汽车CAD论文-基于ADAMS的牛头刨床的的仿真分析.doc

基于ADAMS的牛头刨床的的仿真分析 殷权 车辆1201班 0121218380601摘要：牛头刨床是在摆动导杆机构的基础上设计而成的，可以通过ADAMS对摆动导杆机构进行建模仿真，分析其各个构件的位移，线速度，角速度，线加速度，和角加速度以及各个构件的受力情况，来了解分析牛头刨床的急回特性，压力角，行程速比系数等特性，为牛头刨床机构的工作参数和结构设计参数的确定提供理论依据。关键字：牛头刨床；ADAMS；急回特性；压力角1 前言 牛头刨床是刨削类机床中应用较广的一种，主要用于单件小批量生产中刨削中小型工件上的平面、成型面和沟槽等。仿真中所采用的牛头刨床是基于摆动导杆机构设计而成的（图一）。工作原理是当曲柄BC匀速转动时，摇杆AD左右摆动，使牛头刨床的刨刀E沿着固定的轨迹FG做直线运动，通过曲柄转动转动驱动刨刀做往复运动。牛头刨床机构具有急回特性，即在工作行程中刨刀的运动速度比较缓慢，达到工作平稳，受力均匀的目的。在空回行程，由于刨刀不处于工作状态，所以可以以较快的速度做直线运动，达到节省时间，提高工作效率的目的。并且为了改善传力性质和机械效率，要求机构的最大压力角尽可能小。为此，通过ADAMS对牛头刨床进行仿真分析，了解牛头刨床的各种工作参数，在建立物理样机之前直观的分析其系能，提高设计效率和质量，节省时间和成本。2 理论分析 首先计算机构自由度，判断其是否有确定运动。由图一可知，该机构中活动构件数n=5，低副Pl=7，高副Ph=0.根据机构自由度计算公式可得F=3n-2Pl-Ph=3*5-2*7-0=1。原动件为曲柄BC，自由度数与原动件个数相等，机构具有确定的运动。 图一中AD=600mm，BC=100mm，A、B在同一条竖直线上，且AB=250mm。2.1急回运动特性和行程速比系数对于原动件曲柄做顺时针匀速圆周运动，做往复摆动的从动件和刨刀在往返两个行程中的平均速度是不同的。通常慢速行程作为工作行程，快速行程作为返回行程，把机构的这一特性称为急回运动。急回程度用行程速度变化系数衡量。输出构件回程的平均速度输出构件工作行程的平均速度（）在主动曲柄转动一周的过程中，有两次与杆垂直。曲柄两次位置的夹角（锐角）为摆角，用表示。可知刨刀在往复运动的两次行程中，运动的距离相等，但是对应的转过的角度不同，分别为和。而做匀速圆周运动，故通过两个角度时间不相等，造成刨刀往复运动的速度不相等，形成急回运动。其行程速比系数为： 。值得大小取决于的大小。越大，值越大，机构具有的急回特性越显著；反之，值越小；时，机构无急回特性。2.2压力角和传动角 压力角：原动件曲柄通过连杆作用于从动件摇杆的力的方向与作用点的绝对速度之间所夹的锐角称为压力角。传动角：与压力角互为余角。在图一中，杆绕点为圆心做摆动运动，点的速度方向始终垂直于杆，而刨刀在水平线上做直线往复运动，所以其压力角为，传动角为。显然，压力角越小，传动角越大，有效分力就越大，有害分力就越小，对机构的传动越有利。所以压力角、传动角的大小反应机构对力的有效利用程度，用来衡量机构的传动质量。因此，在设计牛头刨床时，我们希望机构能够有较大的传动角和较小的压力角，来获得较好的传动效果。因此和在建立物理模型之前通过建立模型仿真分析，通过不断修改，获得最佳参数。3 建模与仿真3.1 ADAMS简介 ADMAS，即机械系统动力学分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）,是一种虚拟样机分析软件，用户可以运用该软件非常方便的对虚拟机械系统进行静力学，运动学和动力学分析，同时，它还是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序机构和多种接口可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能，运动范围，碰撞检测，峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等，故其应用非常广泛。3.2 ADAMS的建模过程 设计时各构件满足以下要求：AD=600mm，BC=100mm，A、B在同一条竖直线上，且AB=250mm，原动件的转速为，换算后得角速度为。3.21 根据简图在ADAMS中创建牛头刨床模型 根据所给数据，建立曲柄、连杆BC、AD，滑块C、D和刨刀E模型。3.22 创建运动副 原动件BC与大地之间为旋转副连接，连杆AD与大地之间为旋转副连接，原动件BC与滑块C之间为旋转副连接，连杆AD与滑块D之间为旋转副连接，滑块C与连杆AD之间为移动副连接，滑块D与刨刀之间为移动副连接。选用BOX代替机架，并将其与大地之间用固定副连接，刨刀与机架之间用移动副连接。3.23 添加驱动 在原动件BC与大地之间的旋转副连接中添加旋转驱动，并将参数修改为-360，表示原动件以的减速度做顺时针匀速圆周运动。最终获得模型如图二所示。图二3.3仿真分析 首先对刨刀进行仿真分析，分别获得其位移、速度、加速度关于时间的函数图像。 图三为刨刀的位移时间的函数图像。通过图中曲线随着时间变化关系可分析得：刨刀随着时间的变化做往复周期性直线运动。将位移关于时间的函数进行求导可获得速度关于时间的函数。 图三 图四 图四为刨刀的速度时间的函数图像。通过图中曲线随着时间变化关系可分析得：刨刀的速度成周期性变化，先加速到极大值，再减速到零，再加速到极大值，再减速到零为一个周期，如此周期性变换。将一个周期分为两个行程（工作行程和空回行程），通过图像可以明显观察到某一个行程的平均速度大于另一个行程的平均速度。工程中一般把平均速度较小的作为工作行程，平均速度较大的作为空回行程，以达到机构受力平稳，提高工作效率的目的。此图也非常直观的反应了牛头刨床的急回特性。 图五 图六 图五为牛头刨床的刨刀的加速度对时间的函数图像。加速度对时间的函数可由速度对时间的函数求导获得。图六为牛头刨床的压力角随时间变化的函数图像。由图像可知，最大压力角为。由公式可得。设计中为了保证机构传动良好，通常应使最小传动角。所以该机构的压力角和传动角满足设计要求。 图七通过测量滑块D与刨刀E之间的平移副的受力情况（图七）；来间接反应刨刀的受力情况。4 结语机构的运动参数是分析机构的工作性能，优化新机构的依据。急回特性和行程速比系数、压力角和传动角是牛头刨床的重要参数，这些参数是否合理直接影响到其正常的工作性能。因此通过ADAMS对牛头刨床进行建模仿真来分析其各个构建的受力情况，位移，速度，加速度以及压力角等参数随时间的变化，不断对机构进行优化设计，在满足设计工作要求下获得较小的压力角，受力比较平稳的工作环境，以提高工作效率。参考文献1 彭文生，李志明 ，黄华梁，机械设计北京：高等教育出版社，2008.