编号
毕 业 设 计（论文）
题目 汽车轮边减速器运动仿真与分析
二级学院 重庆汽车学院 专 业 车辆工程
班 级 09454
学生姓名 学号
指导教师 职称 副教授 时 间 2013/5/31
重庆理工大学 汽车轮边减速器运动仿真与分析
目录
摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract ...................................................................................................................................... I 第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1 1.1课题研究的目的及其意义 ............................................................................................. 1 1.2课题研究的内容 ............................................................................................................ 2 第二章. 行星齿轮轮边减速器工作原理 .............................................................................. 4 2.1 行星齿轮轮边减速器结构结构 .................................................................................... 4 第三章 汽车行星齿轮轮边减速器模型建立 ......................................................................... 5 第四章 汽车行星齿轮轮边减速器模型ADAMS运动仿真及动力学分析 ........................... 8 4.1运动仿真： ..................................................................................................................... 8 4.2动力学特性： ............................................................................................................... 12 4.3动力学特性分析： ................................................................................................... 13 第五章结构模态分析 ............................................................................................................. 15 5.1 ANSYS模态分析理论 .................................................................................................... 15 5.2 有限元模型建立 .......................................................................................................... 16 5.3模型模态求解和分析 ................................................................................................... 18 全文总结 ................................................................................................................................. 22 致谢 ......................................................................................................................................... 24 参考文献 ................................................................................................................................. 25
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摘要
汽车轮边减速器是重型汽车的重要运动件，减速器的好坏很大程度上作用着重型汽车的动力学和稳定性。本文以行星齿轮减速器为研究对象。首先，分析了该减速器的结构形式，进行了正确的选择。
其次，通过CATIA三维图形软件绘制出行星齿轮轮边减速器机构的CAD图形，并完成零件装配。然后通过通用接口导入到ADAMS虚拟样机,在ADAMS里面对各个零件添加正确的约束及运动副并进行仿真得到运动特性和动力学特性。
通过CATIA与ANSYS的通用接口将模型导入到ANSYS软件里面，对该模型进行处理划分网格。利用ANSYS里面的模态分析处理程序，对该连杆进行模态分析，从而得到构件的模态变形图和沿不通方向的位移场分布图。 关键词：行星齿轮减速器；运动仿真；动力学特性；模态分析；
Abstract
Automotive wheel reducer is an important heavy vehicles moving parts, reducer good or
bad largely focused on the role of cars dynamics and stability. In this paper, the planetary gear reducer for the study. First, the analysis of the reducer structure, were the right choice. Secondly, through the CATIA 3D graphics software draw planetary gear wheel reducer institutions CAD drawings, and complete parts assembly. Then through a common interface into ADAMS virtual prototype, in which the various parts ADAMS add the correct constraints and deputy campaign and conduct simulated motion characteristics and dynamics. CATIA and ANSYS through a common interface to import the model into ANSYS software inside, the model is processed mesh. Using ANSYS modal analysis inside the handler, modal analysis of the connecting rod, resulting in component modal deformation maps and directions along the barrier displacement field distribution.
Key word: Planetary gear reducer ；Motion simulation; Dynamics； Modal analysis;
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第一章 绪论
1.1课题研究的目的及其意义 (1) 一、课题研究背景
重型汽车轮边减速器多以行星齿轮为主，世界上的一些发达国家，如日本、瑞典、俄罗斯和美国等，对行星齿轮传动的研究、生产和应用都十分重视，在传动性能、传递功率、结构优化、转矩等方面均处于领先地位。发展比较快且取得一定科研成果的是在行星齿轮传动动力学方面。近几年来，随着我国对制造业的扶持和资金的投入以及科学技术不断进步，机械科技人员经过不懈的努力以及技术引进和消化吸收，在行星齿轮理论研究和优化设计等方面取得了一定的研究成果，在行星齿轮传动非线性动力学模型和方程方面的研究是国内两个关于行星齿轮传动动力学的代表，他们的研究成果取得了一定的成就并把许多技术应用于实际当中。与此同时，现代优化设计理论也应用到行星齿轮传动技术中，根据不同的优化目标，通过建立轮边减速器行星齿轮数学模型，产生了多种优化设计方法。在已经取得的成果中，有针对行星轮均载机构和功率分流方面的优化设计，有针对行星齿轮传动啮合效率、结构性能、体积的多目标优化设计研究，有专门针对如重型汽车轮边减速器行星传动机构齿轮模态优化设计，有针对行星机构噪声、振动、固有频率特性研究，这些成果的研究有利于提高了工程技术人员对行星传动技术的认识。在新理论和新数学计算方法出现的同时，行星齿轮减速器的优化设计方法也随着更新，比较新的研究成果：有可靠性工程理论在优化设计中的应用，有遗传算法在行星齿轮优化设计中的应用，有模糊数学在行星齿轮优化设计中的应用，有可靠性工程理论在优化设计中的应用，基于可靠性工程的理论通过引入强度可靠性系数方程来进行优化设计。这些新的设计理论和新的设计方法将许多设计理论概念和研究成果应用到优化设计中，对行星齿轮传动优化设计理论研究的发展有很大的贡献。 （2）课题意义
轮边减速器一般为双极减速驱动桥中安装在轮毂中间或附近的第二级减速
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器。在一些矿山水利及其他大型工程等所用的重型汽车，工程和军事上用的重型牵引汽车及大型公共汽车等，要求有较高的动力性，而汽车车速相对较低，因而其传动系的低档总传动比很大，为了使变速器分动器传动轴等总成不致因承受过大尺寸及质量过大，应将传动系的传动比以尽可能大的比率分配给驱动桥。这就导致一些重型汽车大型汽车的主减速比必须很大，还有一些越野汽车要求在坏路上和无路地区具有良好的通过性,因此在设计上述重型汽车、大型公共汽车、越野汽车时，需要在车轮旁附加轮边减速器。
我国研制汽车轮边减速器始于20世纪70年代中期，至今发展不快，技术水平只相当国外20世纪80年代末的水平。进入21世纪以来，我国经济形势发生了很大的变化。因此，重型汽车轮边减速器在我国的应用前景十分广阔。自从我国加入WTO之后，减速器行业面临极大的压力与挑战，为了应对这一严峻形势，一方面要引进更多更好的国外产品与相关技术，另一方面必须迅速发展民族工业。国外的汽车减速器应用得比较好，技术也比较先进，但价格比较高。一般情况是：国外的整机的价格是国内价格的2～3倍，而易损件、备件的价格却是5～8倍，因此，发展我国的轮边减速器产品是非常必要的。本论文正是对汽车轮边减速器的仿真与分析研究。
1.2课题研究的内容
本文以行星齿轮减速器机构为研究对象，以有限元法和机械动力学为理论基础，以三维建模软件CATIA，有限元分析软件ANSYS、机械系统动力学自动分析软件ADAMS为平台，完成减速器机构的建模，虚拟样机模拟，研究该模型的动力学特性和进行模态分析。具体研究内容如下：
（1）根据已有的行星齿轮减速器参数，利用CATIA软件建立三维实体模型，并进行装配工作，为了下一步ADAMS分析做好准备。
（2）将上一步建立好的三维实体模型导入进入ADAMS软件里面，对各个连接部件进行定义，添加相符合的约束和驱动，并在各个齿轮间添加接触力。完成机构的多刚体虚拟样机模型建立。并在ADAMS多刚体运动分析的基础上，完成对机构的运力学特性分析，得到曲线数据。
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（3）将CATIA中的连杆模型导入到ANSYS里面，对该杆件进行参数的设定，网格的划分，并且对杆件进行模态分析，得到连杆的各阶振型及频率。
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第二章. 行星齿轮轮边减速器工作原理
2.1 行星齿轮轮边减速器结构结构
由于轮边减速器大多采用单级行星齿轮形式，故本文仿真与分析均是以单级行星齿轮减速器为模型。
1.当太阳轮为主动件，齿圈为从动件，行星齿轮架固定时（图2a）:
2.当太阳轮为主动件，齿圈为从动件，行星齿轮架固定（图2b）:
3.太阳轮为主动件，行星齿轮架为从动件，齿圈固定（图2c）：
以上3式中n1,n2,n3分别为太阳轮、齿圈、行星齿轮架转速。Z1、Z2分别为太阳轮和齿圈的齿数。
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第三章 汽车行星齿轮轮边减速器模型建立
由于动力学软件建模的能力十分有限，所以才有专业的三维建模软件对活塞连杆机构虚拟样机进行模型的建立，并且采用专业的CAD之间的接口导入到动力学分析软件ADAMS里面，这样能最好的利用到各个软件的独有的专长，从而给工作带来极大的方便。CATIA是由法国达索系统（Dassault Systemes S.A.）公司开发的，跨平台的商业3维CAD设计软件。CATIA有着先进的混合建模技术，设计对象的混合建模：在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正
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的互操作。基于其上CATIA的众多优点，本文采用CATIA对于活塞连杆机构进
行CAD建模。活塞连杆机构由曲柄、连杆、活塞销、活塞组成。为了获得具体的零件质量特性参数，模型应与实物尽量接近。对零件三维建模的过程如下所示： 1. 太阳轮CAD建模
2.行星轮CAD建模
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3.行星架CAD建模
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4.内齿圈CAD建模
5. 输入轴CAD建模
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6.进入装配模块对模型进行装配 调入零件
装配完成
第四章 汽车行星齿轮轮边减速器模型ADAMS运动仿真及
动力学分析
4.1运动仿真：
（1）将模型导入到ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全
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参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
[6]
其中ADAMS/View图形接口模块，它可以利用IGES、STEP、STL等产品数据转
换库的标准文件格式完成ADAMS与其他CAD软件之间的数据传输，这样使得使用者在使用的过程中更加方便快捷的可以选用自己熟悉的软件来完成工作。用x_t格式导入到ADAMS里面，导入完成的模型如图所示：
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（2）对模型施加约束和运动副
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（3）施加接触力
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（4）施加驱动（角速度360度/秒） 4.2动力学特性：
输入轴转速
输出轴转速
行星轮与内齿圈接触力
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行星轮与太阳轮接触力
行星轮与行星架接触力
4.3动力学特性分析：
输入轴与输出轴出动比为3.48，与结构预算传动比相符合。分析应力状态，
行星轮与内齿圈、太阳轮、行星架的接触力周期性变化，符合运动特征，与理论相符。
问题：仿真结果有很多上面只是很小一
部分。问题在于不知道动力学特性该从哪些方面进行分析，以及分析的目的是什么，是
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否要预算某些数据，然后让实验数据与之相符合？还请老师明示一下。
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第五章结构模态分析
连杆是承受传递交变力的部件，工作条件恶劣。随着发动机高速化和大功率话，传统的静态设计已经不能满足需要。模态分析在评价轮边减速器动态特性时具有巨大的优势，本章就讲述了基于ANSYS的连杆三维模型进行的模态分析。 5.1 ANSYS模态分析理论
模态分析是动力学分析过程中必不可少的一个步骤，主要用于确定机械结构和部件的固有频率和振型，是谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析的起点。
ANSYS模态分析是利用有限元分析理论，先把模型离散化，然后利用 振动理论求解出结构的固有频率和振型。根据振动理论，连杆结构系统的动力学微分方程可表示为：
（4-1）
式中：M为连杆质量；x为连杆的振动位移；C为阻尼系数；K为刚度系数；F为外部载荷。
若令C=0和F =0，便得到结构的无限阻尼自由振动方程。对于连杆结构的模态计算来说，阻尼对结构的固有频率和振型的影响很小，可以忽略不计，因此上式可变为：
（4-2）
这是一个二阶常系数线性齐次微分方程，由此可导出连杆结构的固有频率与振型的特征方程：
（4-3）
式中：
为特征矢量，即为结构的正则化振型。
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5.2 有限元模型建立
（1）模型的导入。首先，将之前在CATIA中建立的连杆实体模型保存成通用igs格式。注意：由于ANSYS软件的单位制度只能选择其某一套单位体制，所以为了方便，在CATIA中先预将所有单位制度调成国标。开启ANSYS，用import命令将连杆igs格式文件导入到ANSYS里，并观察图形是否失真，对失真部分进行修补。
（2）选用单元划分网格。
单元的选择：由于连杆文件的不规则性，本文中选用solid92网格单元。 单元描述：solid92具有二次位移型函数，非常适合于模拟是规则形状的结构。本单元由10个节点定义，每个节点有3个自由度：节点坐标系的x，y，z方向的平动。此单元还具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变的功能。[15]单元示意图如图4-2所示。
图4-1 solid92单元结构图
根据所选单元在ANSYS软件中定义其单元属性，如图4-3所示
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（3）行星架材料属性输入。在生成MNF文件之前必须要定义行星架的材料属性，在ANSYS里面，需要定义其弹性模量，泊松比和密度。通过查询《机械工业常用材料性能数据库》得知各材料特性，如表1所示。
表1材料属性
弹性模量（pa）
泊松比 密度（kg/
）
标识符 EX PRXY DENS
数值
2．1e11
0.3 7800
根据查的的数据，通过Preprocessor-Material Props-Material Models选项设定杆件材料属性，如图4-4所示。
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图4-4 单元材料属性设定
（4）划分网格。在完成以上工作之后，选用meshtool对连杆划分网格，定义网格大小为6mm，采用智能划分，划分精度为7。行星架有限元如图4-2所示
图4-2有限元化的连杆模型
划分之后得到的单元数和节点数如表4-2所示
表4-2 连杆模型单元数和节点数
Nodes Elements
Largest Number
4295 2341
Number Defined
4295 2341
5.3模型模态求解和分析
模态综合方法主要分为固定界面模态综合方法与自由界面模态综合方法。针对连杆结构，只考虑其低阶模态，同时考虑分析过程不需要刚体模态，所以采用固定界面模态综合法。对发动机连杆进行模态分析，在计算中采用Block Lanczos方法进行求解，调用solve计算器，对运算方式进行选择，并提取前五阶模态。如图 4-7所示
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图4-3 求解模态方式选择
通过运行solution求解器求解得到连杆固有频率计算结果，其结果如下表4-3所示
表4-3
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一阶段
二阶段
三阶段
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四阶段
五阶段
振型反映了在某阶模态下，结构各个部位之间唯一的相对值。从振型图上可以找出，在该阶振动模态下，结构振动响应的表现形态（弯曲变形、扭转变形或者弯曲扭转的符合变形等）。其中低阶的固有振型要比高阶对连杆的振动影响大，结束越低影响就越大，因此低阶振型对连杆的动态特性起着决定作用，故进行连杆的振动特性的分析计算时取低阶模态进行分析。本文主要对连杆2500Hz一下的3阶振型进行了分析。
从图中可以看出，第一阶位绕x轴向的弯曲振动，第二阶为扭转振动，第三阶为绕z轴向的弯曲振动。
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问题：上面只是对作为输出构建的行星架进行了
静态分析，但是都感觉不是很对，而且和老师给的题目任务（对行星齿轮减速器结构进行固有模态分析）相差很远。主要是基本不会应用ansys软件，所以这个任务有难度，网上也很难找到教学视频。另外，在ansys里面进行固有模态分析是否应该是对整个导入的减速器模型重新施加约束和运动副后再加上输入转速进行分析（如果是这样感觉操作起来很困难）？或者是陈老师能不能将题目简化一下？
全文总结
本文应用三维建模软件CATIA，UG、多体动力学仿真软件ADAMS、有限元分析软件ANSYS构造出了一个基于此样机模型，进行了输出架的模态分析，得到了系统的运动学和动力学特性，包括速度，加速度、位移、载荷等信息，为了轮边减速器的优化设计奠定了一定的基础。全文的主要研究内容如下：
（1）分析柴油机的工作原理和活塞连杆机构的工作规律，利用MATLAB语言来描述了柴油机气缸内部的气体压力曲线图，为了下一步活塞连杆机构仿真工作提供了计算依据。
（2）利用三维建模软件CATIA、Pro/E建立曲轴连杆系的三维实体模型，通过CAD与CAE软件的专用接口将活塞连杆系的X_T格式的文件导入到ADAMS中，构建了活塞连杆系多刚体力学模型，并对其进行仿真，其运动学特性和动力学特性。
（3）利用ANSYS有限元分析软件对连杆机构创建了有限元模型，并对其进行模态分析，得到了连杆的固有频率和振型。通过观测连杆的固有频率得到了活塞连杆机构中设计的优良与否。
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（4）在ANSYS中创建生成mnf连杆的中性文件，并在连杆大小头孔中创建了合理的刚性区域，以便在ADAMS中用于连接其他刚性部件。重建形成活塞连杆系多柔性体动力学模型，施加与多刚体相同的边界条件，对活塞连杆机构多柔性体动力学模型进行运动仿真，得到该机构的运动学特性和动力学特性，将其与之前得到的刚体特性相比较从而得到相对准确的分析结果。
但限于时间和篇幅，本文在建立动力学模型时，简化了刚性零部件的机构，同时没有考虑摩擦阻力的影响；在建立减速器有限元模型时，简化了模型，这些因素会不同程度的带来一定的误差，从而影响计算精度，因而，如何更为真实的工作时的实际情况，得出精确载荷，则是为了工作的重点。
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致谢
本论文是在陈哲明教授的悉心指导下完成的。陈老师诲人不倦的师德，严谨细致的态度，渊博的知识和平易近人的人格魅力对我的影响深远。本论文从选题到最后完成，每一步都倾注了老师的心血。在此，谨向陈老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
论文的顺利完成也离不开同学和朋友们的关心与支持。在此要感谢感谢吴健椿同学在论文数据采样中对我的极大帮助。他们提出的许多建议对论文的完成起到了很大的作用。在读本科期间，众多同学和朋友载学习和生活中给予我无限的关系与帮助，在此也对他们表达感谢！
感谢我的亲人，他们无微不至的关怀与鼓励是我不断前进的基础与动力。
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参考文献
[1] 陈家瑞主编.汽车构造，机械工业出版社，2011
[2] 邓勋、张文明、郭耀斌.BZQ3390矿用自卸车轮边减速器的设计.煤矿机械，2008，vol.29（No.6）;16-18
[3] 焦万铭、冯雅丽、杨钰.狂勇气车轮边二级行星减速器设计.矿山机械，2008，vol.36;38-39
[4] 杨钟胜.矿用自卸车驱动桥轮边减速器的研究与制造.汽车工艺与材料，2011，No.10；37-47
[5] 王铁、柴少彪.轮边减速器行星齿轮结构动力学分析.机械传动，2011 [6] 唐贵基，刘欣平，机械结构动态特性分析系统研究[J] ，硕士学位论文，2008(8).
[7] 汤宝平，陆东，机械结构试验模态分析系统的研究[J] ，硕士学位论文，2007(8).[8] 傅志方，华宏星，模态分析理论与应用[M] ，上海：上海交通大学出版社，2000(3)
[9]轮边减速器总成的设计 汪振晓; 李增辉 汽车科技 2008-02-25
[10] 轮边减速器齿轮传动参数优化设计及其齿顶修形研究 钟新利 湖南科技大学 2011-05-28
[11] 工程机械轮边减速器结构设计研究 许铁林 工程机械 1997-06-15 [12]基于MATLAB的装载机轮边减速器计算机辅助优化设计 胡欢; 汤双清 装备制造技术 2008-07-15
[13] 重型载货汽车行星齿轮轮边减速器动力学性能分析与研究 柴少彪 太原理工大学 2010-05-01
[14]轮边减速器优化设计存在的问题及对策 李必文; 张春良 中国工程机械学报 2008-03-15
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