基于UG的复合轮系齿轮传动三维建模及运动仿真分析

第４３卷第２期　林业机械与木工设备　ＦＯＲＥＳＴＲＹ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ＆ＷＯＯＤＷＯＲＫＩＮＧ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　Ｖｏ１　４３　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．２０１５　２０１５年２月　基于ｕＧ的复合轮系齿轮传动三维建模及运动仿真分析　黄跃娟。矫健。　肖明醅　（齐齐哈尔工程学院机电工程系，黑龙江齐齐哈尔１６１００５）　摘要：以复合轮系齿轮传动为例，对传动机构进行原理分析，利用传动比计算公式计算出复合轮系中关键齿　轮的旋转速度，得出ＵＧ运动仿真参数。利用ＵＧ中齿轮工具箱完成锥齿轮和直齿轮的建模与啮合装配，对旋转副　和齿轮副进行运动仿真，通过运动仿真可直观地观察齿轮传动状态，然后进行图表分析，以验证轮系设计的合理性。　关键词：复合轮系；三维建模；传动计算；运动仿真　中图分类号：ＴＨ１３２；ＴＰ３９１　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５—２９５３（２０１５）０２—００４１—０４　Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｇｅａｒ　Ｔｒａｉｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＵＧ　ＨＵＡＮＧ　Ｙｕｅ－ｊｕａｎ，　ＪＩＡＯ　Ｊｉａｎ，ＸＩＡＯ　Ｍｉｎｇ－ｚｈｅ　（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｑｉｈａｒＣｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｑｉｈａｒＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１６１００５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｇｅａｒ　ｔｒａｉｎ　ｇｅａｒ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓ—　ｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｇｅａｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｇｅａｒ　ｔｒａｉｎ，ｏｂｔａｉｎｉｎｇ　ＵＧ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｇｅａｒ　ｔｏｏｌｂｏｘ　ｉｎ　ＵＧ　ｉｓ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｎｇａｇｅ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｏｆ　ｓｐｕｒ　ｇｅａｒｓ　ａｎｄ　ｂｅｖｅｌ　ｇｅａｒｓ，ｗｉｔｈ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｇｅａｒ　ｐａｉｒ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　ｇｒａｐｈ－ｂａｓｅｄ　ｎａａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｔｒａｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｇｅａｒ　ｔｒａｉｎ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＵＧ软件从６．０版本以后增加了ＮＸ　ＧＣ工具箱，其　中的齿轮建模工具箱可以协助用户精确、快速地创建　分为三大类，即定轴轮系、周转轮系和复合轮系。复合　轮系在机械的实际使用中最为普遍，既包含定轴轮系，　渐开线直齿、斜齿或锥齿轮等，还可以进行齿轮的啮合　及移动等操作，提高了齿轮轮系的设计效率，减少了设　计人员的工作量。　运动仿真模块是ＣＡＥ应用软件，具有强大的静态及　又包含周转轮系，或者由几部分周转轮系组成。　某复合轮系机构简图如图１所示，输入端速度为　Ｗ。＝１９　ｒ／ｍｉｎ，齿数分别为：Ｚｌ＝９０，Ｚｚ＝６０，　＝Ｚ３＝３０，ｚ３—　２４，Ｚ４＝１８，Ｚ５＝１５，ｚ５，＝３０，Ｚ６＝１０５，Ｚｓ＝３５，Ｚ７＝３２。该复合轮　动力学、运动学分析计算功能和动态仿真功能，用于建　立运动机构模型模拟运动规律，可以对运动机构进行干　涉分析，跟踪零件运动轨迹或分析机构零件的速度、加　系由定轴轮系与周转轮系组成，其中，锥齿轮１－２—２　一３　组成定轴轮系（ａ），齿轮３　＿４—５—５　一６组成周转轮系　（ｂ），齿轮７—８组成定轴轮系（ｃ）。　速度等，可以建立独立运动分析方案目．不影响装配主模型。　１　复合轮系原理分析　轮系是由一系列齿轮所组成的齿轮传动系统，轮　系运转时根据各齿轮轴线相对于机架的位置是否固定　收稿日期：２０１４—１１－１７　传动原理为：当定轴轮系（ａ）中的输入端锥齿轮１　转动时，通过齿轮啮合传动将速度传递给双联齿轮３—　３　，使其获得自转速度，该速度为周转轮系（ｂ）的输人端　速度，通过齿轮啮合传动将速度传递给双联齿轮５—５　，　使其获得绕自身轴线旋转的自转速度，双联齿轮中５　第一作者简介：黄跃娟（１９８２－），女，辽宁葫芦岛人，讲师，硕士，主要从事机械电气方面的研究。　４２　林业机械与木工设备　第４３卷　和固定齿圈６之间的啮合传动使其获得绕齿圈轴线旋　转的公转速度，由于双联齿轮５—５　和齿轮４与行星架　Ｈ相联，使行星架Ｈ获得绕齿圈轴线旋转的自转速度，　在周转轮系（ｂ）中，太阳轮为双联齿轮３－３　和齿圈６，行　星轮为齿轮４和双联齿轮５—５　，由于行星架Ｈ与齿轮　８相连接，二者具有相同的自转速度，该速度为定轴轮　系ｃ）的输出速度，通过齿轮啮合传动将速度传递给齿　轮７，使其获得自转速度，该速度也就是整个复合轮系　机构的输出速度。　图１复合轮系机构简图　２复合轮系机构传动计算　对于定轴轮系而言，轮系中各对啮合齿轮传动比　的计算公式为：　：且：±纽　而对于周转轮系而言，由于有转动的行星架，从而　使行星轮既有自转又有公转，传动比不能直接用定轴　轮系传动比求法来计算。但根据相对运动原理，假设给　周转轮系加上一个公共角速度“一　”，使其绕行星架的　固定轴线回转，这时各个构件之间的相对运动仍将保　持不变，而行星架的角速度变为　『　＝０，即行星架　“静止不动”。于是周转轮系便转换为定轴轮系，轮系中　各对啮合齿轮的传动比计算公式相应转变为：　．　一ＷＩｒ　１　产　：　＝±　一　对于平面定轴轮系，传动比“＋”和“一”的确定可以　依据各对啮合齿轮传动比正负连乘后得出，但对于空　间齿轮传动（如圆锥齿轮传动、螺旋齿轮传动等），总传　动比可用上式计算，但正负号只能用画箭头的方法来　确定。　根据上述公式，对本文中复合轮系进行传动速度　计算，Ｗ。＝１９　ｒ／ｍｉｎ，在ＵＧ中，旋转速度均以。／ｓ为单位，　单位转换后，Ｗ１＝１９＂３６０／６０＝１　１４。／ｓ。　２．１定轴轮系（ａ）传动速度计算　定轴轮系（ａ）由圆锥齿轮组成，为空间齿轮传动，　总传动比的正负用箭头方法标注，由图１可知转向相　同，为正。　Ｌ～量　２　ｚｌ　２＝　ｊ　Ｗ’＝２箍　，・　，…　　：一互　　３　一　２．２周转轮系（ｂ）传动速度计算　周转轮系转换为定轴轮系后即为平面定轴轮系，　轮系中各对齿轮的传动比计算公式如下，连乘后即得　出总传动比计算公式。　Ｗ３，－ＷＨ一—一量　４一　日　，　二４　旦一一　５一　Ⅳ　ｚ４　＝Ｗｓ，－ＷＨ——：一盈　‘　Ｈ　，箍　０・　，　－Ｗ　ｊ　日　…　Ｗ　ＷＨ　ｚ　Ｗｓ＝Ｗ　根据ＵＧ运动仿真特性及轮系传动原理，计算出复　合轮系中部分齿轮的绝对速度，其他齿轮的啮合旋转　速度可以通过建立齿轮副来实现速度传递，达到提高　工作效率的目的。　３复合轮系三维建模及装配　根据轮系机构简图及齿轮参数，利用齿轮工具箱　进行轮系的三维建模与装配。轮系模数取ｉｎ＝２．５，分别　利用圆柱齿轮和锥齿轮的建模工具来完成轮系齿轮建　模，工具里包括创建齿轮、修改齿轮参数、齿轮啮合、移　动齿轮、删除齿轮等功能，通过切换不同的功能来实现　齿轮建模与装配，可提高工作效率。　３．１圆柱齿轮建模与装配　点击ＧＣ工具箱一齿轮建模一圆柱齿轮，选择创建　齿轮功能，弹出渐开线圆柱齿轮建模对话框，选择直齿　轮、外（内）啮合齿轮、滚齿参数设置，确定后输入模数、　齿数、齿宽和压力角等参数，也可以先点击默认值，软　件自动添加参数，在此基础上可以修改其他参数，矢量　和点分别指圆柱齿轮轴线方向和底面圆心，分别在绘　图区直接选择矢量符号和任一点即可。采用以上方法　建立的独立齿轮模型如图２所示。其中，图２（ａ）为外啮　合齿轮，图２（ｂ）为内啮合齿轮。　切换到啮合齿轮功能，在所有存在的齿轮中列出　可以进行啮合设置的齿轮，直接点选即可设置主、从动　齿轮，这里的主、从动齿轮与机械原理中所指的主、从　动齿轮意义不同，ＵＧ中主动齿轮是指建模过程中不发　第２期　黄跃娟，等：基于ＵＧ的复合轮系齿轮传动三维建模及运动仿真分析的锥齿轮模型如图５所示。　４３　配位置来确定，这是与圆柱齿轮不同之处，啮合装配后　（ａ）外啮合圆柱齿轮　图４锥齿轮三维模型　（ｂ）内啮合圆柱齿轮　图２　ＧＣ工具箱圆柱齿轮三维建模　生位置移动的齿轮，从动齿轮则是指位置发生移动的　齿轮，即进行齿轮啮合时，从动齿轮要发生位置移动，　向主动齿轮靠拢，从而啮合到一起¨】］。中心线向量是从　主动齿轮圆心指向从动齿轮圆心的向量，依据齿轮装　图５啮合锥齿轮装配模型　３．３复合轮系总体三维造型　配位置，选择相应向量来完成装配。依据装配位置，灵　活设置主、从动齿轮以及中心向量，从而达到顺利完成　齿轮装配的目的，装配后齿轮模型如图３所示。　利用齿轮工具箱、圆台、拉伸、求和等操作命令完　成整体复合轮系三维实体建模，复合轮系整体三维建　模及装配如图６所示。　图３装配后齿轮模型　③　（ａ）复合轮系支架　（ｂ）定轴轮系　３．２锥齿轮建模与装配　锥齿轮与圆柱齿轮操作相同，选择直齿轮和等顶　隙收缩齿，圆锥齿轮参数仍然可以选择默认值，只需修　改节锥角即可，圆锥齿轮啮合时两轴间夹角Ｅ＝９０。，齿　轮１的分锥角计算公式为６　＝ａｒｅｔａｎ（　／ｚ２），齿轮２的分　锥角则为９０　。。该例中锥齿轮１和２啮合可以利用表　达式功能完成分锥角计算，修改参数时直接输入６。即　可，另一啮合齿轮的分锥角输入９０　。即可。建立的独　立锥齿轮三维模型如图４所示。　切换到齿轮啮合功能，其主、从动齿轮含义与圆柱　齿轮相同，从动齿轮轴向向量依据从动齿轮轴线和装　林业机械与木工设备　里直接选择相对杆件即可ｆ２］。　４．１．３齿轮副　第４３卷　在ＵＧ运动仿真中，齿轮副用于建立两个旋转副之　间的速度关系，且两个旋转副必须相对于同一个杆件。　建立齿轮副时，依次选择第一个旋转副和第二个旋转　副，比率为第一旋转副齿数与第二旋转副齿数之比，其　中，外啮合齿轮比率为正，内啮合齿轮比率为负。　（ｃ）周转轮系　创建齿轮副１９个：齿轮１和双联齿轮２—２　均为对　地旋转副，建立齿轮副１个，比率为９０／６０，记为Ｇ１；双　联齿轮３—３　和齿轮４相对行星架Ｈ，建立齿轮副６个，　比率为２４／１８，记为Ｇ２；同理齿轮４与双联齿轮５—５　之　间建立齿轮副６个，比率为１８／１５，记为Ｇ３；双联齿轮　５—５　和齿圈６之间建立齿轮副１个，比率为一３０／１０５，记　为Ｇ４，二者之间只需要建立一个齿轮副即可，６个双联　齿轮５—５　通过Ｇ３齿轮副获得了正确啮合速度，选择１　个双联齿轮５—５　与齿圈６建立齿轮副，足以使齿圈６　（ｄ）定轴轮系　获得正确的啮合速度，所以不需要重复建立，重复建立　会造成解算器无法解算及不能进行运动仿真；行星架　Ｈ一齿轮８与５个齿轮７均为对地旋转副，建立齿轮副　图６复合轮系三维建模及装配模型　４　复合轮系运动仿真　４．１创建连杆和运动副　进入ＵＧ／ｍｏｔｉｏｎ模块中，创建运动分析方案，在该　５个，比率为３５／３２，记为Ｇ５　Ｅ　。　复合轮系中，平面周转轮系、定轴轮系旋转副及齿　轮副简图如图７所示。　复合轮系中创建了２２个连杆，它们分别是：齿轮１，双　联齿轮２—２　，双联齿轮３—３　，６个行星齿轮４，６个行星　双联齿轮５—５　，行星架Ｈ一齿轮８、齿圈６，５个齿轮７。　４．１．１　定轴轮系旋转副　定轴轮系中的齿轮绕固定旋转轴旋转，相对于地　面运动，即在ＵＧ中建立同定旋转副，不需要选择相对　杆件。固定旋转副包括齿轮１、双联齿轮２—２　、齿轮７和　行星架Ｈ一齿轮８，分别记为Ｒ１、Ｒ２、Ｒ７、ＲＨ。　４．１．２周转轮系旋转副　周转轮系中包括太阳轮、行星轮和行星架等基本　构件，太阳轮与行星架均绕固定轴旋转，行星轮与行星　架相联，它们一方面绕自身轴线作自转，另一方面还要　绕行星架轴线作公转，因此行星轮的运动为自转和公　转的合成运动，即在ＵＧ里设置相对旋转副，选择相对　杆件一行星架Ｈ，行星架Ｈ的旋转副为对地旋转，行星　轮以它作为相对杆件后，既要随着行星架一起作公转，　自身还要有一个旋转副进行自转。相对行星架Ｈ一齿轮　８的旋转副共１４个，包括双联齿轮３—３　，６个齿轮４，６　个双联齿轮５—５　和齿圈６，记为Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６，这ｌ４　个旋转副的相对杆件均为行星架Ｈ一齿轮８，第二杆件　图７旋转副及齿轮副简图　（下转第４８页）　４８　林业机械与木工设备　发［Ｊ］．中国工程科学，２０１４（４）．　第４３卷　有一定领先性。设备选型符合当今技术发展趋势，设备　性能可靠，自动化程度高，注重人机协调性；原料主要　以林业采伐剩余物、林业加工剩余物、次小薪材为主，　辅以木材加工剩余物，并选用先进的能源中心，达到节　能减排的目的；注重生产线的安全性能和消防性能，是　［２］朱典想．生物质颗粒燃料生产线及其关键制造技术的研究与开　［３］任洪娥，刘冕，沈雯雯，等．基于图像处理的木粉目数检测与分析　［Ｊ］琳业机械与木工设备，２０１４（６）．　［４］郭秀荣，王鹏，王冬冬，等．不同参数的炭化微米木纤维过滤体过　滤性能的试验研究［Ｊ］．森林工程，２０１３，２９（６）：６９—７１＋１３８．　［５］袁大龙，俞国胜．基于Ｐｍ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａ的新型生物质颗粒成型机　箱体结构分析及优化［Ｊ］．林业机械与木工设备，２０１３（１０）．　连续性规模化生产的最佳选择。　参考文献：　［１］朱典想，郭东升．木煤一极具发展潜力的新型能源［Ｊ］．林业机械　与木工设备，２００９（１）．　（责任编辑韩智敏）　（上接第４４页）　４．２定义运动驱动　之间没有发生相互碰撞、相互交错现象，在运动仿真过　程的动画中也可以观察到。双联齿轮２—２　和６个双联　齿轮副不能定义运动驱动和极限，它只是一个速　度传递方式，两个齿轮旋转副建立齿轮副后，其中一个　齿轮３—３　以相同角速度１７１　ｏ／ｓ旋转；６个中介轮齿轮４　和６个中介轮双联齿轮５—５　分别以５６４。／ｓ和３６０。／ｓ　角速度旋转；太阳轮齿圈６速度为０。／ｓ，固定于支架　旋转副必须具有驱动速度，建立齿轮副后可将正确的　啮合旋转速度传递给另一个旋转副，从而完成齿轮运　动仿真。按照设计要求，齿轮１旋转副Ｒ１的恒定驱动　速度为　１＝ｌｌ４ｏ／ｓ，双联齿轮３—３　相对于行星架Ｈ的旋　上；行星架Ｈ一齿轮８以１４４。／ｓ角速度旋转；齿轮７以　１５７．５。／ｓ角速度旋转。复合轮系传动比ｉ１７＝Ｗ。／　＝１１４／　１５７．５＝０．７２，符合传动比设计要求，该复合轮系齿轮传　动机构设计正确，且运动时各构件相对稳定，达到了装　配要求　］。　转副．Ｒ　的速度为　３一ＷＨ＝１７１＋１４４＝３１５。／ｓ，行星架Ｈ一　齿轮８旋转副ＲＨ的速度为Ｗｎ＝一１４４。／ｓ。　４．３运动仿真　在分析工具条中，建立运动仿真解算方案，解算方　案类型选择常规驱动，分析类型选择运动学／动力学，时　间设置为２　ｓ，步数为３００，单击确定后，启动ＡＤＡＭＳ解　５　结束语　利用ＵＧ运动分析模块进行轮系齿轮传动机构运　动分析，可以得到轮系齿轮传动机构运动状态的直观　表述，可以清楚地观察到各构件之间是否发生干涉等，　算器进程…。启动动画工具即可看到整个复合轮系传动　机构的运动过程，也可以把运动仿真过程制成ＭＰＥＧ　电影文件，或者是将轮系中各个构件运动情况直接以　电子图表来表示。复合轮系中各个旋转副的绝对速度　与时间关系分析图如图８所示。　明确、有效、经济、快捷。根据不同使用范围和分析目的　的需要，也可以设置矢量力矩等驱动，对齿轮载荷及加　速度进行分析，还可以与有限元分析模块链接，对齿轮　进行有限元分析，达到辅助设计、缩短产品设计周期、　提高工作效率、降低成本的目的。　参考文献：　［１］孙桓，陈作模．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４．　［２］刘宝波，徐更杰．基于ＵＧ的行星齿轮传动三维建模及运动仿真　、　ｏ［Ｊ］．起重运输机械，２００８（９）．　［３］韦林，贺晓华．基于Ｕ￣ＣＡＥ的行星轮系传动分析［Ｊ］．制造业自　动化，２０１Ｉ（２）．　［４］邢力平，谭朝霞．基于ＡＤＡＭＳ的推台锯主机翻转机构仿真与分　析［Ｊ］．森林工程，２０１２（６）：３９－－４１．　［５］谢海东，王军．基于ＵＧ的齿轮三维精确建模与运动仿真［Ｊ］．广　时间／ｓ　东轻工职业技术学院学报，２００６（４）．　［６］王晓勇．基于ＵＧ的章动齿轮减速器建模和仿真研究［Ｄ］．昆明：　昆明理工大学，２００６．　图８复合轮系齿轮绝对旋转速度与时间关系分析图　由图８可知，复合轮系中所有齿轮在输入端齿轮１　驱动下，所有构件均以恒定角速度匀速转动，各个机构　（责任编辑张雅芳）