ADAMS与ANSYSWorkbench在减速器课程设计教学中的应用:课程设计减速器

ADAMS与ANSYSWorkbench在减速器课程设计教学中的应用

中图分类号：G642.4 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2015）20-0016-04 Application of ADAMS and ANSYS Workbench in Teaching of Decelerator Curriculum Design//LI Xiang Abstract ADAMS and ANSYS Workbench were used to an auxi-liary teaching of cylindrical gear decelerator curriculum design， the movement of the mechanism and deformation were showed to students with a form of visualization. The kinematic simulation of gear decelerator was completed with ADAMS， the static and modal analysis of output shaft were completed withANSYS Workbench， and the corresponding results were gotten， the error was in the allowable range compared with the theoretical value， so the simulation results were believed to be reasonable. Key words ADAMS；

ANSYS Workbench；

decelerator；

simulation 1 前言 减速器作为机械传动的一种重要形式，广泛运用于汽车、 航空、石化、船舶、矿山开采等各个领域，对动力传递的效 率与可靠性具有重要影响。鉴于此，减器速的设计在企业研 发和高校机械专业的教学过程中占据着特殊位置。减速器设 计过程涉及齿轮的传动比设计、齿轮与轴的设计与校核、寿 命设计等，减速器的性能与上述过程直接相关。减速器作为 大学生的课程设计之一，是培养学生学习和运用知识的平台， 对学生在专业知识方面的融会贯通与科技创新具有重要影 响，传统教学中主要依靠教师对减速器各零部件的讲解，采 用纯理论的方法对各部件进行设计与校核，不仅枯燥无妹， 且缺少标准让学生校对计算结果。在教学过程中采用先进的 方法与工具以可视动画[1]的形式向学生展示物理现象，对 提高学生积极性与培养创新能力，加深对现象的理解具有重要作用。

减速器的运动与受力分析实验需要光电编码器、中央处 理器（如单片机、PLC、ARM）与应力应变分析仪等设备，而 普通本科生很难接触到这些设备，且材料费与设备磨损费较 昂贵，使得进行相关实验变得困难。随着计算机技术的突破， 可视化数值模拟技术应运而生并迅猛发展，广泛运用于运动 学、刚体动力学、CFD流体动力学、有限元结构分析等领域， 与物理实验相比，具有效率高、重复性好、成本低的特点。

ADAMS[2]是应用最广泛的刚体动力学软件，擅长运动学与刚 体动力学分析，ANSYS[3]在CAE分析方面独领风骚，因此在 缺乏相关实验设备的情况下，ADAMS与ANSYS Workbench对减 速器的设计与校核具有非常重要的意义。

2 减速器的设计与理论校核 本文的设计思路是以一级圆柱齿轮减速器课程设计为 依托，根据机械原理与传动理论完成减速器各零部件的设计， 并对轴与齿轮进行校核[4]，再分别利用ADAMS与ANSYS Workbench完成运动学分析与有限元结构分析，通过与理论 计算值的对比，以更直观的效果向学生展示分析结果，促进 学生对知识的认知与理解。以普通课程设计中的带式运输机 为例，如图1所示，设计参数如表1所示。根据设计参数计算输入轴的功率和转速，并以此为依据 选取合适的电机，计算带传动与减速器传动比，确定圆柱直 齿轮的参数，设计阶梯轴等零件，完成传动装置的运动与动 力参数计算，对齿轮与轴进行强度校核，部分计算结果如表 2所示。

3 减速器的运动学仿真分析 完成减速器各零件的设计计算后，利用PROE建立减速器 的三维模型，如图2所示。将模型以X.T格式导入ADAMS，为 各零件添加合适的材料，设置工作环境与零件间的约束， ADAMS运动学分析要求机构自由度为0，故为输入轴添加旋转 驱动，其随时间的变化规律如图3中int_ang_vel曲线，设置 仿真时间10秒，步长为100。

wWW.dYLw.Net 4 传动轴的有限元仿真分析 建立有限元模型 选取减速器的输出轴，以X.T格式导入 ANSYS Workbench，轴材料选用40Gr钢，为在ANSYS中统一单 位，设置泊松比为0.3，杨氏弹性模量为2.1×105 MPa，材料密度为7.85×10-9 t/mm3。选用SOLID 185单元和智能网 格划分工具进行网格划分，类型选为结构网格，经计算得到 143 381个节点，101 025个单元，有限元模型最终如图4所 示。

静力分析 减速器传动轴主要受到负载与齿轮的扭矩作 用，因此有必要分析传动轴的强度和刚度是否满足要求。输 出轴具有一个自由度，即绕轴线的转动，故轴两端施加圆柱 约束；
轴与齿轮的接触面施加弯矩约束，值为72 752.734 N·mm；
为轴添加角速度，大小为9.495 rad/s，方向与 力矩相反。在ANSYS中完成边界条件、载荷的施加、合理设 置求解器参数并求解，得到各输出轴各节点的位移和von Mises应力云图，分别如图5、图6所示。

从图5、图6可知：输出轴的最大变形量发生在安装齿轮 的阶梯圆柱表面，为0.002 034 5 mm，在允许范围内；
各节 点的von Mises应力最大为63.027 MPa，理论计算值为60.372 MPa，相对误差为4.39%，吻合度较高，且40Gr钢的最大许用 应力为355 MPa，最大应力小于许用应力，故静力设计满足 要求。

模态分析 ANSYS Workbench中任何非位移约束对模态分 析[5]均无效，且为了防止出现刚体模态，需要合理设置参数避免刚体位移。由振动相关的知识可知，低阶时对系统危 害较大，故此处只求出前4阶固有频率和振型。轴的两端施 加轴承约束，使输出轴只能绕轴线转动，提取输出轴的前4 阶模态，固有频率值如表3所示，图7表示1～4阶模态振动变 形。

由表3可知，输出轴的一阶固有频率为0，因为轴的两端 受轴承约束，具有一个绕轴线转动的自由度，故一阶固有频 率为0认为是合理的；
为了保证机器安全运行工作，在机械 设计中应使旋转轴的工作转速n离开其各阶临界转速一定范 围。由前文可知，减速器输出轴的工作转速为90.72 r/min， 即频率为1.512 Hz，机架前2～4阶固有频率均大于13 629 Hz， 最大振幅发生在第二阶，各固有频率均远大于转子的转动频 率，认为输出轴不会发生共振。

5 结束语 本文根据一级圆柱直齿减速器的设计参数完成了减速 器构件的设计、选型与校核；
利用ADAMS对减速器进行了运 动学分析，得到了输入输出轴的转速变化规律，其中输出轴 转速与理论值的相对误差为1.848%；
运用ANSYS Workbench 对输出轴进行了静力学分析和模态分析，到了输出轴的节点 位移、von Mises应力应变、前4阶固有频率及相应的振型云图，最大应力小于许用应力，与理论计算值的相对误差为 4.39%，认为仿真结果合理。

可以看出，ADAMS与ANSYS Workbench可以完成一级减速 器课程设计的辅助教学，将机构的运动过程和受力变形以可 视化的形式向学生展示，有助于学生理解机构运动原理和培 养学生的学习兴趣，对提高学生积极性与培养创新能力具有 积极作用。

参考文献 [1]王亮，王展旭，杨眉.二级减速器网络虚拟动画仿真 的设计与实现[J].现代制造工程，2008（3）：61-63. [2]李军，邢俊文，覃文洁，等.ADAMS实例教程[M].北 京：北京理工大学出版社，2002. wWW.dYLw.Net [4]孙德龙，张伟华，邓子龙.机械设计基础课程设计[M]. 北京：科学出版社，2010. [5]冯春亮，何锋，封旭升，等.基于ANSYS的重型货车 驾驶室模态分析[J].机械设计与制造，2013（4）：73-77.