基于UG和ADAMS的圆柱齿轮减速器的仿真分析.pdf
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1、山西科技S H A N X I S C I E N C E A N D T E C H N O L D G Y 2 O 0 8 年第 5 期9月 2 0日出版 问题 探讨 基 于 U G和 A D A MS的圆 柱 齿轮 减速器 的仿真分析 李英华 ( 太原理工大学机械工程学 院) 摘要: 利用 U G软件对减速器进行实体建模 , 在 A D A MS软件 中对减速器齿轮传递 系统进行 动态仿真, 对其在某工况下的运动参数和受力情况进行 了分析, 最后 , 对低速轴进行静 力学校核 。 关键 词 : 减速 器 ; 动 态仿真 ; 校核 中图分类号: T H 1 3 2 6 4 文献标识码: A
2、 文章编号: 1 0 0 4 642 9 ( 2 O O 8 ) 0 5 0 0 7 5 0 3 减速器作为一种最常用的传动装置 , 目前已经广泛应用于 各行各业中, 在减速器的传统设计过程中, 主要采用传统的设 计方法 , 并没有采用一些先进的设计技术, 对于齿轮传动的力 学特性研究不够, 由于齿轮装配位置一般不利于安装测量仪 器 , 广大工程人员只能根据经典公式计算结果与 目测方法来预 测评估齿轮传动过程中的动态特性 , 而齿轮传动系统的动态特 性对整个机械系统的性能影响很大。因此 , 准确地掌握齿轮传 动的动态特性 , 对整个系统的优化设计、 强度校核、 故障诊断与 预测实验起着很重要的
3、作用 , 对减小动态激励的传递, 降低系 统各零部件的振动, 减小支承轴承的受载, 提高寿命以及对齿 轮强度和可靠性设计具有重要意义。 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法 , 它是一种基于 产 品的计算机仿 真模 型 的数 字化 设计方 法。这些 数字模 型 即 虚拟样机( V i r t u a l P r o t o t y p e ) , 将不同工程领域的开发模型结合 在一起 , 从外观、 功能和行为上模拟真实产品, 支持并行工程方 法学。文章把虚拟样机技术应用到减速器的设计优化中。 1 减速器实体模型的构建 机械零部件三维模型的构建是实现虚拟样机的基础 , 这是 因为仿真的实现必须从
4、三维 的建立开始。三维几何模型的建 立一般需要花费工程技术人员大量的时间和精力 , 工程上三维 几何模型的构建非常严格, 必须理解零件、 部件的形状及相对 位置关系, 严格按照实际的尺寸进行建模。只有这样才能达到 仿真时对可信度的要求, 同时, 还得考虑在虚拟环境下实体模 型构建的难易程度, 一些对仿真结果影响不大的特征和构建难 度比较大但对实际仿真影响不大的特征可以进行简化。 U n i g r a p h i c s C A D C A M C A E系统提供 了一个基于过程的产 品设计环境, 使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝 集成, 从而优化了企业的产 品设计与制造。U G面向
5、过程驱动 的技术是虚拟产品开发的关键技术 , 在面向过程驱动技术的环 境中, 用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全 过程的各个环节保持相关, 从而有效地实现了并行工程。该软 件不仅具有强大的实体造型、 曲面造型、 虚拟装配和产生工程 图等设计功能, 而且在设计过程中可进行有限元分析、 机构运 动分析、 动力学分析和仿真模拟 , 提高设计的可靠性 , 本文研究 的减速器的三维模型就是基于 U G软件形成的。 作者简介: 李英华, 女, 1 9 6 4年出生, 1 9 8 5年毕业于东北大 学, 副教授, 在读研究生, 0 3 0 0 2 4 , 山西省太原市 收稿 日期 : 2 0
6、0 8 0 5 2 7 齿轮的建模是减速器建模的关键一环, 使用 U G完全的参 数化建模能很好地控制齿轮齿廓的具体形状。在参数化建模 中, 齿轮齿形是通过参数化方程来控制的, 这样就可以准确地 控制齿轮齿廓的生成, 同时, 也可以通过参数化建模来控制齿 轮的其他参数。对于单个零件的特征造型, U G提供 了多种造 型方法, 一般来说, 较规则的零件以实体特征来建立 ; 复杂度较 高的实体造型设计还需要用到参数化特征建模或者曲面特征。 最后将减速器各零件建模完成后 , 通过 U G的装配功能生成部 件和整机的实体模型。 2 减速器的动力学仿真 根据本文的研究主旨, 将在 U G软件建立的实体模
7、型进行 简化, 去掉一些对仿真结果影响不大的零件, 并借助 P a r a s o l i d 文件将 模型 由 U G导 人到 动力 学仿 真 分析 软件 AD A M S中, 建 立了样机的虚拟样机模型。 AD A MS 软件仿真前要对部件进行约束定义, 目的是确定 系统零部件之间的相对运动 , 根据减速器齿轮系统的实际运动 情况, 零部件间添加的主要约束如下: 轴系与箱体之间是旋 转运动, 因此它们之间采用旋转副连接; 各级齿轮之间, 添加 实体一实体接触力, 模拟实际齿轮间传动的接触碰撞 ; 箱体 与地面、 箱体与箱盖、 齿轮与轴等均以固定副连接, 将其锁定在 一 起 ; 输入轴上添加
8、转速激励; 输出轴上施加转矩模拟减 速器的负载。 其中输入轴上施加的转速驱动和输 出轴上的负载均以 A D A M S提供的 函数定义来表示 : 角速度驱动的格式为: ( t i m e一5 : 1 2 0 5 7 6 , 0 , I F ( ti m e l 5 : O , 0 , 一1 205 7 6 ) ) 此函数表达式的含义为: 系统开始以 1 2 0 5 7 6 m d I r li 加 速运动一直到 5 8 时达到了系统的额定转速 6 2 0 8 8 m d m i n , 从 5 S 到 1 5 s 的时间段内, 系统以额定转速运动, 在 5 s 到 20 s 的 时间段内, 系
9、统从额定转速以一1 2 0 5 7 6 r a d n 减速运行, 直 到停止。 负载转矩的格式为: S T E P (t i m e, 0,0,1, 5 4 7) +IF(ti m e 一3 :0, 0, I F ( ti m e 一7: 5 *S (2 8 3 *t i me ), 0, 0) +S T E P (t i m e, 9, 0 ,l 0,一5 4 7) 此函数表达式的含义为: 在 0到 1 s 的时间内负载由0增 加到 5 4 7 N m, 在第 1 8 到第 3 s 的时问内负载维持在 5 4 7 N m, 仿真时间的第 3 8 到第 7 8 的时间段内, 系统受到的负载
10、变为正弦函数控制, 大小为 5 4 7 +5 *s i N (2 8 3 *ti m e )N m, 在 7 5 维普资讯 http:/ 山西科技S H A N X I S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y 2 0 0 8年第 5 期9 月 2 0日出版 第 7 s 到第 9 s 的时间段 内负载又 回到 5 4 7 N n l , 在 9 s 到 1 0 s 的时间段内, 负载由5 4 7 N m减小到 O , 完成一个完整的仿真。 皇曼 主 描 j葺 主鬯 芈 眭蒜妾 塑主 - - : 墨 稿 :F -曩 曩 一 l 目 一一 T r一 r厂 【
11、l j ; 【 j j I ; ; - 、 1 : 二 j 二 二 二 一 1 一 十 一 一 _ 一 T f 一 十 一 f 。 。 。一 一 十 一 十 L一 一 - j 一 r f 一 1 一 下 一 r r r 叶 十 卜 一 F r : 一L j一 l 睾 一 。 - 一一l 一 上一 0一 ! ;=肖二 舞 ; 害 三 : l:1;j;j 。_ 1 : 图 1 各传动轴角速度图 从图 1 和图 2中可以看到系统在角加速度的驱动下 , 各个 轴的角速度和角加速度的趋势比较一致, 角速度在稳定状态下 的仿真结果和通过实际的计算结果相差很小, 从而说明所建立 I罕 号 圈 jI 皿 I
12、l j i I j i ; l I l I I 嘲 砷 千手 千F F 斗 蛙 翻 啊 删 嗍 册唧聊 = 二 二 T r 一 I 1 i I I F j j 、 l, 群 赫i ; ; I 一毕 _ 一 一 丹十十一 一一 丰 卜 + 一 斗 一 - _ _ r 寸 r 一 _ _ _ 叶 卜寸 ,l j I 一 一 一 r一 -广一; ; j I 图 3 负载 曲线图 l 0 H 直_ 州 F 呐 I 三 i l r _l啪 必 删 瑚 蛐 删 蛐 哪 雠 一 l I l j i ,!tA nR B M l硼 硼 二 7 r 图 5 中间齿轮与低速齿轮 间啮合力 图 7 中间轴旋转副受力图
13、 图3为负载的曲线图, 图4 、 图5分别为高速齿轮与中间齿 轮 、 中间齿轮与低速齿 轮之 间碰撞力 , 该力 可以看作 齿轮啮合 传递的力。从图中曲线可以看到相互啮合齿轮之间传递的力 的情况。在刚开始运行的短时间内, 碰撞力迅速增大, 直到达 到稳定值, 从 3 s 到 7 s的时间段内, 传递的力呈正弦函数变 化, 然后啮合力维持在稳定状态, 最后从稳定状态减小到零。 图6 、 图 7 、 图 8 为各个轴上旋转副的受力, 该力可以看作 7 6 然后定义仿真时间为 l O s , 仿真步数为 l 0 0 0 , 进行动态仿 真 , 仿真结果如下: ; 0二 一 土 一 L0L 上 一 0
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