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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 基于UG建模的辛普森行星齒輪在ADAMS中運動仿真的實現(xiàn) 摘要 利用UG參數(shù)化建模功能，建立了辛普森行星齒輪機構的三維模型，并成功將其裝配體導入到專業(yè)運動仿真軟件Adams中。根據(jù)其真實的工作狀態(tài)，通過添加約束、驅動，實現(xiàn)了對辛普森行星齒輪機構在各檔位運動狀態(tài)的仿真。在后處理模塊中，可以清晰的判定各個構件在不同檔位時的轉動方向及速度大小，更加直觀的加深了對汽車自動變速器換擋機理的認識與了解。 關鍵詞 UG建模 辛普森行星機構 ADAMS仿真 The Motion Simulation of Simpson Planetary Gear based

2、 on UG in ADAMS Abstract Take advantage of the parametric modeling in UG, the simpson planetary gear modeling have been made, then been imported successfully into the ADAMS. In the ADAMS, it was exerted constraint and driver according to the actual working status, and have achieved the motion simu

3、lation of the simpson planetary gear working in the different gears. In the post-processing module, it could be clearly determined what direction of rotation is and how much the angular velocity is when the various components working in different gears. It contributed to have a deeper and intuitive

4、understanding about the gear shift principle of the automatic gearbox. Key words UG modeling Simpson planetary gear ADAMS motion simulation 專心---專注---專業(yè) 引言 自動變速器在汽車中是僅次于發(fā)動機的關鍵部件，是機—電—液一體化的典型產品。目前，大部分自動變速器都采用辛普森行星齒輪變速器。辛普森是行星齒輪機構是一種雙排行星齒輪機構，由兩個內嚙合式單排行星齒輪機構組合而成，可實現(xiàn)三進一退四個檔位變速?，F(xiàn)在廣泛應用的四前進擋位

5、的變速器也無非是在辛普森行星齒輪機構三檔位基礎上的改良[1]。因此，真正弄清楚辛普森行星齒輪機構實現(xiàn)不同檔位換擋的機理，無疑對了解汽車自動變速器有著更直觀的認識。圖1是辛普森式行星齒輪機構的傳動原理圖。其結構特點如下： （1）前后兩個行星排的太陽輪連接為一個整體，成為前后太陽輪組件；（2）前一個行星排的行星架和后一排的內齒圈連接為另一個整體，稱為前行星架和后齒圈組件；（3）輸出軸通常與前行星架和后內齒圈組件連接[1]。通過對辛普森行星齒輪機構的構造了解可知，該機構比較復雜,傳統(tǒng)的分析方法盡管可以完成其各檔位傳動比及轉速的計算, 但是很難判定其中各個組件的轉動方向以及速度大小。所以希望能找到一

6、種有效的 圖1 辛普森行星輪機構傳動原理圖 1—前齒圈；2—前行星齒輪； 3—前行星齒輪架和后內齒圈組件； 4—前后太陽輪組件；5—后行星架； 6—后行星齒輪架 分析途徑顯得非常有必要。而虛擬樣機技術就是非常理想的方法。虛擬樣機仿真分析軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是對機械系統(tǒng)運動學與動力學進行仿真計算的專業(yè)軟件，集建模、計算和后處理于一體，包含多個專業(yè)模塊和專業(yè)領域的虛擬樣機開發(fā)系統(tǒng)軟件。利用它可以建立起復雜機械系統(tǒng)的運動學和動力學模型。 1 UG建模及虛擬裝配 UG軟件是美國EDS

7、公司推出的集CAD/CAM/CAE于一體的最新軟件系統(tǒng)，是當前世界上最先進的面向制造業(yè)的CAX高端軟件。本辛普森行星齒輪機構中所有齒輪的建模都是通過UG軟件中的參數(shù)化建模完成。參數(shù)化建模是近期才發(fā)展起來的先進三維實體造型技術，現(xiàn)已逐步成為三維CAD的主流技術。參數(shù)化設計就是用一組參數(shù)來約束模型幾何形狀和尺寸關系，即參數(shù)與設計對象的控制尺寸有顯示的對應關系，通常用于系列化和標準化設計[2]。 通過圖1對辛普森行星齒輪機構傳動原理的了解可知，整套機構中共有三種類型齒輪，一個共用的太陽輪、行星輪及前后兩個齒圈。該機構中的所有齒輪均為直齒圓柱齒輪，模數(shù)為3，壓力角為20°。太陽輪齒數(shù)Zt為48，行星

8、輪齒數(shù)Zx為36，內齒圈齒數(shù)Zq為120。 直齒圓柱齒輪的輪廓漸開線的繪制是齒輪建模的關鍵所在，漸開線繪制的精確與否直接影響到齒輪間傳動的精度。在UG中，齒輪漸開線的繪制科通過表達式編輯器來實現(xiàn)。在表達式編輯器中，建立漸開線曲線表達式如表格1示。 表格1 直齒圓柱齒輪漸開線表達式 名稱 公式 值 單位 a 0 0 度 b 60 60 度 r db rb mm t 0 0 u (1-t)*a+t*b 0 度 xt r*cos(u)+r*rad(u)*sin(u) rb mm yt r*sin(u)-r*rad(u)*cos(u)

9、 0 mm 單擊確定便可生成漸開線。然后依次創(chuàng)建齒輪齒坯, 繪制齒槽截面曲線,拉伸齒槽截面曲線形成齒槽, 執(zhí)行求差布爾運算從齒輪坯體上切出單個齒槽, 接著環(huán)形陣列單個齒槽, 創(chuàng)建全部齒槽, 從而形成全部輪齒。最后,對模型細化, 創(chuàng)建槽孔、倒角和圓角等。所有組件建模完畢后，進入UG裝配環(huán)境中，根據(jù)辛普森行星齒輪機構的原理圖，進行裝配并進行干涉檢測。最終建成的裝配體如圖2示。 圖2 建模完成后的裝配體 2 基于ADAMS運動學仿真 2.1 導入文件并定義材料屬性 由于ADAMS軟件對Parasolid接口文件識別較好，可以有效避免裝配體在格式轉化中數(shù)據(jù)丟失或出錯的問題，所以把U

10、G 里生成的prt文件導入ADAMS 之前更改為Parasolid格式。打開Adams-aview，導入轉化后的文件，將各個組件的材料定義為steel。模型如圖3所示。 圖3 初導入ADAMS中的裝配體 圖4 添加約束與驅動的裝配體 2.2 添加約束 本機構所需要添加的約束最重要的是前后排太陽輪與行星輪、行星輪與內齒圈四個齒輪副。齒輪副是一個復合副，齒輪副約束兩個旋轉副或滑移副之間的自由度成一定比例。 齒輪副關聯(lián)兩個運動副和一個方向坐標系（Marker），這兩個運動副可以是旋轉副、滑移副或圓柱副，通過它們的不同組合，就可以模擬直齒齒輪、斜齒齒輪、椎齒輪、行星齒輪、渦輪-

11、蝸桿和齒輪- 齒條等傳動形式[3]。行星齒輪系的運動特點是，行星輪本身自轉和繞軸心公轉，中心輪繞軸心自轉。一般簡單齒輪副的公共機架設為大地（ground），但行星輪系中的行星輪需要創(chuàng)建兩個旋轉副，一個繞軸心公轉，一個繞本身質心自轉，而行星輪的質心相對于大地是運動的，所以不能選擇大地作為行星輪和太陽輪以及行星輪和齒圈的齒輪副的公共機架，而選擇行星架作為公共機架。 2.2.1行星輪系旋轉副的創(chuàng)建 前排行星輪由前齒圈，太陽輪及和后齒圈一體的前行星架組成。首先對各組件建立旋轉副。單擊工具欄中的旋轉副按鈕，并將創(chuàng)建旋轉副的選項設置為2 Bod-1 Loc和Normal Grid。具體操作步驟如

12、下： （1）對太陽輪、前排行星輪、前齒圈相對于后齒圈分別創(chuàng)建旋轉副，旋轉副作用點選在各自的質心位置，系統(tǒng)分別默認命名為Joint1、Joint2（3、4），Joint5。 （2）對后齒圈相對于大地ground創(chuàng)建旋轉副，作用點選在后齒圈質心位置。系統(tǒng)默認命名為Joint6。 （3）對太陽輪、后排行星輪、后齒圈相對于后齒架分別創(chuàng)建旋轉副，旋轉副作用點選在各自質心位置。系統(tǒng)分別默認命名為Joint7、Joint8（9、10），Joint11。 （4）對后齒架相對于大地ground創(chuàng)建旋轉副，作用點選在后齒架質心位置。系統(tǒng)默認命名為Joint12。 2.2.2 行星輪系齒輪副的創(chuàng)建 齒輪

13、副關聯(lián)兩個旋轉副和一個方向坐標系（Marker），除了兩上個要求外，齒輪副還要求這兩個旋轉副關聯(lián)的第一個構件和第二各構件分別為齒輪1和共同體、齒輪2和共同體，共同件是齒輪的載體[3]。本機構中，共同的載體即為前后行星架。另外還要求方向坐標系固定在共同件上，且方向坐標系Z軸的方向指向齒輪嚙合的方向，Z軸也是齒輪嚙合力的方向。若想取得進行計算成功，必須滿足以上條件。 辛普森行星齒輪機構結構復雜，共具有六個行星輪，行星輪與太陽輪的旋轉副作用點間的連線并未和全局坐標系的任一軸平行或重合。因此在創(chuàng)建齒輪副所需的兩個相關聯(lián)旋轉副間需建立一個新的局部坐標系，以滿足方向坐標系Z軸指向齒輪嚙合方向的條件。以創(chuàng)

14、建太陽輪與行星輪之間齒輪副為例，具體操作如下： （1）在幾何工具欄上單擊創(chuàng)建局部坐標系按鈕，建立一個與全局坐標系方向相同的過渡坐標系（Marker-25），且通過修改過渡坐標系的坐標值保證坐標系Marker-25與行星輪旋轉副作用點坐標系（Marker-3）在Z軸坐標值相同。 （2）重新單擊局部坐標系按鈕，在Marker欄選擇Add to Part，將坐標系建立在行星架（后齒圈）上。Oriention欄選擇X，Y Axis，先選擇過渡坐標的原點作為新坐標系原點，然后在太陽輪旋轉軸線上選擇任意一點以確定X軸方向，然后選擇行星輪旋轉副的作用點處以確定Y軸方向，從而確保了Z軸指向齒輪嚙合方向。根

15、據(jù)兩個齒輪的傳動比計算出齒輪嚙合處的坐標值，然后修改剛創(chuàng)建的方向坐標系（Marker-26）的坐標值使其移動至齒輪嚙合點處。 （3）單擊齒輪副按鈕，在對話框中的Joint Name輸入框中輸入相應的旋轉副名稱（Joint1 和joint 2），在Common Velocity Marker輸入欄拾取上面剛建立的方向坐標系（Marker-26），點擊確定。至此，前排太陽輪與一個行星輪間的齒輪副GEAR1創(chuàng)建完畢。 在此需需要說明的是，為避免不同齒輪間創(chuàng)建的齒輪副產生過約束，對于前排的三個行星輪，只需要一個行星輪既與齒圈創(chuàng)建齒輪副又和太陽輪創(chuàng)建齒輪副，另外兩個只與太陽輪創(chuàng)建齒輪副即可。 （4

16、）參照前排行星輪機構的齒輪副創(chuàng)建方法，分別在太陽輪與后排行星輪間創(chuàng)建齒輪副。至此，齒輪副創(chuàng)建完畢。詳見圖4示。 2.3添加驅動 辛普森行星齒輪機構可通過多個離合器以及制動器的組合使用實現(xiàn)三進一退的操作。以下是變速器換擋執(zhí)行組件的布置圖（圖5）。 圖5 辛普森式三檔行星齒輪變速器 離合器C1用于連接輸入軸和前后太陽輪組件，離合器C2用于連接輸入軸和前內齒圈，制動器B1用于固定器前后太陽輪組件，制動器B2和單向超越離合器F1都適用于固定后行星架。換擋操作件在個檔位的工作情況見表2。 表2 變速器檔位與操作件工作表 檔位 操作組件 1檔 C2+F1 2檔 C2+B1 3檔

17、 C1+C2 倒檔 C1+B2 以下是各個檔位約束與驅動的添加操作： （1）前進一檔的仿真 根據(jù)工作原理，將后支架與大地ground鎖定，輸入軸與前齒圈聯(lián)接，故將驅動添加在外齒圈上。因為此前創(chuàng)建在前齒圈的旋轉副是相對于行星架(后齒圈)的，所以添加旋轉驅動所需要的旋轉副需要重新在前齒圈與大地ground之間創(chuàng)建，系統(tǒng)默認為Joint14。單擊工具欄中的旋轉驅動按鈕，拾取旋轉副Joint10，在speed一欄中輸入3000r/s。單擊主工具欄中的仿真計算按鈕，彈出交互仿真控制對話框，仿真時間設為20s，步數(shù)設為500步。 （2）前進二擋的仿真 根據(jù)工作原理，將太陽輪與大地ground鎖定

18、，輸入軸與前齒圈聯(lián)接，因此驅動添加在前齒圈上，具體方法同一檔位仿真。 （3）前進三檔的仿真 根據(jù)工作原理，將前齒圈與太陽輪鎖定（機構全部鎖定），輸入軸與前內齒圈聯(lián)接，因此驅動添加在前內齒圈上，具體方法同上。 （4）倒檔的仿真 根據(jù)工作原理，將后行星架與大地ground鎖定，輸入軸與太陽輪聯(lián)接，因此驅動添加在太陽輪組件上，具體方法同上。 2.4計算求解與結果后處理 2.4.1各檔位運動仿真的計算求解 在主工具欄中點擊仿真按鈕，由仿真結果可以對輸出軸（后齒圈）的轉速進行測量。在前進一檔（D1）的仿真環(huán)境中，選擇Joint6，右鍵選擇Measure，在Characteristic欄中選擇

19、Relative Angular Velocity，選擇Z軸方向，單擊確定。得到前進一檔時輸出軸轉速曲線如圖6示。同樣，在前進二檔（D2）、三檔（D3）及倒檔（R）的仿真環(huán)境中，分別得到輸出軸轉速曲線圖如圖7、8、9所示。 圖6 一檔時輸出軸速度曲線 圖7 二檔時輸出軸速度曲線 圖8 三檔時輸出軸速度曲線 圖9 倒檔時輸出軸速度曲線 2.4.2與理論計算值的比較 根據(jù)行星齒輪機構一般運動規(guī)律方程：+a =(a+1), 式中——太陽輪轉速； ——內齒輪轉速； ——行星架轉速；a——內齒圈數(shù)與太陽輪齒數(shù)比，稱為行星齒輪組的特性參數(shù)。 由特性公式計算的各檔位的理論輸

20、出角速度應為：=1250 , =2142.875, =3000, = -1200。對理論值與仿真值進行比較分析參見表格 3。 表格3 仿真值與理論值的對比分析 deg 1檔 2檔 3檔 倒檔 理論值 1250 2142.875 3000 -1200 仿真值 1250 2143 3000 -1200 誤差（%） 0 0.0058 0 0 對比可見，經(jīng)Adams仿真得出數(shù)值與理論值基本一致，誤差小于0.0058%。其出現(xiàn)誤差的原因，蓋因

21、為創(chuàng)建齒輪副所需要的方向坐標系的坐標值用小數(shù)表示，故有略小誤差，但基本不影響其運動學分析及后期的動力學分析。微小誤差可以忽略不計。 3 結束語 基于UG三維造型軟件的參數(shù)化建模功能對辛普森行星輪機構建模并裝配，成功導入到Adams軟件中。根據(jù)自動變速器中辛普森機構的實際工作狀態(tài)，對其組件分別添加約束和驅動，實現(xiàn)了辛普森行星齒輪機構三進一退四個檔位的運動仿真，機構中各個組件的運動狀態(tài)清晰明了。在后處理模塊中，通過對輸出軸的速度輸出曲線的測量，得到的仿真數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)高度一致。對于出現(xiàn)的略小誤差，分析其原因主要是因為在建立齒輪嚙合方向坐標系的坐標值用小數(shù)來表示所造成的。由于誤差僅為0

22、.0058%，故對整體機構的運動學分析及動力學分析不會造成影響。對于辛普森行星齒輪機構的運動學仿真，達到了預期的目的。 參考文獻 [1 ] 田晉躍。車輛自動變速器構造原理與設計方法[J]。北京大學出版社，2009。 [2] 賀斌，管殿柱。UG NX 4.0三維機械設計[J]。機械工業(yè)出版社，2008 [3] 李增剛。ADAMS入門詳解與實例。國防工業(yè)出版社，2008 [4] 徐愷,鄧效忠,吳劍. 行星傳動系統(tǒng)的快速虛擬裝配[J ] . 機械傳動, 2008 ，32 (1) :65 - 67. [5]丁飛，張強?；贏DAMS的行星齒輪減速器的建模與仿真研究。2009，6：84 – 86。