基于ADMAS的减速器机构运动学分析的文献综述

随着机械领域的发展，人们对机械自动化、灵活化的需求日益增强，而计算机领域的日臻成熟从而推动了机械系统仿真和模拟的应用，而在机械制造生产过程中由于机械振动不可避免会出现性能弱化，而如果运用计算机辅助工程（CAE）技术即虚拟样机技术，可以在计算机上模拟仿真出机械运作环境，在机械市场竞争日益激烈的状况下可以仿真出机器在不同速度、加速度、位置和时间的关系，能够极大地缩短产品设计过程，及早优化设计方案以获取尽可能的最优解，模拟出运作环境和工作状态从而缩短生产周期，提高产品质量间接减少产品生产成本。本课题的研究在于用SolidWorks构建减速器的三维模型，然后将构建好的三维模型从SolidWorks导入ADAMS，在ADAMS中建立虚拟样机模型用以仿真，通过更改减速器相关参数然后由ADAMS自动建立虚拟样机，用于模拟，直观方便。

减速器是由齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的用于减速的传动装置，传统的机械系统在产品开发试验和研究方面是利用机械实物进行试验，这无疑加大了生产成本和试验周期，而由美国机械动力公司（Mechanical Dynastic Inc.）（现已并入美国MSC公司）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分析软件^[1]。与之相匹配的Solidworks是一家专注于三维CAD技术的专业化软件公司，它把三维CAD作为公司唯一的开发方向，将三维CAD软件雕琢得尽善尽美是他矢志不渝的目的。Solidworks软件是面向产品级的机械设计工具，它全面采用非全约束的特征建模技术，为设计师提供了极强的设计灵活性^[2]。在利用ADAMS进行机械系统设计时需要考虑三种不同的情况：机械静力学分析、运动学分析和动力学分析^[3]。本课题主要围绕减速器的运动学和动力学进行分析。

众所周知，减速器中最重要的参数就是齿轮传动比，但是在减速器运作过程中尤其是在启动过程中会有误差，而我们平时所用的传动比计算公式是i₁₂ = omega;₁/ omega;₂ = Z₂/ Z₁,omega;₁,omega;₂分别表示输入输出角速度，Z₁,Z₂分别表示齿数，我们可以在ADAMS中绘制出输入输出轴曲线图从而分析减速器与理想值差异。而在国内外诸多研究中，对大型减速器的研究少之甚少，而如果用传统的实物试验法将会是一场巨大的工程，耗时耗力，而在ADAMS中只需稍稍修改减速器尺寸即可。近年来，国内外专家学者用ADAMS对不同减速器从不同角度进行了动力学仿真分析，李亚强、陈定芳、祖巧红在《基于 ADAMS 的减速器动力学仿真分析》^[4]中分析了二级减速器虚拟样机输入轴、中间轴和输出轴的角加速度与时间的关系，并指出三轴在启动过程有加速阶段并在同一时刻达到峰值，沈琛林、陈定方、陆忠华、董浩明在《基于虚拟样机的减速器动力学分析》^[5]中测出了减速器的齿轮传动角速度并对齿轮振动进行分析仿真，测定了输入输出轴在1s时振动强度最大，与之相仿的是魏书华在《基于虚拟样机技术的圆柱齿轮减速器的设计研究》^[6]中对齿轮啮合力及轴承止反力，其测量结果也与测量振动强度时的情况相仿，但其是通过分析齿轮啮合力的径向分力及其频域分析，啮合力在启动瞬间出现最大值。而行星减速器又有其独特的性质，余震、沈琛林、陈雪辉在《基于ADAMS 的行星减速器运动学仿真研究》^[7]中对行星减速器转速特性进行分析，绘制出一级太阳轮与输出轴的转速比，并加入一定角加速度的外载荷绘制出输出轴角加速度，得出输入加速度和输出加速度变化一致只是方向相反。Ling Ling和Yuan Yuan Yi在《Dynamics Simulation and Analysis of Planetary Reducer》^[8]中以电动汽车行星减速器为研究对象，建立了耦合模型进行动力学仿真，得到了轴承的啮合力、输出转速和作用力的变化规律，并进行了有限元分析。周雅湘在《行星齿轮减速器的设计与运动学分析》^[9]中着重强调行星齿轮的传动设计、轴的设计以及整体设计，不过作者在行星轮的动力学分析上有所欠缺，未绘制出相应的运动图像。赵俊奇在《双圆弧行星齿轮减速器的动力学性能分析》^[10]中列出了输入轴、一级、二级、三级行星架及输出轴的理论质心角速度，通过仿真得到减速器在实际工作中各部件的角速度，并由角速度随时间的变化曲线可知，当输入轴转速稳定时，从动部件的角速度会发生波动，但基本趋势相对平稳，作者指出其曲线出现不平稳的原因主要是齿轮之间接触产生振动冲击所致。在行星减速器运动分析方面，还有同轴双输出行星齿轮减速器，徐铭宇、钟声在《同轴双输出行星齿轮减速器运动学及动力学分析》^[11]中建立了减速器装配模型及运动学、动力学分析模型，应用齿轮三维动力接触有限元分析程序计算了齿轮啮合时变刚度激励、误差激励和啮合冲击激励，对减速器进行了运动仿真分析、模态分析和动态响应分析，得出各构件的转速曲线、减速器的固有频率以及箱体表面的振动位移、振动速度和振动加速度曲线。孙中平在《基于 ADAMS的齿轮减速器动力学仿真》^[12]中也是着重研究齿轮啮合规律通过得到齿轮轴转速以及齿轮啮合力的时域规律, 并分析产生此规律的原因。其次，我们再来看看应用于机器人领域的RV减速器，吴俊飞、刘瑞青、邵珠文、王倩在《基于ADAMS的RV减速器虚拟样机分析》^[13]中得到减速器输入轴、输出轴、曲轴、行星轮等的质心角速度时间曲线。刘学翱在《RV减速器动力学分析》^[14]中描绘了输入轴、输出轴、摆线轮、渐开线轮行星轮的速度曲线，RV减速器领域的仿真主要是验证RV减速器运动学模型的正确性，他们二者都与理论值进行比较并进行了验证。相比于RV减速器还有一种新型减速器那就是新型滚珠减速器，张力允在《新型滚珠减速器的结构设计及动力学仿真研究》^[15]中仿真得到三个不同位置透槽内的滚珠的位移，速度、角速度和加速度、角加速度随时间变化曲线，验证了新型滚珠减速器减速比。还有一种有争议的减速器，那这就是三环减速器，张健超、陈树勋、黄永强在《关于三环减速器的运动学和动力学分析》^[16]也进行了内齿圈与外齿轮之间啮合力的理论分析，遗憾的是未进行仿真。最后还有两种较为冷门的减速器，滤波减速器和摆动活齿减速器，崔洪斌、王家序、赵慧、肖科、余波、杜海伟在《基于ADAMS的橡胶合金滤波减速器动力学分析》^[17]中利用ADAMS对橡胶合金滤波减速器进行动态性能分析，分析对比了两者的输出内齿轮角速度，角加速度以及输出齿轮与双联齿轮之间啮合力，并对橡胶合金层进行位移分析，验证了橡胶合金滤波减速器在传动平稳性上的提升。WANG Yanfang和YANG Bo在《Study on Dynamical Simulation of Swing Movable Teeth Reducer》^[18]中研究了摆动活齿减速器，绘制了活齿旋转的角速度和输出轴的速度曲线图。在国内外众多学者研究中我们不难发现大都是基于研究理论值和仿真值的差别进而验证模型是否正确从而进行反馈以得到自己所需的模型。

参考文献

[1]郑凯,胡仁喜,陈鹿民.ADAMS 2005 机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社，2006

[2]谷德桥,胡仁喜.SolidWorks 2011 机械设计从入门到精通[M].北京:机械工业出版社,2011:2

[3]郑建荣.ADAMS—虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2001:1

[4]李亚强,陈定芳,祖巧红.基于ADAMS的减速器动力学仿真分析[J].湖北工业大学学报,2008,23(2):41-43