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1、精品论文基于 Pro/E 和 ADAMS 的矿用齿轮传动系统建模与仿真张强 1，田莹 1、2，陈令国 3 ，吕顺 41 辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新（123000）2 阜新矿业集团，辽宁阜新（123000）3 沈阳三一重型装备公司，辽宁沈阳（110005）4 大连水产学院，辽宁大连（116023）E-mail：摘要：本文应用 Pro/Engineer 软件对矿用齿轮传动系统进行建模，并通过 MECHANISM/Pro 把模型导入到 ADAMS 软件中，进行齿轮传动系统的动力学仿真。结果表明，该建模、仿 真方法能准确的得到机构的运动、动力学数据，能为机构的选型、优化设计提供参考。 关键
2、词：齿轮传动 ；ADAMS ；Pro/E ；建模；仿真中图分类号：TP391.91. 引言虚拟样机技术是近几十年来，它是伴随着科学技术和经济的高速发展而产生一种先进的 现代化的设计手段。由于受到 CAD 技术、网络技术、仿真建模技术、信息集成技术和虚拟 现实技术等因素的制约，虚拟样机技术目前还处于研究和应用起步阶段。12虚拟样机技术是在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某单一 系统中零部件的 CAD 和 FEA 技术）揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针 对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、 提高产品性能的一种新技术
3、。目前，国内虚拟样机技术的研究尚处于起步阶段，主要是对虚拟样机概念和结构的研究， 对虚拟样机要求的相关技术，如数据库技术、CAD/CAM 技术、网络技术、分布交互仿真技 术等已有一定的基础，但尚未发现支持虚拟样机的工具与环境，与国际先进水平还有较大差 距。32. 行星架行星架是行星齿轮传动装置中的主要构件之一45。行星轮轴或轴承就安装在其上。当 行星架作为基本构件时，它是机构中承受外力矩最大的零件。行星架的结构设计和制造对各 行星轮间的载荷分配以至传动装置的承载能力、噪声和振动等有很大的影响。为了能够较好 地反映行星架的真实受力情况，建立一个好的计算力学模型、逼真地模拟行星架的几何形状 和受力
4、情况是非常重要的。行星架结构678比较复杂，通常将其模拟为由两侧板及中间等距离的连接板组成的框 架结构来计算变形。其简化后的计算模型如图 1 所示。-7-图 1 行星架计算模型图图 2 行星齿轮装配原理图3. 基于 ADAMS 的行星齿轮传动系统的建模本文是对某煤矿机械有限公司所设计的 1000KW 型矿用减速器输出部分的行星齿轮传 动系统（NGW 型）进行仿真分析，其结构较为复杂，在 ADAMS 中很难建立其实体模型。 因此选择当今比较流行的建模软件Pro/Engineer 对其建立实体模型，通过 Pro/Engineer 与 ADAMS 之间的接口MECHANISM/Pro 将模型导入 A
5、DAMS 中。3.1 建模应用 Pro/Engineer 软件对行星齿轮进行建模型，并进行装配，得到实体简化模型如图 3图 3 装配好的行星齿轮简化模型图 4 简化后导入 ADAMS 中的行星传动系统模型3.2 导入把装配好的行星齿轮模型到导入 ADAMS 中，并删除运动学和动力学不起关键影响的 部件，得到行星传动系统模型如图 4。4. 基于 ADAMS 的行星齿轮传动系统的仿真4.1 接触力的定义太阳轮 和行星轮材料均 为 20Cr2Ni4 ，其泊松比 1 = 2 = 0.29 ， 杨氏模量 E1 = E21= 2.07 105 MPa ，齿数 z= 19 ，z2= 34 ，模数5m = 1
6、2；内齿圈材料为42CrMo，其泊松比 3 = 0.28 ，杨氏模量 E3 = 2.12 10MPa ，齿数 z3 = 89 ，模数 m = 12 。太阳轮与行星轮啮合的刚度系数 K1= 1.3106 106 N / mm ；行星轮与内齿圈啮合的刚度系数2K = 2.757 106 N / mm 。另外碰撞指数 e 取1.5；其余取默认值（如图5 所示）。选取了上述参数后，基于虚拟样机模型就可以进行动力学仿真。图 5 接触力的定义图 6 动力学仿真模型4.2 仿真计算基于上述虚拟样机模型，在太阳轮转动副上添加转速驱动，转速大小为 210.6r/min2.57 108（1263.6o/s）。在行
7、星架输出端施加一个恒定负载转矩：步长取 0.0001s。施加完约束和驱动的模型如图 6 所示。Nmm。仿真时间取 0.6s，在仿真过程中取各零件的轴向方向为 x 轴，正向垂直与纸面向外，其他轴方向如图 6中所示。对模型进行动力学仿真，仿真结果如图 7 至所示：（a） 太阳轮输入转速（b）行星架输出转速 图 7 输入、输出转速图图 8 太阳轮与三对行星轮 y 向啮合力时域与频域图图 9 太阳轮与三对行星轮接触力时域与频域图图 10 三对行星轮和内齿圈 y 向啮合力时域与频域图图 11 三对行星轮和内齿圈接触力时域与频域图本章通过 Pro/Engineer 软件建立了行星传动部分的三维实体模型，并
8、对厂家设计模型进行适当简化，再利用 Pro/Engineer 与 ADAMS 之间的接口MECHANISM/Pro，把模型导入 ADAMS 中，并施加约束，完成虚拟样机模型，并进行运动学和动力学仿真。在运动学 仿真过程中，验证了本章建立的行星传动系统模型的正确性；在动力学仿真过程中，得到了 该系统中齿轮之间的接触力。5. 结论（1）从速度方向上分析：图 7 为太阳轮（输入轴）和行星架（输出轴）转速 随时间 t 变化曲线。从图中可以看出转速方向相同，均为负方向（取逆时针方向为正）。满足 NGW 型行星齿轮传动系统的啮合方向关系。（2）从转速大小上分析：在系统启动阶段，输出轴转速由静止快速达到稳定
9、转速，因 此会使得系统间存在较大的冲击，表现为输出轴转速会出现较大的波动，并且其波动的幅值 随系统的逐步稳定而减小。当输出轴转速趋于平稳后，即系统达到稳定转动阶段，输入轴转速为-1263.6o/s，输出轴转速平均值为-222.3o/s，由此得系统的传动比为 i仿 = 5.6842 ，与理 论设计值相符。在稳定传动阶段，输出轴转速成周期性波动，是与齿轮传动过程中内部激励 引起的冲击和振动有关。（3） 从时间历程上分析：在系统启动阶段，由于速度发生突变，从而产生冲击，接触 力（啮合力）有较大的波动；当系统进入稳定传动阶段后，接触力在一个均值附近上下波动， 并呈现周期性，这也体现了轮齿周期性啮入啮出
10、的特点。这里需要注意的是，由于行星传动 并非定轴转动，行星齿轮不但有围绕行星轴的自转，也有随着行星架的公转，因此，啮合力（因其是对 y 轴的分量）呈现出谐波性，这也是行星齿轮传动啮合力与定轴转动齿轮间的啮 合力（切向力）的区别所在。并且太阳轮与三个行星轮间的三对啮合力之间存在相位差。同 样，三个行星轮与内齿圈间的三对啮合力之间也存在相同的相位差。（4） 从频域上分析：从各个齿轮的啮合频域图上看，它们出现频率最大值处的频率均 相同，其值为 54.585Hz，此值即为啮合频率。（5） 从接触力大小上分析：对于太阳轮轮与行星轮之间的三对接触力，它们的平均值 分别为：1.4146 105 N 、1.4
11、092 105 N 、1.4119 105 N ，与理论值1.2778 105 N 较 接近。对于太阳轮轮与行星轮之间的三对接触力，它们的平均值分别为：1.4599 105 N 、1.4556 105 N 、1.4517 105 N ，与理论值1.326 105 N 较接近。参考文献1王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践.J西北工业大学出版社，2002.3 2熊光楞，郭斌，陈晓波等.协同仿真与虚拟样机技术. M北京：清华大学出版社，2004.83James C.Schaaf ， jr.Faye Lynn Thompson.System Concept Develop
12、ment with Virtual Prototyping.JProceedings of the 1997 Winter Sinmulation Conference，1998.941947 4 饶振纲.行星传动机构设计M.北京：国防工业出版社，19945 李润方，王建军.齿轮系统动力学M.北京：科学出版社.19976 王春光.行星齿轮传动动态特性的研究. J哈尔滨船舶锅炉轮机研究所，2005.3 7 饶振纲.行星齿轮传动设计M.北京：化学工业出版社，2003.98 范兴国，盛君豪等.渐开线齿轮行星传动的设计与制造M.北京：机械工业出版社，2002.4Modelling and Simula
13、tion of the mineral product gear drive system Based on Pro/E and ADAMSZhang Qiang, Tian Ying, Chen Lingguo, Lv ShunLiaoning Technical University, Fuxin, Liaoning (123000)AbstractThe mineral product gear drive systems modelling has been producted by Pro/Engineer software, andinducted through MECHANIS
14、M/Pro to ADAMS software, carried on the gear drive system dynamics simulation. The result indicated that, this modelling and simulation method can accurate obtain theorganizationthe movement, the dynamics data。The method also can provide the reference for theorganization shaping、the optimized design。Keywords：gear drive；ADAMS; Pro/Engineer; modelling; simulation作者简介：张强 （1980 ），男，博士生，辽宁工程技术大学机械学院汽车工程系工作， 主要研究方向为机械动态设计与仿真，发表论文 10 余篇。