基于PROE和ADAMS的变速器动力学仿真.docx
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基于PROE和ADAMS的变速器动力学仿真
大连理工大学
硕士学位论文
基于PRO/E和ADAMS的变速器动力学仿真
姓名:
傅友宾
申请学位级别:
硕士
专业:
机械设计及理论
指导教师:
刘欣
20071201
基于PRO/E和ADAMS的变速器动力学仿真
题,而与有限元有关的技术分支所进行的是部件的分析。
正因为如此,虚拟样机技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术所带来的影响要大。
虚拟样机技术不仅帮助企业缩短周期,降低成本和提高质量,而且改变了产品的设计流程。
虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里:
汽车制造业、工程机械、航天航空业、通用机械制造业甚至国防工业四。
所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门,天上的火箭到轮船的锚机。
在各个领域里,针对各种产品,虚拟样机技术都为用户节省了开支,节约了时间并提供了满意的设计方案。
图1.1重型战车仿真模型
Fig.1.1Simulationmodeloflmavychariot
一4一
图1.2配气机构仿真模型Fig.1.2Simulationmodelofair
feed
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图1.3发动机仿真模型
Fig.1.3Simulationmodelofengine
工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动一直困扰着设计师及其用户。
由于工程机械系统非常复杂,传统的分析方法无能为力,找不出原因。
约翰・迪尔(JohnDeere公司的工程师利用虚拟样机技术对其工程机械产品进行分析,不仅找到了原因,而且提出了改进方案并且在虚拟样机上验证了方案的有效性。
通过实际改进,该公司产品的高速行驶性能与重载作业性能大为提高。
基于PRO/E和ADAMS的变速器动力学仿真
图1.4虚拟样机技术在汽车上的应用
Fig.1.4Virtualprototypingtechnologyapplyonautomobile
一家卡车制造公司在研制新型柴油机时,发现点火控制系统的链条在转速达到每分钟6000转时运动失稳并发生振动。
常规的测量技术在这样的高温高速的环境下失灵,工程师们不得不借助于虚拟样机技术。
根据对虚拟样机的动力学及控制系统的分析研究,发现了不稳定因素,改进了控制系统,使系统的稳定范围达到每分钟10,000转以上。
有趣的是,虚拟样机技术还用到了法庭上。
福特公司专门雇佣一家咨询公司用虚拟样机技术为它进行车辆事故仿真,在法庭上用仿真结果为自己辩护。
最近的一个例子发生在意大利:
一位名赛车手在赛车中因事故丧生,其家属起诉赛车制造商,认为事故的原因是赛车的设计缺陷,要求巨额赔偿。
制造商借助于虚拟样机技术,说明赛车设计合理,事故原因是赛车手操纵不当。
法庭根据虚拟样机技术所提供的证据,做出了客观的判决。
虚拟样机技术是一门新兴的技术,它有着广阔的发展前景及市场。
只要想一下,通用汽车公司每年用于实际模型的建造及实验的费用有十亿美元,福特汽车公司开发一辆
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图2.3输入轴系子装配
Fig.2.3inputshaftsubassembly
(3输出轴:
输出轴也称为第二轴,主要包括第一档、倒档齿轮,第二档、第三档齿轮,第五档齿轮等零件,各个齿轮均为轴向定位。
装配好的输出轴模型如图2.4所示。
图2.4输出轴系子装配
Fig.2.4o屿皿shaftsubassembly
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(4中间轴:
中间轴的前端和后端通过轴承支撑在壳体的轴承孔内,其上装配有常啮合齿轮、第三档、第五档及取力齿轮等。
其中,中间轴的倒档齿轮与中间轴制成一体结构。
装配好的中间轴模型如图2.5所示。
图2.5中间轴系子装配
Fig.2.5Intermediateshaftsubassembly
(5倒档轴:
倒档轴直接支撑在壳体倒档轴孔内,用锁片锁止。
其中两个倒档齿轮制成一体的结构。
装配好的倒档轴模型如图2.6所示。
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图2.6倒档轴系子装配
Fig.2.6Reverseshaftsubassembly
2.3.2传动机构的换档形式
本文所介绍的手动变速器包括五个前进档和一个倒档,各齿轮副的相对位置对整个变速器的结构安排有较大影响。
各齿轮布置如图2.7所示。
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图2.7手动变速器齿轮布置图
Fig.2.7Configtwationofmanual仇msmissiongears
1—输入轴2—输入轴上常啮合齿轮3一第四、五档固定齿座
4一第四、五档滑动齿座5一第五档齿轮6一第三档齿轮7一第二档齿轮
8一第一档、倒档齿轮9—输出轴10一中间轴11--中间轴常啮合齿轮
12一取力齿轮13--中间轴第五档齿轮14--中间轴第三档齿轮15一中间倒档齿轮1删档齿轮17--中间轴第二档齿轮18—倒档轴10-中间轴第一档齿轮
2.3.3操纵机构的建模
变速器的操纵机构要防止变速器自动脱档和自动挂档,并要保证变速器不同时挂两个档位,此外,为了防止驾驶员误挂倒档,必须保证在汽车停止前进后才允许挂倒档。
变速器的操纵机构通常有直接操纵式、远距离操纵式、电控自动操纵式等,本变速器采用直接操纵式结构,它主要由变速操纵杆、变速叉、拨块、变速叉轴以及互锁装置、自锁装置、倒档锁装置等零部件组成。
该操纵机构安装于变速器上盖中,具有结构简单,操纵方便的特点。
装配好的变速器操纵机构如图2.8所示。
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图z.8变速器操纵机构示意图
Fig.2.8C倘gI删onof把ansmissioncontrolmech锄i姗
1—第一、倒档变速叉轴2—变速操纵杆弹簧3—变速导块4—变速操纵杆
5—第一、倒档变速叉6一第四、五档变速叉轴卜第二、三档变速叉轴
8一第二、三档变速叉9一第四、五档变速叉
变速叉轴可以在上盖的轴孔座中作轴向移动,三个变速叉用止动螺栓固定在各自的变速叉轴上,在第一、倒档变速叉轴l上用止动螺栓固定有变速导块3。
变速导块3与变速叉8、9上各有一个凹槽,如图2.9所示空档位置时,三个凹槽相互对齐,变速操纵杆下端伸到该凹槽中,可以分别拨动三个变速叉前后移动,从而实现换档。
变速操纵杆中部有球形支点,当变速操纵杆向左偏移时,其下端进入右侧变速叉凹槽中:
同样,变速操纵杆向右偏移时,其下部将进入左侧变速叉凹槽中。
球形支点安装的弹簧可以使变速操纵杆的下端始终保持在中间变速叉上部的凹槽中。
当变速操纵杆上方向前或者向后拨动时,可以将变速叉向后或者向前移动,实现换档。
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图2.9空档位置示意图
Fig.2.9Sketchofneutralposition
在变速器操纵机构中,锁止装置主要包括互锁装置、自锁装置。
本文中手动变速器采用锁球式互锁、自锁装置。
互锁装置是保证移动某一变速叉轴时,其他变速杆叉轴互被锁止。
如图2.10所示,在相邻的两个变速叉轴间各有两个锁球,锁球两端可以进入相邻变速叉轴的侧面凹槽中,以锁住这个变速叉轴。
第四、五档变速叉轴的两侧都有互锁凹槽,而且相互对称,在该变速叉轴内的通孔连通这两个凹槽,通孔内装有销。
当变速器操纵杆从空档位置推动任一根变速叉轴时,其他两根变速叉轴即被锁止,从而避免同时挂上两个工作档。
自锁装置起定位作用,防止汽车振动或者有较小的轴向力作用而导致脱档,从而保证啮合齿轮以全齿长进行啮合,并使驾驶员有换入档位的感觉。
定位的作用是通过自锁装置中的钢球压入变速叉轴的凹槽中实现的。
变速叉轴凹槽间的距离是由挂挡时齿轮移动的距离来确定的。
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图2.10互锁、自锁装置示意图
Fig.2.10Sketchofself-locking、interlockingdevice
1一自锁弹簧2一自锁滚珠3—互锁滚珠4一互锁圆柱销5—变速叉轴
2.3.4总装配
采用自底向上的方法,从底层逐步向上装配,将已经设计好的零件加入到装配体中。
由于变速器零件比较多,所以先将相关零件组装成子装配体,最后把所有的子装配体再装配在一起,组成总的装配体。
完成好的总装配图如图2.11所示。
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图2.11变速器装配图
Fig.2.1ITransmissionassembly
2.4变速器运动学仿真
运动分析模块(ScenarioForMotion是CAE(ComputerAidedEngineering应用软件,用于建立运动机构模型,分析其运动规律。
Pro/ENGINEER运动分析模块可以进行机构干涉分析,跟踪零件的运动轨迹,分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。
进行运动仿真需要在装配中采用“连接”的方式,以保证零件至少有一个自由度,保证零件可以滑动或旋转。
在通过添加不同零件间副的关系及电动机,实现零件预期过程。
以倒档为例,进行运动仿真。
首先定义齿轮副机构,在输入轴与中间轴上定义常啮合齿轮副,在中间轴与倒档轴上定义倒档齿轮副,在倒档轴与输出轴上定义倒档齿轮副。
然后在变速器的输出轴上定义伺服电动机,定义常数为1000deg/sec。
运行观察运动结果。
如图2.12所示。
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图2.12变速器倒档运动分析图
F皓2.12Movementanalysesoftransmission地Ver辩
2.5本章小结
(1为了进行变速器的运动仿真,首先在Pm/E中采用自底向上的方法对变速器进行装配建模。
在变速器装配主模型的基础上,创建运动分析方案(Scenario,进行运动仿真分析。
(2本章的研究可以很好地指导变速器几何结构的设计。
在设计初期,充分利用计算机运动仿真技术,能够极大地提高对变速器设计中可能存在问题(例如干涉问题的预见性,从而更加科学、合理、快速地完成设计工作。
(3本章采用的分析流程:
零件三维建模一子装配建模一总装配建模一运动仿真分析,将CAD与CAE技术有效结合,完整地展示了复杂机构的运动学计算机仿真分析过程,对于工程实际有直接的指导意义。
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表3.1ADAMS与Pro/ENGINEER版本匹配表
Tab.3.1editionmatchingofADAMSandPro/ENGINEER
(2MEcHANISM伊r0模块安装问题
目前很多用户无法顺利实现Pro/ENGINEER与ADAMS之间接口,除了版本的匹配问题外,很大程度上因为MEc姒NIsM伊ro模块安装的方法不对,笔者也是反复试验了多次才成功,正确的安装步骤在MSC公司的官方网站上都有介绍,另外有时候还需要用新的Pro/ENGINEER的超时补丁nmsd.exe替换原来的文件才可以,安装成功后,当进入Pro/ENGINEER的装配界面时候,会出现如图3.1所示的下拉菜单。
图3.1MECHANISM/Pro界面
Fig.3.1Int日faeeofMECHANISM/Pro
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图3.2变速器传动系统仿真模型
F-g.3.2Simulationmodelofpow盯-mmsmissionsystem
由于是刚体模型,所以在二轴上的双列角接触轴承处添加旋转蟊1](RevoluteJoint,在二轴后轴承处添加圆柱副(CylindricalJoint。
中五齿轮添加旋转吾1](RevoluteJohat。
把主五齿轮用固定副ffixeaJoint和二轴联接在一起。
发动机的最大扭矩是193/2500N・m/rpm。
则在五档的时候,换算到中间轴的转速是10286deg/s,二轴的转速是lS429deg/s,二轴的输出转矩是157100N・nlln。
给中五齿轮施加一个恒定转速的驱动,速度是10286deg/s=二轴旌加一个初速度,转速约为18429deg/s,然后再添加一个反方向的转矩,大小是157100N・mm。
在主五齿轮和中五齿轮之间施加碰撞接触力(contact,ADAMS为接触作用的仿真提供了极大的方便:
通过修改接触副中接触刚度及其非线性指数、阻尼系数、最大阻尼时的击穿深度、接触面静态及动态摩擦系数,接触作用形式可以仿真至相当高的程度。
建立好的变速器传动系统仿真模型如图3.2所示。
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图4.1惯性同步器结构图
Fig.4.1Theske妇’oftheine『6asynchronization
1一齿轮2一滑块3一拨叉4一齿轮5—锁环6—弹簧圈7_花键毂8—接合套
蝴环10一凹槽11—轴向槽12—缺口
锁环式惯性同步器的工作原理以北京BJ212型汽车三档变速器中的二、三档同步器为例说明。
花键毂7与第二轴用花键连接,并用垫片和卡环作轴向定位。
在花键毂两端与齿轮1和4之间,各有一个青铜制成的锁环(也称同步环9和5。
锁环上有短花键齿圈,花键齿的断面轮廓尺寸与齿轮l,4及花键毂7上的外花键齿均相同。
两个锁环上,花键齿对着接合套8的一端有倒角(称锁止角j且与接合套齿端的倒角相同。
锁环具有与齿轮l和4上的摩擦面锥度相同的内锥面,内锥面上的细牙螺旋槽,可使两锥面接触后破坏油膜,增加锥面间的摩擦。
三个滑块2分别嵌合在花键毂的三个轴l句槽11内,并可沿槽轴向滑动。
在两个弹簧圈6的作用下,滑块压向接合套,使滑块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽10中,起到空档定位作用。
滑块2的两端伸入锁环9和5的三个缺口12中。
只有当滑块位于缺口12的中央时,接合套与锁环的齿方可能接合。
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- 基于 PROE ADAMS 变速器 动力学 仿真