基于ADAMS軟件下的變速器虛擬樣機仿真分析

巢鑫

[摘要]：本文基于ADAMS軟件，對變速箱動力學(xué)虛擬樣機模型進行了仿真分析。從而能為用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計、方案論證、詳細設(shè)計到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、實驗規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計算分析結(jié)果，從而達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力的目的。

[關(guān)鍵詞]：變速器 虛擬樣機 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軟件對建立的變速箱模型進行結(jié)構(gòu)分析。

應(yīng)用Pro/E軟件建立與實物相對應(yīng)的變速箱三維實體模型，在利用多體動力學(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平臺上施加合理的約束，并建立各子系統(tǒng)虛擬樣機，保證傳動系統(tǒng)虛擬樣機與真實樣機的工作原理相一致。

Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作。換句話說，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上，以確保所有的零件和各個環(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）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。

2虛擬樣機模型的建立

變速器位于傳動部分中央，由箱體、主動軸總成（包括一級錐齒輪傳動）、中間軸總成（包括中間軸和各級變速齒輪的主動齒輪）、主軸總成（包括主軸和各級變速齒輪的被動齒輪）、倒擋軸總成和換擋機構(gòu)組成。由于變速箱子系統(tǒng)具有6個擋位，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個擋位對應(yīng)的虛擬樣機，建立變速箱子系統(tǒng)各擋位相對應(yīng)的虛擬樣機。這樣對變速箱進行研究時就更具有針對性，根據(jù)不同工況采用不同的虛擬樣機。利用ADAMS進行組裝，并根據(jù)各個部件之間的運動約束關(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模型。針對建立好的虛擬樣機在ADAMS平臺上進行樣機的校核驗證。

3ADAMS中虛擬樣機模型的仿真

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

ADAMS軟件采用模擬樣機技術(shù)，將多體動力學(xué)的建模方法與大位移、非線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等的集成模塊擴展設(shè)計手段。用戶利用ADAMS軟件可以建立和測試虛擬樣機，實現(xiàn)在計算機上仿真分析復(fù)雜機械系統(tǒng)的運動性能。目前ADAMS軟件在汽車、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、約束庫、力庫，用堆積木式的方法建立三維機械系統(tǒng)參數(shù)化模型，并通過對其運動性能的仿真分析和比較來研究“虛擬樣機”可供選擇的設(shè)計方案。ADAMS仿真可用于估計機械系統(tǒng)性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的載荷輸入。利用 ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型。該模型可以是在 ADAMS軟件中直接建造的簡化幾何模型，也可以是從其它CAD軟件中傳過來的造型逼真的幾何模型；然后，在幾何模型上施加力/力矩和運動激勵；最后執(zhí)行一組與實際狀況十分接近的運動仿真測試，得到實際機械系統(tǒng)工作過程的運動仿真。

本文以6擋變速箱虛擬樣機為例，利用ADAMS提供的模型校核驗證工具，對所建立變速箱子系統(tǒng)進行模型驗證，其驗證結(jié)果為：6擋變速箱子系統(tǒng)在給定速度下運行時，是按照給定的速度行駛，所建立模型沒有多余約束，模型驗證成功。同樣，對其余5個擋位的虛擬樣機子系統(tǒng)模型進行驗證，保證所建立的虛擬樣機不存在多余約束，說明模型驗證成功。

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

4結(jié)果分析

應(yīng)用變速箱各子系統(tǒng)相對應(yīng)的三維實體模型，利用接口技術(shù)基于ADAMS仿真平臺軟件建立了與實物樣機相對應(yīng)的虛擬樣機，并對各子系統(tǒng)虛擬樣機模型進行了樣機驗證校核，以保證所建立的虛擬樣機的合理性。通過對所建立好的變速箱各擋位虛擬樣機在給定初始條件作用下進行動力學(xué)仿真，通過仿真分析，表明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果有良好的一致性。初步驗證了變速箱虛擬樣機與真實變速箱實驗的一致性，可以用本文所建立的變速箱虛擬樣機來代替實物樣機對其進行試驗。為進行磨損失效周期確定、疲勞壽命預(yù)測及動態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面研究奠定了基礎(chǔ)，為下一步對傳動系統(tǒng)進行系統(tǒng)性能分析和虛擬試驗研究打下堅實可信的基礎(chǔ)。

5結(jié)論

應(yīng)用ADAMS，進行建模、仿真分析，對比仿真結(jié)果和試驗結(jié)果，驗證了模型的可靠性，為今后對變速箱故障進行疲勞壽命及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供載荷數(shù)據(jù)。通過虛擬樣機在進行動力學(xué)仿真時的6擋位虛擬樣機所得到的擋位傳動比，與設(shè)計傳動比之間相比，其誤差很小，因此可以用本文所建立的變速箱虛擬樣機來代替實物樣機對其進行試驗。

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