ADAMS 在车辆传动系统扭振分析中的应用

MSC.ADAMS在车辆传动系统扭振分析中的应用

孙善超 程颖

北京理工大学 机械与车辆工程学院

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2003年 MSC.Software 中国用户论文集

MSC.ADAMS在车辆传动系统扭振分析中的应用

The application of MSC.ADAMS in the tortional vibration analysis of vehicle transmission

孙善超 程颖

（北京理工大学 机械与车辆工程学院）

摘 要: 为了克服传统扭振理论分析存在的主要问题：系统当量模型及模型中的原始物理

参数的精确化;非线性部件特性及其线性扭转振动的求解。采用基于虚拟样机技术的方法对某动力传动系统扭振进行分析，该分析方法的最大优点就在于系统的精确性和可装配性、分析过程的方便快捷、扭振分析结果的直观性。本文综合运用ADAMS/Flex、ADAMS/Linear和ADAMS/Vibration对某履带车辆传动系统进行了扭振分析。得到了系统的固有频率。结果表明，利用MSC.ADAMS进行扭振分析具有一定的优越性,可以得到较为理想的结果。 关键词: 扭振 柔性体 齿轮 固有特性

Abstract: To overcome the existing main problems of traditional tortional

vibration analysis: how to obtain the equivalent model of the system and the original physical parameters of the system exactly; the characteristics of the nonlinear parts and the solution of liner tortional vibration. The paper presents a method based on the technology of the virtual prototyping to analyze the tortional vibration of the vehicle transmission. The greatest advantage of this method is the accuracy and the assembled characteristics of the system、the convenience and the speediness in the process of analysis、the visibility of the tortional vibration result. Using ADAMS/Flex、ADAMS/Linear and ADAMS/Vibration together, this paper analyze the tortional vibration of the vehicle transmission. The natural frequency is analyzed. The result indicate the superiority using MSC.ADAMS to analyze the tortional vibration and the ideal result is obtained.

Keywords: Tortional vibration, Flexible body, Gear, Natural characteristics

1 前 言

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在车辆动力传动系统中，由于扭振的存在，系统中往往产生很大的扭转附加载荷，不仅使系统中零部件发生断裂，同时还会使系统向外界发出噪声等。以上故障严重影响系统的可靠性和耐久性。同时还将引起车身的振动和噪声，从而影响舒适性

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。扭振研究最早开始于十九世纪八十年代，主要有解析分析与模态分析两种

方法。虽然上述方法到目前已经形成了一套比较经典的理论，但是其存在的问题主要有：(a) 系统当量模型及模型中原始物理参数的精确化。惯量、阻尼和刚度及激励力矩等系统原始参数的精确化程度决定了系统扭振计算的精度，车辆动力传动系统扭振问题原始参数的精确化，牵涉到整个轴系物理模型的精确化问题。(b)非线性部件特性及非线性扭转振动的求解。非线性部件如：弹性连轴器、减振器、齿轮副等，在求解其扭振特性时，按线性系统假设，结果必然含有一定的误差，甚至和实际情况不符。基于虚拟样机技术进行动力传动系统扭振分析的最大优点，就在于系统的精确性和可装配性、分析过程的方便快捷、扭振分析结果的直观性。并且在利用虚拟样机技术求解扭振产生的响应的时候，可以综合考虑弹性连轴器、减振器、齿轮副等的非线性特性。求得更加真实的解。因此，基于虚拟样机技术进行动力传动系统扭振分析具有一定的新颖性和实用性。

2 基于MSC.ADAMS振动分析方法

ADAMS/Linear是ADAMS的一个集成可选模块，利用该模块，在进行系统仿真时将系统非线性运动学或动力学方程进行线性化处理，以便快速计算系统的固有频率、特征向量和状态空间矩阵，使用户能快速全面地了解系统的固有特性。ADAMS/Linear有两种模型线性化函数：EIGENSOL和STATEMAT，采用EIGENSOL进行模型线性化时，ADAMS/Solver对模型进行特征值分析，求解如下矩阵方程：

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Kz=µMz

式中，z为特征向量，µ为特征值，K和M为从模型中抽取出来的常系数矩阵。采用STATEMAT求解时，ADAMS/Linear将系统的状态空间描述格式输出，以便和其它矩阵运算或控制软件进行直接数据传送。状态空间表示的线性化模型主要用于频率响应分析，控制性能（能控性/能观性）研究，控制器设计等。

3 面向扭振分析的动力传动系统虚拟样机建模

动力传动系统振动分析的多体系统动力学模型主要包括曲轴的柔性体模型，轴的柔性体模型，活塞组件、连杆组件、齿轮、换档离合器以及液力变矩器的刚体模型，各构件间的联接副以及作用于系统上的外力。在建模和仿真的各个环节中要综合运用CAD实体建模、有限元分析和机械系统仿真等多项技术。下面分别介绍各部分的建模方法。

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3．1 刚体模型的建立

由于动力传动系扭振分析研究的是整个轴系机械工况下的扭振的固有特性，而随曲轴一起转动的活塞组件、连杆组件以及传动部分的齿轮、液力变矩器等零部件的主要作用是产生惯性激振力，并传递燃气压力，因此可以不考虑它们的变形而将其建为刚体。对于刚体模型，建立其运动微分方程所需要的参数是零件质心的位置、质量和惯性矩，这些参数可来自CAD实体建模。通过精确建立零部件的三维实体模型，可以获得其准确的质量参数。

3．2 轴的柔性体模型的建立

利用离散梁的方法建立传动轴的扭振模型，所谓离散梁就是将刚性杆件离散为N段刚性微杆，其间由N－1个梁单元连接，梁单元所传递的力和力矩采用Timoshenko弹性梁理论进行计算，这样就形成一个柔性杆模型。梁中各种力的计算公式如下：

式中F，T为力和力矩，R,θ,V,θ为梁标记之间的相对位移、转角、速度、角速度；L为梁标记之间的距离（梁的长度）。刚度矩阵的系数的计算公式如下：

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。

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式中：E—材料的弹性模量，A—梁的截面面积。Py=12EIZZASY/(GAL2)，

Pz=12EIyyASZ/(GAL2)，ASY，ASZ－Y和Z方向的Timoshenko梁剪切变形修正系数。

3．3 曲轴柔性体模型的建立

由于柔性体是用相对描述法来表示的，其变形运动可近似地采用离散的有限个自由度位移来表示，并且在弹性小变形的范围内该位移可用模态向量及模态坐标的线性组合来描述，因此可以采用有限元法对零件进行离散化并进行模态综合分析，将其结果用于柔性体建模。柔性体采用模态中性文件（MNF）描述，MNF中包含的主要信息有：柔性体的几何参数，包括节点的位置坐标与连通性；节点的质量与转动惯量；各阶模态；模态的广义质量和广义刚度等。MNF是独立的二进制文件，具有平台无关性，可以在各系统中交换。本文首先在Pro/E中对曲轴进行实体建模，然后导入Ansys中进行模态分析，生成模态中性文件建立曲轴的柔性体模型。

3.4 齿轮幅扭振模型的建立

传统的齿轮副模型是一种扭转振动力学模型，如图一所示 。在ADAMS中可以对其进行等效建模，模拟齿轮啮合的扭振特性。

[1]

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图一 齿轮幅扭振模型

轮齿啮合综合刚度是指在整个啮合区中，参与啮合的各对轮齿的综合效应，主要与单齿的弹性变形、单对轮齿的综合弹性变形以及齿轮重合度有关。直齿轮轮齿一般处理成二维平面问题，相应的受载弹性变形计算方法有材料力学方法，数学弹性力学方法，和以有限元为代表的数值方法。作为近似计算，可以采用轮齿总刚度的平均值作为计算时的轮齿啮合刚度，即ISO的Ｃ法。对钢制齿轮，单位齿宽的刚度Cr为：

Cr=20N/mm⋅µm

更精确的近似公式为：

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Cr≈C'(0.75εα+0.25)N/mm⋅µm

式中，C'=20N/mm⋅µm，εα为端面重合度。

本文采用ISO的Ｃ法计算齿轮的啮合刚度，然后转化为ADAMS模型中的等价刚度，建立齿轮幅的扭转振动模型。

4 实例应用及分析结果

作为应用，对某动力传动系统的振动模型进行了建模和分析。建模时运用了CAD软件Pro/E来建立活塞组件、连杆组件、齿轮等的三维实体模型，通过分析获得其质心位置、质量和转动惯量等参数，接着运用有限元分析软件ANSYS建立了曲轴的有限元模型，获取模态并生成柔性体描述文件——模态中性文件MNF文件，然后在ADAMS中建立轴的柔性体模型，建立齿轮幅的扭振模型，最后在ADAMS中完成了整个动力传动系统的扭振特性的分析。

图二 发动机的柔性体模型

首先利用Ansys生成的mnf文件建立了发动机的柔性体模型，如下所示：求得其扭转模态 如表一所示：

阶数 1 2 3 4 5 768.79

频率(Hz) 196.95 233.86 465.83 551．51

表一 发动机的固有频率

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然后把发动机的模型加入到整个动力传动系中建立整个动力传动系模型,经过计算，得出其扭转固有频率如表二所示：

阶数 1 2 3 4 5 6 频率(Hz) 16.35 56.74 71.00 119.60

表二 动力传动系统的固有频率

由上述两个表可以看出，整个动力传动系统的5、6阶频率和发动机单机的前两阶频率相同，说明车辆动力传动系统发生共振的可能性比单机系统大的多，但是发动机固有频率包含在车辆动力传动系统固有频率内。由两个系统的振型可以看出，发动机在单机系统和某档位后接传动系统时的振型是一致的。表明接入传动系统，并不影响发动机的固有特性。

195.19 241.46

5 结论

(1)基于虚拟样机技术的扭振计算方法可以克服传统方法中系统当量模型的简化及模型中的原始物理参数的精确化的问题，并且可以得到较为直观的结果。直接用来指导设计。

(2)运用多体系统动力学可以建立包括活塞、连杆、曲轴、齿轮在内的整个动力传动系的扭振模型，直接计算出系统的扭振特性，得出其固有频率。为以后的响应分析奠定了基础。

(3)内燃机曲轴系振动分析的多体系统动力学建模和仿真需要综合运用三维实体建模、有限元分析和系统仿真等多项技术。通过CAD建模可以获得刚体零件的质量参数，通过有限元建模及分析可以获得曲轴柔性体的描述信息，而经过多体系统动力学仿真后得到的零件之间的相互作用又可用于有限元分析。

(4)计算表明，发动机与传动系统的连接形式不影响发动机的固有特性。

5 参考文献

[1]. 洪清泉. 基于虚拟样机技术的动力传动系统建模与仿真，北京理工大学硕士学

位论文，2003

[2]. 王国强．虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践，西北工业大学出版社， 2002 [3]. 刘辉. 车辆动力传动系统扭振动力学仿真及分析，北京理工大学博士论文，

2003

[4]. 镜西宁. 车辆液力动力传动系统稳定工况动态特性研究，北京理工大学硕士论

文， 2003

[5]. 梁价 霍拳忠. 内燃机的振动问题，天津大学出版社，1989 [6]. 李润方 王建军. 齿轮系统动力学，科学出版社，1997

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