基于ADAMS软件下的变速器虚拟样机仿真分析

龙源期刊网 基于ADAMS软件下的变速器虚拟样机仿真分析作者：巢鑫来源：商情2016年第50期摘要：本文基于ADAMS软件，对变速箱动力学虚拟样机模型进行了仿真分析。从而能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、实验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、减低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。关键词：变速器 虚拟样机 仿真分析1Pro/E软件模型的建立ADAMS环境下需要借助外界CAD软件建立变速箱模型，本文采用Pro/Engineer软件对建立的变速箱模型进行结构分析。应用Pro/E软件建立与实物相对应的变速箱三维实体模型，在利用多体动力学仿真软件ADAMS与Pro/E之间接口MECHANISM/Pro将所建立的三维实体模型传送到ADAMS/View模块中。根据各子系统工作原理在MSC.ADAMS平台上施加合理的约束，并建立各子系统虚拟样机，保证传动系统虚拟样机与真实样机的工作原理相一致。Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作。换句话说，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上，以确保所有的零件和各个环节保持相关性和协调性。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。2虚拟样机模型的建立变速器位于传动部分中央，由箱体、主动轴总成（包括一级锥齿轮传动）、中间轴总成（包括中间轴和各级变速齿轮的主动齿轮）、主轴总成（包括主轴和各级变速齿轮的被动齿轮）、倒挡轴总成和换挡机构组成。由于变速箱子系统具有6个挡位，一挡、二挡、三挡、四挡、五挡及倒挡，因此本文根据变速箱的工作原理建立了与6个挡位对应的虚拟样机，建立变速箱子系统各挡位相对应的虚拟样机。这样对变速箱进行研究时就更具有针对性，根据不同工况采用不同的虚拟样机。利用ADAMS进行组装，并根据各个部件之间的运动约束关系，在刚体上添加不同的约束和相互的接触力作用，得到了变速箱的虚拟样机模型。针对建立好的虚拟样机在ADAMS平台上进行样机的校核验证。3ADAMS中虚拟样机模型的仿真ADAMS软件是美国学者蔡斯（Chace）等人利用多刚体动力学理论，选取系统内每个刚体的质心在惯性参考系中的三个直角坐标和反映刚体方位的欧拉角为广义坐标编制的计算程序。ADAMS软件中应用了吉尔（Gear）等解决刚性积分问题的算法，并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率。ADAMS软件采用模拟样机技术，将多体动力学的建模方法与大位移、非线性分析求解功能相结合，并提供与其它 CAE软件如控制分析软件 Matrix，有限元分析软件 NASTRAN等的集成模块扩展设计手段。用户利用ADAMS软件可以建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动性能。目前ADAMS软件在汽车、航天等领域得到广泛的应用。ADAMS使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库，用堆积木式的方法建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真分析和比较来研究“虚拟样机”可供选择的设计方案。ADAMS仿真可用于估计机械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。利用 ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。该模型可以是在 ADAMS软件中直接建造的简化几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型；然后，在几何模型上施加力/力矩和运动激励；最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，得到实际机械系统工作过程的运动仿真。本文以6挡变速箱虚拟样机为例，利用ADAMS提供的模型校核验证工具，对所建立变速箱子系统进行模型验证，其验证结果为：6挡变速箱子系统在给定速度下运行时，是按照给定的速度行驶，所建立模型没有多余约束，模型验证成功。同样，对其余5个挡位的虚拟样机子系统模型进行验证，保证所建立的虚拟样机不存在多余约束，说明模型验证成功。由于变速箱子系统的结构比较复杂，在整个传动系统中占有重要地位，因此对建立的变速箱虚拟样机进行仿真分析。通过对仿真分析的结果的分析，可以得出以下的结论：变速箱系统6挡位虚拟样机可以完成初速度给定情况下的稳态动力学仿真试验，并且根据6挡位虚拟样机所得到的挡位传动比，与设计的传动比之间相比误差很小，因此可以确定所建立变速箱系统五挡位虚拟样机模型是精确合理的，可以代表其传动系统物理样机并进行仿真试验。4结果分析应用变速箱各子系统相对应的三维实体模型，利用接口技术基于ADAMS仿真平台软件建立了与实物样机相对应的虚拟样机，并对各子系统虚拟样机模型进行了样机验证校核，以保证所建立的虚拟样机的合理性。通过对所建立好的变速箱各挡位虚拟样机在给定初始条件作用下进行动力学仿真，通过仿真分析，表明仿真结果与试验结果有良好的一致性。初步验证了变速箱虚拟样机与真实变速箱实验的一致性，可以用本文所建立的变速箱虚拟样机来代替实物样机对其进行试验。为进行磨损失效周期确定、疲劳寿命预测及动态结构优化等方面研究奠定了基础，为下一步对传动系统进行系统性能分析和虚拟试验研究打下坚实可信的基础。5结论应用ADAMS，进行建模、仿真分析，对比仿真结果和试验结果，验证了模型的可靠性，为今后对变速箱故障进行疲劳寿命及结构优化分析提供载荷数据。通过虚拟样机在进行动力学仿真时的6挡位虚拟样机所得到的挡位传动比，与设计传动比之间相比，其误差很小，因此可以用本文所建立的变速箱虚拟样机来代替实物样机对其进行试验。参考文献：1陈立平，张云清，任卫群.机械系统动力学分析及 ADAMS应用教程.北京：清华大学出版社，2005.2124.2陈立平，张云清，任卫群.机械系统动力学分析及 ADAMS应用教程.北京：清华大学出版社，2005.76.3张旭，毛恩荣.机械系统虚拟样机技术的研究与开发.中国农业大学学报，1999，4（2）：9498.4郑凯胡仁喜，陈鹿民.机械设计高级应用实例.北京：机械工业出版社，2006.68.5王国强，张进平，马