基于ADAMS的行星齿轮减速器设计与仿真

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3.0 陈辉 2024-11-19 11 4 3.38MB 65 页 15积分

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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
§1.1 课题背景及意义...............................................................................................1
§1.2 虚拟样机技术在减速器设计中的应用...........................................................2
§1.3 本课题的目的及主要内容...............................................................................3
第二章 齿轮减速器设计..................................................................................................6
§2.1 齿轮减速器应用背景.......................................................................................6
§2.2 齿轮减速器传动装置的总体设计...................................................................6
§2.2.1 选择电动机................................................................................................7
§2.2.2 行星机构传动比计算................................................................................7
§2.2.3 传动装置的运动和动力参数计算............................................................8
§2.2.4 齿轮传动设计计算....................................................................................8
§2.2.5 轴的结构设计..........................................................................................10
§2.2.6 箱体的结构设计......................................................................................11
§2.3 关键技术.........................................................................................................12
§2.3.1 行星齿轮传动机构设计..........................................................................12
§2.3.2 均载机构设计..........................................................................................13
§2.3.3 单向离合器与扭转减振器之间连接盘的设计及校验..........................16
§2.4 设计结果.........................................................................................................17
第三章 传动系统模型建立及运动学分析....................................................................19
§3.1 建立三维实体模型.........................................................................................19
§3.2 UG 与ADAMS/View 之间的图形转换.........................................................20
§3.3 ADAMS 中运动副的建立..............................................................................20
§3.4 ADAMS 运动学分析......................................................................................21
§3.4.1 ADAMS 运动学方程...............................................................................21
§3.4.2 ADAMS 运动学方程求解算法...............................................................25
§3.4.3 齿轮系统运动仿真分析..........................................................................25
第四章 行星齿轮系统动力学分析................................................................................31
§4.1 多刚体系统动力学.........................................................................................31
§4.2 ADAMS 动力学方程......................................................................................34

§4.3 接触理论.........................................................................................................36
§4.4 仿真分析.........................................................................................................38
§4.4.1 定轴轮系仿真..........................................................................................38
§4.4.2 行星轮系仿真..........................................................................................39
第五章 内齿圈弹性动力学分析....................................................................................47
§5.1 ADAMS 中的柔性体系统..............................................................................47
§5.2 多柔体系统动力学方程的建立.....................................................................47
§5.3 行星齿轮系统中内齿圈的仿真分析.............................................................50
第六章 总 结...................................................................................................................60
参考文献.........................................................................................................................61

第一章绪论

§.1 课题背景及意义

行星齿轮减速器 (以下简称减速器)，是在原动机和工作机之间用于降低速度、

增大扭矩的传动装置，广泛应用于国防、宇航、交通、建筑、冶金、建材、矿山等领

域。减速器常规的设计方法，一般是首先根据要求进行不同的方案设计，并绘制

出工程图纸；然后在经过较长时间的基于经验的方案论证后，选出较合适的方案

并试制出减速器样机；此后进行试验研究，对样机在多种工况下进行测试。当发

现结构或性能方面有缺陷时，就修改设计方案及工程图纸，然后再次制造样机并

对其进行测试。这种传统的物理样机制造试验方法大大增加了新产品开发的周期

和成本，而且很难选用真正的优化方案。传统设计方法的步骤如图1-1。

图1-1 传统的设计过程

采用虚拟样机技术(Virtual Prototyping)[1~2]，则可改变这种状况。许多大学和研

究机构，运用了一些常用的虚拟样机仿真软件如ADAMS等对工程领域中的一些

问题进行了研究[3~5]。在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的

各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对减

速器进行虚拟装配，从而获得减速器的虚拟样机。使用系统仿真软件在各种虚拟

环境中真实地模拟减速器的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿

基于 ADAMS 的行星齿轮减速器设计与仿真

真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上方便地修改

设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个减速器进行不断改进，直至获得最

优设计方案以后，再做出物理样机。虚拟样机技术在机械行业有广泛的应用，目

前，国内外的许多机构都在进行相关的研究[6~7]。

本文以行星齿轮减速器作为研究对象，在初步设计的基础上，运用虚拟样机

技术，对减速器进行了仿真分析。

§.2 虚拟样机技术在减速器设计中的应用

齿轮系统作为减速器传递动力的主要承担者，其动力学行为[8]包括齿轮动态

啮合力、动载荷系数以及齿轮系统的振动和噪声特性等。齿轮系统的动态特性对减

速器的使用寿命和传动效率有十分重要的影响[9~10]。齿轮在工程中常会遇到轮齿断

裂、变形、振动等情况，因此，有必要采用现代的分析方法和手段，通过对齿轮动

力学进行深入分析研究，进一步了解齿轮系统结构形式、几何参数、加工方法对系

统动力学行为的影响，从而指导高质量减速器的设计和制造。

国内外对齿轮传动动态特性进行了较为充分的研究[11~12]。例如在汽车减速箱

传动部分，齿轮转速较高，传动往往处在频繁启动、制动的工作条件下，这时齿

轮副的间隙、齿轮的偏心、轴的精度以及轮齿的磨损等对啮合冲击与振动有显著影

响[13~14]。因此，建立比较完备的齿轮啮合传动动力学模型，对于准确分析系统动

力学行为具有重要意义。洪清泉，程颖等[15]在对传统的齿轮副扭转振动模型进行

动力学等价变换的基础上，提出一种基于ADAMS的动力学仿真方法。该方法建立

的模型能综合考虑时变啮合刚度、啮合阻尼、轮齿啮合综合误差、原动机和负载的

动态输入、齿对啮合相位以及传动轴扭转柔性，通过建立多级齿轮传动系统的样

机，并对其进行仿真分析，表明该方法是可行的。崔清斌等[16~19]建立了齿轮传动

系统动力学特性的仿真模型，在ADAMS环境下，对齿轮传动系统的动力特性进

行了仿真，结果表明该模型与齿轮传动箱的动力学特性吻合。该模型和仿真方法

为齿轮载荷获取、疲劳寿命预测提供了新途径，尤其是在齿轮传动箱物理样机开

发前期进行虚拟样机的性能分析及寿命预测，对于指导齿轮传动箱的参数化设计

具有重要意义。Bahgat B .M .等[20~21]证明行星齿轮传动系统的振动和噪声是影响系

统可靠性、寿命及操作环境的关键因素。李三群，贾长治等[22]建立齿轮的三维实体

模型，结合MATLAB编程生成齿形线，基于ADAMS建立了齿轮啮合传动模型和

虚拟样机模型。运用曲线接触实现了齿轮离散齿啮合的动态实时仿真，为深入研

究齿轮传动系统动态特性提供了理论参考依据。

目前，建立齿轮减速器虚拟样机的综合开发平台成为减速器设计的发展趋势，

第一章绪论

即利用参数化技术在Pro/E和UG等三维造型软件中完成齿轮的精确造型和减速器

装配；将装配好的实体模型通过公共文件接口导入ADAMS中，加入减速器的旋

转运动副、接触齿面间的法向和切向约束等，最终得到减速器的虚拟样机模型，

进行运动学和动力学仿真；如果要考虑柔性体部件对机械系统运动的影响，可通

过ADAMS与有限元分析软件（如ANSYS）之间的双向接口，得到基于精确动力

学仿真结果的应力应变分析结果。国内外已有不少研究，如罗善明，王建等[23~25]

利用参数化设计建立斜齿轮的三维实体模型，并在此基础上采用虚拟装配技术对

齿轮组进行精确装配，对提高斜齿轮产品的设计、制造和装配精度有一定的参考

价值。杨建国等[26]以虚拟样机理论为基础，以某型号双级圆柱齿轮减速器为分析

对象，建立齿轮减速器综合开发平台。该平台除可以完成设计和系统分析外，还

可以完成运动学、动力学分析，有实际工程意义。华顺刚,余国权等[27]基于三维造型

设计软件CATIA构建二级齿轮减速器参数化模型，通过与机械动力学仿真软件

ADAMS的接口SimDesigner实现数据交换，在ADAMS中建立减速器虚拟样机模

型。对虚拟样机模型进行动力学仿真，得到各级转速、齿轮啮合力及啮合频率。并

将仿真结果与理论计算值进行比较，说明虚拟样机模型构建合理，仿真具有可信

度，为减速器优化设计和工程分析提供依据。王秀山等[28]阐述了基于

Pro/E、ADAMS 和ANSYS的齿轮减速器一体化开发平台的建造过程，对Pro/E进行

二次开发，实现了齿轮的参数化最优建模；利用ADAMS进行运动学仿真，利用

ANSYS进行了有限元分析，形成了齿轮的闭环设计。

纵观国内外现状，虚拟技术在机械行业的应用相当广泛[29~30]，而减速器方面

的研究大部分是针对定轴轮系的，关于行星齿轮系统的研究相对较少。尽管和普

通齿轮传动相比，行星齿轮传动有着很多独特的优越性，但是其噪声和振动一直

是学术界和工业界研究和关注的焦点。在许多应用场合，行星齿轮传动系统的振

动和噪声是影响系统可靠性、寿命及操作环境的关键因素，例如在直升飞机中，

行星齿轮传动产生的噪声就超过l00dB，是主要的噪声源。所以，本课题定位在应

用虚拟样机技术对行星齿轮减速器进行系统分析和研究上具有十分重要的意义，

具备一定实用价值。

§.3 本课题的目的及主要内容

本文结合UG、ANSYS和ADAMS软件，在减速器系统初步设计的基础上，对

齿轮系统进行了仿真分析研究，主要内容包括：

（1）减速器初步设计。

（2）齿轮系统虚拟样机模型的建立和运动仿真分析。

基于 ADAMS 的行星齿轮减速器设计与仿真

（3）齿轮系统虚拟样机模型的动力学仿真分析。

（4）内齿圈弹性动力学分析。

本论文的研究内容详细流程图，如图1-2所示。

全文共分六章，各章节内容如下：

第一章：绪论。给出本文的研究背景和意义，阐述了虚拟样机技术在

减速器设计方面的应用状况。

第二章：减速器设计的一般步骤。阐述了减速器设计的一般步骤，并

将设计过程进行了程序化处理。

第三章：行星齿轮系统虚拟样机模型的建立及运动仿真。介绍了

ADAMS软件及运动仿真理论，通过使用UG和ADAMS的接口

Parasolid实现了数据转换，添加系统约束、载荷、驱动最终建立行星齿

轮系统虚拟样机模型，并对各齿轮的转速及加速度进行了仿真。

第四章：基于ADAMS的行星齿轮系统动力学仿真分析。添加接触力，

进行了齿轮碰撞参数的选取，对啮合力进行了仿真分析研究，并根据

理论公式，计算出理论值。将仿真值与理论值比较，结果基本一致，

说明本论文的建模及仿真分析具有较好的可信度。

第五章：在此基础上，通过ADAMS与ANSYS的数据接口，对内齿圈

的弹性动力学进行分析，从而对内齿圈的设计进行了优化。

第六章：总结。对本论文的主要工作进行了总结，并对下一步需要做

的工作进行了展望。

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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1课题背景及意义...............................................................................................1§1.2虚拟样机技术在减速器设计中的应用.......................................

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