基于adams的变速器虚拟样机仿真分析.docx

模数血)= I 5 .0000模数血)= I 5 .0000齿数 C)= | 20.0)00压力角(A)= | 20.0000齿顶高系数(F) = | 1.0000齿隙系数(C)= | 0.2500变位系数00= | 0.0000齿厚 CB)= I 30.0000图2、在L/G里建立的CAD模型基于ADAMS的变速器虚拟样机仿真分析陈福向 广东粤电集团沙角A电厂,511700 王晓笋武汉大学动力与机械学院,430072 摘要：利用UG二次开发功能建立变速箱的CAD模型，在ADAMS/VIEW内通过装配建立模型的 虚拟样机模型，通过编写接触力计算子程序实现了轮齿啮合力的计算，结合脚本控制语句实 现了变速换挡过程的仿真关键词：变速器，虚拟样机，啮合力，换挡1. CAD模型的建立ADAMS/VIEW环境下需要借助外界CAD软件建立变速箱模型，采用Unigraphics(UG)tl] 提供的Opengrip二次开发语言，编写了外啮合齿轮的参数化建模程序叨，通过调试编译生 成可执行文件gear.grx在UG中齿轮的参数化建模程序的运行界面如下图1所示，需要提 供的信息有齿轮的模数加、齿数Z、压力角A、齿顶高系数F、齿根高系数C、变位系数X__0K_J | Back | | Cancel |图1、UG内参数化齿轮建模对话框图2所示的就是在UG中建立的变速箱CAD模型，对于造型复杂的齿轮可以很方便的 建立，而且可以实现啮合齿轮对之间的轮齿精确咬合，从而为下一步向ADAMS中传输准 确模型奠定了基础，ADAMS的SOLVER核心程序计算时，支持的基本三维模型格式是 PARASOLID格式，因此，在UG中利用该软件提供的输出功能，输出所有独立刚体的 PARASOLID格式文件。

2.虚拟样机模型的建立图3、变速箱的虚拟样机动力学模型(不含机架)利用ADAMS/VIEW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较约束和相互的接触力作用，其中接触力使用用户自编译的动态链接库文件计算，得到 了变速箱的虚拟样机模型，如图3所示为了加快模型计算速度和计算的精确度，利用ADAMS软件提供的二次开发接口，利 用FORTRAN编写了接触力的子程序,主要的ADAMS内部函数包括CNFSUB和CFFSUB, 其中CNFSUB子函数用于计算接触力，其格式如下：SUBROUTINE CNFSUBQD, TIME, PAR, NPAR, LOCI, NI, LOCJ, NJ,& GAP, GAPDOT, GAPDOTDOT, AREA, DFLAG, IFLAG, FORCE)其中PAR为程序输入参数，E4R被定义为一个列向量，其中K = PAR(1)表示接触刚度, E = PAR(2)表示刚性接触力指数，C = B4R(3)表示阻尼，D = 默认穿透深度CFFSUB用于计算摩擦力，输入的格式如下：SUBROUTINE CFFSUBQD, TIME, PAR, NPAR, LOCI, LOCJ, X, XDOT,& NFORCE, AREA, DFLAG, IFLAG, FORCE)其中US = B4R(1)表示静态摩擦系数，UD = RU?(2)表示动态摩擦系数，VS = E4&3)表 示静摩擦速度，VD = B47?(4)表示动摩擦速度。

该程序包含了基于IMPACT函数的接触力计算程序和摩擦力计算程序，因此，对接触 力的计算可以通过调用用户编译子程序实现，输入的格式如图4所示图4、ADAMS中通过自编译动态链接库计算接触力的输入对话框3. ADAMS/VIEW中虚拟样机模型的仿真ADAMS内部提供一些数值分析中常用求解器包括GSTIFF(GEAR STIFF)、 WSTIFF(Wielenga stiff)、Constant_BDF、AB AM (Adams -B ashforth-Adams-Moulton)和 RKF45(Runge-Kutta-Fehlberg)⑶不同的求解器有不同的特点，如GSTIFF是ADAMS预设 求解器，其运算速度快，但对于系统的速度以及加速度的计算容易产生误差，而且因为系统 的Jacobian矩阵是需要求逆，在步长非常小的情况下，会出现计算失败的导致仿真失败的问 题；而WSTIFF则具有刚性稳定、可变阶数、可变步长等特点，而且最多可计算6阶微分 方程组其他的求解器有都具有不同的优点和缺点，复杂机械系统选择仿真环境时，需要确 定其是一个典型的动力学仿真，而且因为仿真过程中物体之间有大量的接触力出现，因此选 择WSTIFF求解器，同时选择SI2(Stabilized Index 2)方程转换运算，以提高计算结果的精确 度。

仿真时间和步长的设置也需要针对模型的不同进行设置，时间越长越能观察系统的长期 运动学和动力学行为，而步长选择的越小就可以获得越精确的解答，但是计算时间也更长变速箱模型取1、3、5档位为仿真对象，在ADAMS/VIEW中建立变速箱的动力学模型, 输出ADAMS SOLVE COMMAND FILE的形式，存储为ADM文件，并且通过ADAMS所支持的命令控制语句文件(ACF—ADAMS COMMAND FILE)来添加仿真控制脚本⑷，以 ADAMS/SO3E为后台求解器，仿真过程设定仿真求解器为DYNAMIC,仿真时间为2秒, 仿真的输入速度为渐加速过程，在变速器的输出端，施加一个扭矩以模拟输出端所受到的外 力作用，仿真过程所用文件包括GEARBOX.ADM, GEARBOX.ACF和GEARBOX.BAT三 个文件输出文件包括 Tabular output file( gearbox.out)、Message Database file( gearbox.mdb )、 Graphics file ( gearbox.gra)> Request file ( gearbox.req)> Results file (gearbox.res)等后处理文件。

4.结果分析仿真计算获得的结果主要包括齿轮啮合力一时间历程曲线、速度输入和输出与时间历程 曲线、啮合力等图5所示的是变速器的输入速度曲线，三段线段分别对应第一对齿轮啮合 时的输入、第二对齿轮啮合时的输入和第三对齿轮啮合时的输入速度0.0-10.0-30.0-40.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0时间/S图5、输出速度与输入速度(输入速度取反)从图6的速度时间历程曲线可以看出变速器模型在时间域内反应了传动比大小关系和 速度的方向，在输出段由于换档过程中造成的冲击作用(SHIFT IMPACT),对输出轴造成 的影响也体现在输出速度上，没有换档冲击影响的0~0.5区间内，输出速度基本上是以恒定 的加速度不断增加的，而经过第一对齿轮的换档变速之后，对于输出轴有振动冲击影响，输 出轴有速度的强烈跳动，速度的变化是因为加速度造成的，归根到底则是由于冲击力的影响, 到1秒钟之后的第二个换档结束之后，因为换档造成的冲击再一次影响了输出轴，使其振动 的幅度和频率都增加了，在换档的瞬间，也出现了速度急剧的波动状态这些都说明变速器 在换档过程中总是会给输出端造成一定的振动冲击，直接结果是输出速度的跳动。

25000.020000.015000.010000.05000.02.0O.S1.0耐时,5图6、第一对啮合齿啮合力-时间历程曲线图啮合力曲线可以看出齿轮在啮合过程中，因为啮合刚度不断变化和啮合误差的影响, 造成齿轮啮合力在一对主动齿带动从动齿的过程中，总是随着啮合周期的变化而变化的，第 一对啮合齿工作时，变速器的输入端处于加速输入阶段，所以，啮合力的幅值也随着传动速 度的增加而上升，同时，啮合力的变化频率也随着啮合周期的减小而增加，从低速时近乎为 零的啮合力到幅值变化到25000N,这期间正是变速器的加速过程5.结论利用UG提供的Opengrip二次开发语言可以方便快捷的实现传动系统关键部件齿轮的 建模，这大大提高了建模和分析的速度，并且为修改模型带来便利，采用Parasolid格式在 Ug和ADAMS软件之间传递几何模型的信息，可以确保模型的物理信息和几何信息都能真 实的传输到虚拟样机模型中采用ADAMS提供的二次开发工具，可以针对分析模型的特 点编写计算需要的动态链接库，根据计算要求编写内部函数，这样进一步提高了计算的准确 率和结果的可信度,并且在某种程度上减少了模型的计算时间，从而加速了模型的验证过程。

参考文献：[1]赵波，龚勉，浦维达.UG CAD实用教程（NX2版）.[M],北京：清华大学出版社，2004 ⑵赵波，张琴.UGNX2相关参数化设计培训教程.[M].北京：清华大学出版社，2005⑶ Using MSC.ADAMS/Function Builder. Version 14. MDI, 2005[4] Hiroaki HOSHINO. Simulation on Synchronization Mechanism of Transmission Gearbox[C].International ADAMS User Conference, 1998Simulation of Gearbox's Virtual Prototyping Based on ADAMSCHEN FuXiang, Shajiao APower Station of Guangdong YueDian Gro叩 Co., Ltd, Dongguan,523936 WANG XiaoSun, Power and Mechanical Engineering School, Wuhan University 430072 ABSTRACT: The CAD model of the gearbox has been built in UG by utilizing the function of redevelopment. The geometry model has been imported into ADAMS and the virtual prototyping was set up. The meshing force of the gearbox was computed by writing the sub-routing of contact force and the shifting process was realized through script control.Key Words: Gearbox, Virtual Prototyping, Meshing Force, Shifting.作者简介：陈福向，男，1971年9月出生，汉族，党员，福建省莆田市人。

广东省粤电集团有限公司沙角A电厂人力资源部副部长，通讯地址：广东省粤电 集团有限公司沙角A电厂人力资源部王晓笋，男，1979年10月出生，安徽怀 宁人，主要研究方向为现代设计方法、非线性动力学通讯地址：武汉大学动力 与机械学院。