齿轮中心轴线方向的白色箭头，点击左键完成旋转副(JOINT_1)，该旋转副连接机架和齿轮，使齿轮能相对机架旋转。同样方法创建中间双齿轮和右边大齿轮的旋转副JOINT_2和JOINT_3。
创建完三个定轴齿轮上的旋转副后，还要创建两个啮合点(MARKER)。齿轮副的啮合点和旋转副必须有相同的参考连杆（机架），并且啮合点Z轴的方向与齿轮的传动方向相同。所以在本例中，啮合点(MARKER)必须定义在机架(ground)上。选择ADAMS/View零件库中的标记点工具图标，参数选择Add to Ground和Global XY,分别在两对啮合齿轮中心处单击，默认的z轴方向恰好垂直于工作平面，即啮合点线速度方向，但两处z轴的指向应相反，具体指向可根据下面驱动的方向确定。
9 }. ~! f$ k7 }9 L% q( x+ ~选择ADAMS/View约束库中的齿轮副（Gear）图标，在弹出的对话框中的Joint Name栏中选择小齿轮的JOINT_1和中间双齿轮的JOINT_2，在Common Velocity Marker栏中选择第一级啮合处的MARKER，点击OK完成齿轮副的创建，同样方法完成第二级啮合的齿轮副。
在A D A M S / V i e w 驱动库中选择旋转驱动（Rotational Joint Motion）按钮，在Speed一栏中输入3000，表示旋转速度3000度/秒。左键选小齿轮轴JOINT_1作为驱动。完成后模型如图2所示.
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至此，二级齿轮减速器模型创建完毕。
8 u+ w& G1 U0 l- o/ R, G三、仿真模型
点击仿真按钮， 为便于计算，设置仿真终止时间（E n d Time）为1，仿真工作步长（Step Size）为0.01,然后点击开始仿真按钮，进行仿真。
四、后处理
. F1 }0 Q- G0 M对小齿轮的旋转副J O I N T _1或驱动MOTION_1进行角位置分析。在ADAMS/View工作窗口中用鼠标右键点击小齿轮的旋转副JOINT_1，选择Modify命令，在弹出的修改对话框中选择测量(Measures)图标,在弹出的测量对话框中，将Characteristic栏设置为Ax/Ay/Az Projected Rotation，将Component栏设置为Z，From/At栏默认，点OK确认。生成的时间-速度曲线如图3所示.
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同样的设置方法，JOINT_2和JOINT_3的时间-速度曲线分别如图4、图5所示。
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测量完成后，进入后处理模块，右键单击选择分成四部分的窗口，分别加载动画和三条曲线如图6所示。
8 L/ ?' u2 T/ E: g  t8 Q7 t五、结论分析
7 m% O- n7 q+ Y$ [. o0 ]* _(1)对第一级啮合进行运动分析。因为小齿轮的齿数20，大齿轮的齿数50，模数m =4m ，根据传动原理可以知道，对于标准外啮合渐开线直齿圆柱齿轮传动，大齿轮的转速为小齿轮的2/5，即3000×（2/5）=1200deg/s。即当输入转速3 0 0 0 d e g / s时，一级减速获得转速－1200deg/s，负号表示方向相反；同样对第二级啮合进行运动分析。因为小齿轮的齿数为30，大齿轮的齿数70，则最后理论上获得的转速应为1200×3/7=514.286deg/s，对照图5，二级减速获得输出转速514.3deg/s，所建模型正确，符合标准外啮合直齿齿轮传动角速度与齿轮的分度圆直径成反比的结论。
  Z- Q9 g% v8 H' P5 B. t(2)ADAMS是以相邻两回转轴MARKER点与啮合处MARKER点的距离之比确定传动比的，改变回转轴上MARKER点的位置不影响最终结果。
(3)以旋转方式建立齿轮模型可以省却调整MARKER点位置的麻烦，但MARKER点z轴的指向应根据实际线速度方向作相应的调整。
8 C. o8 T" C) G* F$ }) B(4) 在啮合点处， 将标记点(MARKER)的z轴方向旋转一定角度，就可以仿真斜齿齿轮传动情况。
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