变速箱的仿真设计与分析教材

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1、计算机性能的飞速提高和虚拟样机仿真技术的迅速发展及CAD/CAE/CAM在汽车产品设 计开发中的广泛采用，为变速箱技术的深入研究提供了必要的条件。 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件，是由美国机械动力公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械 系统动力学仿真分析软件。本文基于ADAMS软件，对变速箱动力学虚拟样机模型进行了仿真 分析。从而能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、实验 规划甚至故障诊断各

2、阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、 减低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。首先对某型变速箱的工作原理、类型、发展及现状等进行了阐述；简要介绍了多体系统动 力学的理论基础，对大型多体系统动力学仿真软件ADAMS进行了详细介绍。并在对ADAMS 软件熟悉的基础上对变速箱动力学虚拟样机模型进行了仿真分析。关键词：变速箱 ADAMS 虚拟样机仿真分析目录第1章绪论-1 -1.1变速箱简介-1 -1.1.1变速箱工作原理-1 -1.1.2变速箱的类型-1 -1.1.3变速箱的关键部件-2 -1.2本文研究的主要内容和目的意义-2 -第2章多体系统动力学研究的理论基础-

3、3 -2.1多体系统动力学简介-3 -2.1.1多体系统动力学的研究方法-3 -2.1.2多体系统动力学在汽车动力学分析中的应用-4 -2.2虚拟样机技术-4 -2.3机械系统动力学仿真分析软件ADAMS- 4 -2.3.1 ADAMS 软件简介-4 -2.3.2 ADAMS软件的特点-5 -2.3.3 ADAMS软件模块简介-5 -2.3.4 ADAMS分析软件的计算方法-6 -第3章虚拟样机仿真模型的建立-10 -3.1应用Pro/E软件对变速箱模型进行结构分析-11 -3.2基于ADAMS软件建立变速箱虚拟样机模型-14 -3.3对变速箱虚拟样机模型的动力学仿真分析- 15 -3.4仿真

4、结果分析-16 -第4章全文总结-16 -参考文献-17 -第1章绪论1.1变速箱简介变速箱是各类机械传动系统中常用的传动装置，因其结构紧凑，传动效率高，传递扭矩大， 且传动比准确，在各类机械中得到了广泛的应用。1.1.1变速箱工作原理变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理。简单的说，变速箱内有多组传动比不同的 齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作。如在 低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在高速时，让传动比小的齿轮副工作。变速器的功用是：（1）在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小由于汽车行驶条

5、件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。例如在 高速路上车速应能达到100km/h，而在市区内，车速常在50km/h左右。空车在平直的公路上 行驶时，行驶阻力很小，则当满载上坡时，行驶阻力便很大。而汽车发动机的特性是转速变化 范围较小，而转矩变化范围更不能满足实际路况需要。（2）实现倒车行驶汽车发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此， 往往利用变速箱中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。（3）实现空档当离合器接合时，变速箱可以不输出动力。例如可以保证驾驶员在发动机不熄火时松开离 合器踏板离开驾驶员座位。1.1.2变速箱的类型（1）按传动比变化方式来：其为

6、有级式变速器一一是目前使用最广的一种。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按所用轮系型式不同，有轴线固定式变速器（普通变速器）和轴线旋转式变速器（行星齿 轮变速器）两种。目前，轿车和轻、中型货车变速器的传动比通常有3-5个前进档和一个倒 档，在重型货车用的组合式变速器中，则有更多档位。所谓变速器档数即指其前进档位数。（2）按操纵方式来分：其为强制操纵式变速器一一是靠驾驶员直接操纵变速杆换档。1.1.3变速箱的关键部件变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成。变速传动机构的主要作用是改变转矩 和转速的数值和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比的变换，即实 现换档，以达到

7、变速变矩。同步器作为汽车变速箱构成的关键部件，其性能对降低换挡结合的冲击和噪音、减小换挡 力和换挡时间、提高换挡的平顺性和变速箱的寿命具有重要意义。1.2变速箱的发展及研究现状在汽车变速箱100多年的历史中，主要经历了从手动到自动的发展过程。目前世界上使用 最多的汽车自动变速器为MT手动式变速箱、AT液力自动变速器、AMT电子控制机械式自动变 速器、CVT金属带式无级自动变速器四种型式；目前对变速箱的研究有利用EMD方法对比变速 箱进行故障信号处理；采用车辆变速箱CAD/CAE系统来对变速箱进行优化设计；采用ANSYS 软件对变速箱进行热平衡试验，测试变速箱各排挡外壁的温度分布。通过记录变速箱

8、各行星排 外壁温度变化，来判断变速箱整体在各挡位下的发热和传热情况。最后，对比仿真和实验测试 的变速箱外壁温度分布和油温情况，分析判断仿真结果的真实性和有效性。1.3本文研究的主要内容和目的意义主要内容：（1）简要地介绍了变速箱的工作原理和详细地阐述了其功用、特点、结构形式及类型；（2）简单的介绍了多体系统动力学的研究现状、研究方法，介绍了多体系统动力学软件 （ADAMS）的基本理论和计算方法；（3）应用Pro/E建立变速箱各主要部件的三维实体模型，获得变速箱仿真所需要的数据；（4）建立了变速箱虚拟样机模型；（5）在ADAMS/View里进行模型的动力性分析。目的意义：（1）通过试验初步验证了

9、变速箱虚拟样机与真实变速箱实验的一致性，可以用本文所建立 的变速箱虚拟样机来代替实物样机对其进行试验；（2）为传动系统的仿真分析提供了一种新的思路，应用多体系统动力学虚拟分析软件 ADAMS建立变速箱模型，进行了变速箱动力学的仿真分析，与试验结果的比较，验证模型的 可靠性，为今后对变速箱故障进行疲劳寿命及结构优化分析提供载荷数据。第2章 多体系统动力学研究的理论基础2.1多体系统动力学简介多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。多体系统动力学是研究多体系 统（一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学1。它是在近30年来在 经典力学基础上发展起来的专门解决复杂机械系统

10、的运动学和动力学问题的新的学科分支，与 车辆设计、航天器控制、机器人学、机械动力学等领域密切相关，根本目的是应用计算机技术 进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。它的发展经历了多刚体系统动力学和计算系统动力学 两个发展阶段，目前已趋于成熟。2.1.1多体系统动力学的研究方法分析由多个刚体组成的机械系统，原则上可采用传统的经典力学方法，即以牛顿-欧拉方 程为代表的矢量力学方法，但随着组成机械系统的刚体数目的增多，刚体之间的联系状况和约 束方式就会变得极其复杂，绞约束力的出现会使未知变量的数目显著增加。采用以拉格朗日方 程为代表的分析力学方法可以避免出现不作功的绞的理想约束反力，使未知变量的数目减少

11、到 最低程度；但随着刚体数和自由度的增多，动能和势能函数的项数会急剧扩张，求导数的计算 工作量庞大，求导过程繁琐枯燥且容易出错，尤其是若采用传统的独立的拉格日广义坐标，在 建立系统的动力学方程时会变得非常困难。1966年罗伯森（Roberson）和维滕堡（Wittenburg）创造性地把图论引入多刚体系统动 力学，使这个学科分支跨入新阶段。另外，美国的凯恩和苏联的波波夫等人先后提出了各自的 方法来解决这些复杂系统的动力学问题。多刚体系统动力学中有下述几种研究方法：（1）图论 方法；（2）凯恩方法；（3）旋量方法；（4）最大数量坐标法；（5）变分方法。方法虽各不相同，但 它们的共同点是采用程式化

12、的方法，利用计算机解决复杂力学系统的分析与综合问题，这给多 刚体系统动力学理论带来了很多优点3：适用对象广泛。由于多刚体系统动力学是由计算机按程式化方法自动建模和分析，并且只 要输入少量信息就可以对多种结构及多种联接方式的系统进行计算，因此其通用性强，同一程 序可对各类复杂系统进行分析；可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上的，因此既可 做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符合系统的实际运动状况，并 且给研究非线性问题带来很大方便，能够使计算结果更精确；模型精度高。多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难 易程度。所以不

13、但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的三维空间模型。2.1.2多体系统动力学在汽车动力学分析中的应用多体动力学应用于汽车设计，并借以计算机仿真实现，是一项前沿技术。随着其理论研究 的逐步深入，计算方法的日渐成熟以及计算机技术的迅猛发展，这门科学开始走向实用。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，加上人-车-环境的相互作用， 给汽车系统动力学研究带来了很大困难。过去的许多情况下，不得不把模型简化（如单自由度， 双自由度模型），以便使用古典力学方法人工求解，对于汽车振动系统中大多数非线性原件（如 轮胎，变刚度悬架，橡胶衬套等）也只能采用简易算法进行局部线性模拟，从而导致车辆的

14、许 多重要特性无法得到较精确的定量分析。现在，理论方法与计算手段的突破，力学模型由线性 模型发展到非线性模型，模型的自由度由两自由度发展到数十个甚至数百个自由度。模拟计算 由稳态响应特性模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动模拟研究。由车辆环境构成的开环控制系 统也被具有驾驶员神经网络模型的闭环控制系统取代。研究分析的范围包括：运动分析、静态 （准静态）分析、动态分析、灵敏度分析等。总之对于复杂的汽车系统来说，多体动力学方法 是一种高效率，高精度的分析方法。2.2虚拟样机技术机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着 计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅

15、助工程（CAE）技术。工程师在计算机上建 立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统 的实物样机实验。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产 品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获 得最优化和创新的设计产品4。2.3机械系统动力学仿真分析软件ADAMS2.3.1 ADAMS软件简介机械系统分析软件 ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件，是 由美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是 目前世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件5。ADAMS软件是 美国学者蔡斯（Chace）等人利用多刚体动力学理论，选取系统内每个刚体的质心在惯性参考 系中的三个直角坐标和反映刚体方位的欧拉角为广义坐标编制的计算程序。ADAMS软件中应 用了吉尔（Gear）等解决刚性积分问题的算法，并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率。ADAMS软件采用模拟样机技术，将多体动力学的建模方法与大位移、非线性分析求解功 能相结合，并提供与其它CAE软件如控制分析软件Matrix,有限元分析软件NASTRAN等 的集成模块扩展设计手段。用户利用ADAMS