滑动齿轮式差速器的动力学分析与运动仿真.docx
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滑动齿轮式差速器的动力学分析与运动仿真
目 录
摘要……………………………………………………………………………1
关键词…………………………………………………………………………1
1前言………………………………………………………………………………2
1.1研究背景……………………………………………………………………2
1.2机械系统动力学分析与仿真及数字化功能样机……………………………3
1.2.1机械系统动力学分析与仿真…………………………………………………3
1.2.2数字化功能样机………………………………………………………………4
1.2.3数字化功能样机软件系统……………………………………………………7
1.2.4研究现状和发展趋势………………………………………………………8
1.3本文要研究的主要内容…………………………………………………………9
2ADAMS动力学建模与求解………………………………………………………10
2.1ADAMS采用的建模方法………………………………………………………10
2.2ADAMS的方程求解方案………………………………………………………13
2.3ADAMS采用的碰撞模型………………………………………………………16
3数据建模…………………………………………………………………………17
3.1主要系统功能分析……………………………………………………………17
3.2ADAMS建模……………………………………………………………………20
3.2.1UG建模(以中心齿轮为例)………………………………………………20
3.2.2模型导入ADAMS…………………………………………………………22
4ADAMS运动分析仿真……………………………………………………………24
4.1基本工作………………………………………………………………………24
4.1.1绘制地板……………………………………………………………………24
4.1.2添加运动幅…………………………………………………………………26
4.1.3添加驱动力力矩……………………………………………………………28
4.2两种情况分析定义……………………………………………………………29
4.2.1等速行驶(两轮阻力相同)…………………………………………………30
4.2.2差速行驶(两轮阻力不同)…………………………………………………34
4.3动画输出………………………………………………………………………36
5结论………………………………………………………………………………36
参考文献………………………………………………………………………37
致谢……………………………………………………………………………38
滑动齿轮式差速器的动力学分析与运动仿真
摘 要:
本仿真课题的设计原型属于一种农业机械变速器用差速器,具体涉及一种滑动齿轮式差速器。
在熟悉该差速器的运行原理后,基于UG操作平台,研究了建模的通用方法,提出了机构传动时虚拟装配的方法,通过UG与ADAMS的数据交换接口把模型的几何数据导ADAMS中建立了差速系统的动力学模型,通过对左右轮所受阻力的情况分析,通过对两种工况即直线行驶和拐弯行驶工况进行仿真计算,验证了该差速器建模及传动系统建模过程的合理性。
但针对复杂的机械系统,要想准确的控制运动,仅依靠ADAMS软件自身也很难做到。
为了提高仿真结果的可靠性,在现有UG建模的基础上,把滑动齿轮式差速器模型从UG导入ADAMS/View中,并对各连接点添加相应约束、反复修正参数之后进行了仿真,得到了左右差速轮的加速度曲线、速度曲线,得出速度差。
分析研究结果表明,该差速器在给定条件下基本上符合设计要求。
关键词:
差速器;虚拟样机;动力学分析
SlidingGearDifferentialKineticAnalysisAndMotionSimulation
Abstract:
Theprototypeofthesimulationtopicisanagriculturalmechanicaltransmissionwithdifferential,andparticularlyrelatestoaslidinggeardifferential.Afterfamiliarwiththeoperation’sprincipleofthereardifferential,baseontheUGoperatingplatform,researchthegeneralmethodformodeling,proposedthemethodofvirtualassemblywhenthemechanismdrives.ImportinggeometricdatamodelintoADAMSbyusingtheUGandADAMSdataexchangeinterface,thenbuilddifferentialsystemdynamicsmodel.Throughtheleftandrightwheelsofdraganalysisofthesituation,throughthetwoconditionsthatstraightrunningandcorneringdrivingconditionsaresimulated,verifiedthedifferentialtransmissionsystemmodelandthemodelingprocessisreasonable.However,forcomplexmechanicalsystems,inordertoaccuratelycontrolthemovement,relysolelyonADAMSsoftwareisdifficulttodo.Inordertoimprovethereliabilityofthesimulationresults,onthebasisofUGexistingmodeling,thenslidingteethdodifferentialmodelisimportedtoADAMS/ViewfromtheUGsoftware,andaddsacorrespondingconstraintoneachoftheconnectingpoints,thensimulateafterrepeatedcorrectionparameter.Gettheleftandrightwheelacceleratedvelocitycurve、velocitycurveofthedifferentialthendrawspeeddifferencecurve.Theanalysisresultsshowthat,inthegivenconditions,thedifferentialbasicallymeetthedesignrequirements.
Keywords:
Differentials;Virtualprototyping;Kineticanalysis
1前言
1.1 研究背景
在新车型的研发中,驱动桥作为汽车传动系中的一个关键性部件,其性能直接影响着整车性能,而差速器则是其中的重中之重。
差速器的作用是当汽车转弯行使或在不平路面上行使时,使左右驱动轮以不同的角速度滚动,以保证两侧驱动轮与地面间作纯滚动运动。
差速器的种类繁多,应用领域各异,优缺点明显。
(1)开式差速器,是典型的行星齿轮组结构,开式差速器的优点就是在铺装路面上转弯行驶的效果最好;缺点就是在一个驱动轮丧失附着力的情况下,另外一个也没有驱动力。
(2)限滑差速器,用于部分弥补开式差速器在越野路面的传动缺陷,它是在开式差速器的机构上加以改进,在差速器壳与齿轮背面之间增加摩擦片,优点就是提供一定的限滑转矩,缺点是转向特性变差,摩擦片寿命有限。
(3)锁止式差速器,通过一定的机械结构把差速器锁死,实现两个半轴的同步转动。
优点是在越野路面提供了最大的驱动力,缺点是在差速器锁止时,车辆转向极其困难;存在单车轮承受发动机100%转矩的可能,半轴会因为转矩过大而变形或折断;车辆在转向中,两半轴承受相反的转矩,如果两侧轮胎的附着力都很大,会扭断半轴。
另外,这种差速器在车辆行驶过程中执行锁止动作,会产生比较大的噪音。
(4)电子差速器锁,电子差速器锁与上述几种相比,没有改变结构和特性,而是利用ABS或EBD系统来执行单侧制动打滑车轮,限制两驱动轮的转速差,保证两个驱动轮都有动力。
优点是安全性好,不会损坏车辆。
缺点需要电子系统,造价昂贵;在严酷环境下,电子产品的可靠性不如机械产品。
这类差速器锁,由于成本原因一般只应用于高档轿车和高档的SUV。
汽车行驶时左右车轮在同一时间内所滚过的路程通常不等,如果驱动桥的左右车轮刚性连接,则行驶时不可避免地会产生驱动轮在路面上滑移或滑转,不仅会加剧轮胎磨损与功率和燃料的消耗,而且可能导致转向和操作性能恶化,所以为防止这些现象发生,汽车左右轮间都装有轮间差速器。
但是当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶,一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时,尽管另一侧车轮与地面有良好的附着,其驱动转矩也随之减小,无法发挥潜在的牵引力,以致使得汽车停驶。
为了保证汽车行驶,越野汽车通常采用差速锁和防滑差速器,这些结构通常比较复杂,不适合用于农业机械做差速使用。
在农业机械驱动系统中,通常不安装差速器,所以在转向时比较困难,对于轮距窄的开沟机、田园管理机等,转向时利用人力强行扭转机械使得机械的左右轮在地面出现相对滑动基本可以实现转向,但对于轮距相对较宽的移栽机、插秧机等,靠人力扭转机械基本不能转向。
所以通常在驱动系统中采用牙嵌式转向离合器,转向时通过分离该侧的牙嵌式离合器,切断该侧的动力传递,而另外一侧的动力没有被切断而继续行驶,实现了大轮距农业机械转向。
牙嵌式离合器转向虽然可以满足上述要求,但该机构操作复杂,转向灵活性差,牙嵌齿轮有冲击。
本设计针对现有牙嵌式离合器转向机构操作复杂,转向灵活性差,牙嵌齿轮有冲击,汽车上用的非限滑差速器不能满足农业机械差速后传递动力要求,限滑差速器又结构复杂,价格昂贵,不适合农业机械采用,提供了一种滑动齿轮式差速器,该差速器在差速的同时会保证至少有一只动力输出轴在运动,从而可以可靠的传递驱动力矩,该机构结构简单,无需单独操作,使用方便,实用性强。
采用如下技术方案实现:
一种滑动齿轮式差速器,包括动力输出轴、滚轮架、端盖、轴承、箱体、支撑轴、弹簧、滑套和与动力输入轴的动力输入齿轮啮合的滑动齿轮,滑动齿轮空套在支撑轴的中部,滑动齿轮可以沿所述支撑轴的轴向移动,支撑轴的两侧分别固定有所述滚轮架,支撑轴的两端通过所述滑套安装在所述动力输出轴的内孔中,动力输出轴通过轴承定位在所述端盖上,端盖固定在箱体上,动力输出轴的一端为输出动力端,另一端与所述滚轮架相连,滑动齿轮的两侧面对称设置有绕滑动齿轮轴心均匀分布的多个凸台,滚轮架上安装有与所述滑动齿轮上的凸台对应的滚轮体组件,滑动齿轮通过所述滚轮体组件带动所述滚轮架旋转,支撑轴在所述滚轮架和滑动齿轮之间套装有弹簧,滚轮体组件在所述动力输出轴两端的阻力矩发生变化时,挤压所述滑动齿轮上的凸台,使得所述滑动齿轮向扭力小的方向滑动。
1.2 机械系统动力学分析与仿真及数字化功能样机
1.2.1机械系统动力学分析与仿真
机械系统是指由运动副连接多个物体所组成的系统,系统内部物体之间往往还有弹簧、阻尼器、致动器等力元的作用,系统外部对系统内物体施加有外力或外力矩,以及驱动约束。
如果组成系统的物体全部假定为刚体,这样的机械系统称之为多刚体系统;如果考虑物体的弹性变形,全部物体为柔性体,这样的机械系统称之为多柔体系统;实际中的系统往往是部分物体作为柔性体考虑,其余可以不计其弹性变形的物体假定为刚体,这样的系统称为刚柔混合多体系统。
在一般的科学研究与工程应用中,刚柔混合多体系统和多柔体系统统称为多柔体系统。
机械系统动力学分析与仿真主要解决机械系统的运动学、正向动力学、逆向动力学、静平衡四种类型的分析与仿真问题。
运动学分析是在不考虑力的作用情况下研究组成机械系统的各部件的位置、速度和加速度;正向动力学分析是研究外力(偶)作用下机械系统的动力学响应,包括各部件的加速度、速度和位置,以及运动过程中的约束反力;逆向动力学分析是已知机械系统的运动求反力的问题;静平衡分析要求确定系统在定常力作用下系统的静平衡位置。
按照机械系统运动学与动力学分析的结果驱动系统作运动,称之为机械系统的运动学与动力学仿真。
在这里要指出的是,我们这里所说的机械系统动力学分析与仿真,不单指字面上的动力学的分析仿真,而是包含上面四个方面的内容。
机械系统动力学分析与仿真要经历物理建模、数学建模、问题求解和结果后处理几个阶段。
物理建模是对实际机械系统进行抽象,用标准的运动副、驱动约束、力元和外力等要素建立与实际机械系统一致的物理模型,这个过程中,对于实际部件进行合理的抽象与简化是操作关键。
抽象之后的物理模型是计算多体系统动力学研究的对象。
数学建模是指由物理模型根据计算多体系统动力学理论生成数学模型,问题求解是通过调用专门求解器实现的,求解器对数学模型进行解算得到分析结果。
数学建模和问题求解是分析与仿真中最复杂的过程,所幸的是,在通用的机械系统动力学分析与仿真软件系统中,这两个过程是自动进行的,除了求解的控制界面外,内部过程对于用户是不可见的。
得到分析结果之后,结果通常要与实验结果进行对比,这些对分析结果进行处理的过程是在后处理器完成的,后处理器一般都提供了曲线显示、曲线运算和动画显示功能。
1.2.2数字化功能样机
在工程实际中,不同领域的产品往往有着截然不同的功能需求,即使是同一种产品,往往也是有着多种不同性质的性能指标,以汽车为例,既要考虑基于多体系统动力学和结构有限元理论的平顺性、操纵性、安全性、振动和噪声、耐久性和疲劳等方面的性能,还要考虑基于能量流的动力性、经济性和排放性等指标。
前者采用虚拟样机技术可以精确地预测和评估,后者则非其所能。
所以,工程实际中的现实情况是,对于同一个系统,往往采用不同的工具对其不同的性能加以预测和评估,与功能虚拟样机一致,这种分析和优化也是在系统层次上进行的,我们把这种技术称之为数字化功能样机技术,其模型称之为数字化功能样机。
概括地说,数字化功能样机技术(FDP–FunctionalDigitalPrototyping)是对功能虚拟样机技术(FVP-FunctionalVirtualPrototyping)的扩展,是在CAD/CAM/CAE技术和一般虚拟样机技术(VP–VirtualPrototyping)基础上发展起来的,其理论基础为计算多体系统动力学、结构有限元理论、其他领域物理系统建模与仿真理论,以及多领域物理系统混合建模与仿真理论。
该技术侧重于系统层次的性能分析与优化设计,通过虚拟试验精确、快捷地预测产品系统性能。
基于多体系统和有限元理论,解决产品的运动学、动力学、变形、结构、强度、寿命等问题;基于多领域物理系统理论,解决复杂产品机-电-液-控等多领域能量流和信号流的传递与控制问题。
数字化功能样机的内容如图1所示,包括基于计算多体系统动力学的运动特性分析、基于有限元疲劳理论的应力疲劳分析、基于有限元非线性理论的非线性变形分析、基于有限元模态理论的振动与噪声分析、基于有限元热传导理论的热传导分析、基于有限元大变形理论的碰撞和冲击仿真、基于计算流体动力学(CFD-ComputationalFluidDynamics)理论的流体动力学分析、基于液压与控制理论的液压/气动与控制仿真,以及基于多领域混合系统建模与仿真理论的多领域混合仿真,等等。
自动化对于缩短产品开发时间、降低产品开发成本至关重要。
在上述改进设计的循环过程中,快速而有效的改进是参数模板自动化的基础上进行的。
自动化是对虚拟样机整个过程的自动化,这一阶段需要设计者、开发、分析者和试验师的紧密协作。
一般说来,对于产品种类比较固定的企业来说,自动化过程是相对容易的,但是对于产品种类变化迅速的企业来说则非如此。
虚拟产品开发和虚拟样机技术的出现是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推动共同作用的结果。
图1数字化功能样机内容、基础理论及支撑系统
Fig.1Functionalprototypeofdigitizedcontent,thebasictheoryandsupportsystem
与功能虚拟样机相似,数字化功能样机也是在数字化样机模型的基础上进行特性分析和试验仿真,以实现优化设计,这种分析与仿真可以在零部件和系统层次上进行。
能够进行上述所有特性分析的统一的数字化样机的建模尚不现实,也无必要,但是某种倾向性的统一则是数字化功能样机的发展趋势,表现在两个方向,:
一是软件系统功能集成,同一个软件系统,基于某些相近的理论实现多功能的集成,如有限元软件NASTRAN和ANSYS,它们都实现了基于有限元的诸多功能;二是围绕某类产品的分析与仿真实现全分析功能的集成,比如汽车开发的分析与仿真,涉及到运动特性、结构、振动和噪声、应力疲劳、碰撞与冲击、控制、电子等特性或领域,为其中耦合的特性或领域分析建立统一的数字化功能样机模型是有必要的。
在数字化功能样机实现方面,针对图1.7中不同的特性内容,存在着不同的系统。
例如,在运动学和动力学特性分析与仿真方面,有美国MSC/ADAMS、比利时LMS/DADS、德国SIMPACK、韩国RecurDyn等等,应力疲劳特性分析有FE-SAFE等,非线性变形分析有美国MSC./NATRAN、ANSYS、MSC./MARC、HKS/ABAQUS、ADINA等等,振动与噪声分析方面有SYSNOISE、AUTOSEA等,有限元热分析有ANSYS、MSC./NASTRAN等等,大变形碰撞与冲击仿真有LS-DYNA、MSC./DYTRAN等等,计算流体动力学有STAR/CD、FLUENT、FLOW/3D等等,液压与控制方面有法国AMESIM、美国Matlab工具包、美国MSC/ADAMS工具包等,支持多领域物理系统混合建模与仿真的则有MSC/EASY5、DYMOLA、AMESIM、CRUISE等。
1.2.3数字化功能样机软件系统
我们提到了实现数字化功能样机特性分析的诸多软件系统,在这里我们简要介绍一下其中几个应用广泛、影响深远的深具代表性的软件系统,主要是实现功能虚拟样机的美国MSC公司的ADAMS和比利时LMS公司的DADS,实行有限元集成分析的美国MSC公司的NASTRAN和ANSYS。
ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems),原由美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发,目前已被美国MSC公司收购成为MSC/ADAMS,是最著名的虚拟样机分析软件。
它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统动力学模型,利用拉格朗日第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分-代数方程,求解器算法稳定,对刚性问题十分有效,可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,后处理程序可输出位移、速度、加速度和反作用力曲线以及动画仿真。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
目前,ADAMS已在汽车、飞机、铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应用,己经被全世界各行各业的大多制造商采用。
根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料,ADAMS软件占据了销售总额近8千万美元的51%份额。
ADAMS软件由核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具箱和接口模块5类模块组成。
ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。
另一方面,又是虚拟样机分析开发工具,其开放性的程序结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。
比利时LMS的DADS支持机械系统的快速装配、分析和优化,并提供了功能虚拟样机技术功能,可以为物理样机试验提供设计的装配特性、功能特性和可靠性的预测与校验分析。
在建模方面,提供的建模元素包括丰富的运动副库、力库、约束库、控制元件库、液压元件库、轮胎接口等。
在分析方面,提供了装配分析、运动学分析、动力学分析、逆向动力学分析、静平衡分析、预载荷分析等6种分析功能。
并且针对不同的需求,提供了多种模块,包括DADS/Basic(包括基本动力学仿真的建模、求解、后处理和动画功能)、DADS/Standard(基本模块加接触分析、液压与控制分析和用户自定义子程序功能)、DADS/Advanced(包括DADS加DADS/Flex,后者提供有限元分析接口)、DADS/Plant(提供与控制系统软件Easy5、Matlab和Matrixx耦合的动力学仿真)、DADS/Engine(发动机与动力系仿真),以及接口模块Catia/DADS(与Catia接口)、DADS/Pro(与Pro/E接口)、DADS/IMS(与I-DEAS接口)。
MSC/NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域,并为用户提供了方便的模块化功能,MSC.NASTRAN的主要功能模块包括基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等)、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。
MSC/NSATRAN是世界上功能最全面、应用最广泛的大型通用结构有限元分析软件,能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、(噪)声学、流体-结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化等问题。
ADAMS,即机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems),该软件是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的虚拟样机分析软件。
目前,ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。
ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。
另一方面,又是虚拟样机分析开发工具,其开放性的程序结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。
1.2.4研究现状和发展趋势
虚拟样机技术在一些较发达国家,如美国、德国、日本等
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