基于ADAMS的蝸輪蝸桿剛?cè)狁詈线\(yùn)動分析*

杜 浩，邵亞軍，徐永梁，陳昱丞，王 敏，萬長東

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

蝸桿傳動由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比高、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但蝸輪蝸桿試加工及試驗(yàn)成本高，如何在設(shè)計(jì)階段就準(zhǔn)確判斷其可行性具有一定的研究價值。本文利用KISS soft軟件對某閥門執(zhí)行裝置減速器二級蝸輪蝸桿進(jìn)行精確建模，并在ADAMS軟件中進(jìn)行多剛體及剛?cè)狁詈线\(yùn)動學(xué)分析，比較多剛體及剛?cè)狁詈线\(yùn)動學(xué)分析的計(jì)算結(jié)果，論證建模方法及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，以期為產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

1 蝸輪蝸桿三維模型的建立

1.1 模型建立

在KISS soft軟件中根據(jù)表1所示蝸輪蝸桿參數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖1所示。生成的蝸輪蝸桿模型如圖2所示，另存為stp格式以備后期軟件使用。

圖1 參數(shù)設(shè)置與計(jì)算

圖2 蝸輪蝸桿模型 圖3 導(dǎo)入選擇設(shè)置 圖4 導(dǎo)出蝸桿igs文件設(shè)置

表1 蝸輪蝸桿參數(shù)

1.2 模型二次加工

將stp文件導(dǎo)入UG12.0，將蝸桿部分設(shè)置為工作部件，通過在草圖平面畫圓并約束，然后進(jìn)行拉伸、布爾等操作[1]對模型進(jìn)行二次加工，將模型整體轉(zhuǎn)存為stp格式。

1.3 ADAMS導(dǎo)出蝸桿的igs文件

將轉(zhuǎn)存的蝸輪蝸桿模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中，如圖3所示；成功導(dǎo)入模型后，選擇file-export，導(dǎo)出蝸桿igs文件，如圖4所示。

2 多剛體運(yùn)動學(xué)分析

2.1 接觸碰撞理論

接觸碰撞過程的描述是連續(xù)的動力學(xué)問題，本文采用等效彈簧阻尼方法, 即用彈簧阻尼模型表示碰撞過程中的接觸力。等效彈簧阻尼方法的關(guān)鍵是選擇合理的接觸力模型，本文利用ADAMS軟件提供的step函數(shù)表示的黏性阻尼模型[2]。

2.2 蝸輪蝸桿的接觸設(shè)置

根據(jù) Hertz 碰撞理論，考慮接觸面積為圓形時有：

(1)

其中：δ為變形；a為接觸半徑；R為等效半徑；P為接觸法向力；E*為等效彈性模量。

接觸法向力P和變形δ的關(guān)系為：

(2)

其中：K為齒輪碰撞剛度，該值取決于撞擊物體材料和結(jié)構(gòu)形狀，本碰撞模型根據(jù)公式求得K=4.3×105N/mm3/2。

取碰撞力指數(shù)e=1.5，最大阻尼時的擊穿深度d=0.1 mm，阻尼系數(shù)C=35 N·s/mm?？紤]碰撞時的摩擦，蝸輪蝸桿都按潤滑處理，取動摩擦因數(shù)為0.05，靜摩擦因數(shù)為 0.08[3]。

2.3 約束設(shè)置

給蝸輪、蝸桿和大地之間添加旋轉(zhuǎn)副;給蝸輪、蝸桿之間添加接觸contact;給蝸輪、蝸桿賦予材料，材料性能參數(shù)如表2所示；給蝸桿添加驅(qū)動，驅(qū)動函數(shù)為step(time,0,0,0.2,3388d)，類型選擇Velocity[4];在蝸輪上添加一個與運(yùn)動方向相反的扭矩13.85 N·m，約束設(shè)置如圖5所示。

圖5 蝸輪蝸桿約束 圖6 多剛體分析蝸桿扭矩曲線 圖7 多剛體分析蝸輪轉(zhuǎn)速曲線

表2 蝸輪蝸桿材料性能參數(shù)

2.4 運(yùn)動學(xué)分析

求解器時間設(shè)置為0.5 s、步長設(shè)置為100，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。得到的蝸桿扭矩曲線如圖6所示，蝸輪轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

由圖6可知：在0 s～0.05 s內(nèi)蝸桿扭矩迅速增加到600 N·mm后,增加速度減慢，0.175 s時達(dá)到最大值763 N·mm，隨后數(shù)值圍繞750 N·mm上下波動，各個波動周期的峰值是由齒輪間的初始沖擊導(dǎo)致。由圖7可知：蝸輪轉(zhuǎn)速在0 s～0.175 s內(nèi)增速到80 °/s,隨后數(shù)值圍繞80 °/s上下波動。

3 剛?cè)狁詈线\(yùn)動學(xué)分析

3.1 蝸桿模態(tài)分析

在Hypermesh軟件中對蝸桿進(jìn)行模態(tài)分析，過濾低于1 Hz頻率的模態(tài)，共計(jì)算了蝸桿的16階模態(tài)，模態(tài)特征值如圖8所示。同時生成mnf中性文件，并將生成好的mnf文件導(dǎo)入ADAMS。

圖8 蝸桿模態(tài)特征值 圖9 剛?cè)狁詈戏治鑫仐U扭矩曲線 圖10 剛?cè)狁詈戏治鑫佪嗈D(zhuǎn)速曲線

3.2 運(yùn)動學(xué)分析

在ADAMS軟件中設(shè)置與剛體分析同樣的約束及參數(shù)，只是在給蝸輪、蝸桿之間添加接觸contact時，類型選擇柔性體對實(shí)體。求解器時間設(shè)置為0.35 s、步長設(shè)置為20 000，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。得到的蝸桿扭矩曲線如圖9所示，蝸輪轉(zhuǎn)速曲線如圖10所示。

由圖9可知：在0 s～0.05 s內(nèi)扭矩迅速增加到850 N·mm后,增加速度減慢，隨后數(shù)值圍繞910 N·mm上下波動，最大值達(dá)到1 375 N·mm，各個波動周期的峰值是由齒輪間的初始沖擊導(dǎo)致的。由圖10可知：渦輪轉(zhuǎn)速在0 s～0.175 s內(nèi)增加到80 °/s，隨后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

4 結(jié)論

由于齒輪間存在碰撞、摩擦、慣性力等因素，導(dǎo)致運(yùn)動表征曲線具有一定的波動性，這一點(diǎn)多剛體運(yùn)動學(xué)仿真與柔性體運(yùn)動學(xué)仿真分析結(jié)果相似；蝸桿扭矩柔性體運(yùn)動學(xué)仿真分析結(jié)果與多剛體運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果數(shù)值接近，蝸輪轉(zhuǎn)速柔性體運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果數(shù)值明顯高于多剛體運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果，這都是由于柔性仿真更接近實(shí)際狀況導(dǎo)致；在蝸輪蝸桿剛?cè)狁詈戏治鲋校捎谖仐U材料材質(zhì)較軟更容易發(fā)生變形，因此將剛體蝸桿置換為柔性蝸桿，模仿了機(jī)構(gòu)真實(shí)的運(yùn)動情況，柔性體產(chǎn)生了彈性變形、振動，對突然加載的沖擊具有緩沖作用。