设计仿真 | Adams Gear AT齿轮建模流程介绍

引 言

Adams/Gear AT是一种用户友好且高效的设计和仿真建模工具，人们能够应用Gear AT进行齿轮设计，从产品概念设计阶段到优化分析阶段，有助于提高仿真团队的效率。

Gear AT的建模过程分为①预处理、②建模（定义齿单元和力）、③仿真设置、④后处理四个阶段。Gear AT目前提供三种类型的齿轮（圆柱齿轮、锥齿轮、圆柱蜗轮）、一种丝杠（梯形丝杠）和一种花键接头（渐开线花键），每种都有其相应的建模流程，在Gear AT中均以导航式的形式存在。

本文以圆柱齿轮为例，为大家详细介绍Gear AT的建模流程。

01

齿轮预处理

Gear AT预处理可以定义齿轮的齿廓和特性、创建Nastran网格和几何体文件、将具有微观几何形状齿的有限元网格导出到BDF文件、预先计算齿接触（提高仿真效率）等。

图 1 齿轮预处理

1.1 高级形状定义 ：

在高级形状定义中主要进行以下几个方面的设置：①基本参数、②质量、③齿廓、④公差、⑤齿面修形、⑥齿轮偏差等。

► 基本参数包括法向模数、齿数、法向压力角、分度圆螺旋角、齿宽等参数。

图 2 基本参数定义

► 质量的定义有两种方式：①由几何和材料类型定义；②用户输入。齿廓可以通过直接定义或选择不同的加工方式来定义。

► 齿廓可以通过直接定义或选择不同的加工方式来定义。

图 3 齿廓定义

► 公差的定义包括齿厚、齿尖和齿根直径公差。齿厚公差可以直接定义；也可以通过法向侧隙或圆周侧隙定义；或通过测量跨棒距、公法线长度来定义，如果跨棒距和公法线长度的测量值未知，可以初始化测量值。

图 4 公差定义

► 齿轮修形用于补偿制造误差、负载引起的齿变形以及轴和壳体变形，从而确保适当的啮合，以实现更有利的负载分布并减少传动误差。最终目标是减少齿轮副操作引起的齿轮磨损和振动，从而有助于设计满足指定NVH参数的耐用变速箱。

图 5 齿面修形定义

► 偏差定义在接触模拟中要考虑的齿轮制造误差。为每个齿输入齿轮径向跳动误差以描述与理想节圆的偏差，或为每个齿输入齿距累积总偏差用以描述其与理想节距的偏差。如果没有任何测量数据，还可以通过输入振幅和相移使用余弦函数来计算谐波分布，或者应用随机数生成器获得随机分布。

图 6 偏差定义

1.2 高级形状定义 ：

通过形状定义得到属性文件CGP后，可以对齿轮齿有限元模型进行预处理，以获得齿接触面和刚度矩阵，用于齿轮接触模拟。

图 7 偏差定义

首先，通过启动Gear AT Mesher（下图橙色）开始有限元前处理，Gear AT Mesher的输入数据为CGP文件和opt文件；输出是Adams几何文件shl、齿接触面刚度文件CGS，同时也会更新属性文件CGP。

为了在接触模拟中考虑齿轮齿的柔性，执行Nastran SOL 101（下图绿色），生成op2文件。Gear AT op2_reader使用op2文件更新了CGS文件。

为了考虑轮体（蓝色部分）的柔性，执行MSC Nastran SOL 103，生成MNF和op2结果文件。每当重新创建MNF文件时，CNT文件由Mode Shape extraction使用op2文件的结果进行更新，CNT文件也在CGP文件中引用，因此CGP文件会更新。

图 8 Gear AT 网格划分的数据流

02

齿轮建模

2.1 创建齿轮单元 ：

创建齿轮单元即创建齿轮模型，并将其所有参数和属性存储在Adams View模型数据库中，用于齿轮力的定义。

图9 齿轮单元工具

创建齿轮单元需要输入名称、属性文件（cgp文件）、以及齿轮定位的Marker坐标（Z轴表示齿轮的旋转轴）。

图10 齿轮单元定义

2.2 创建齿轮力 ：

通过指定齿轮单元和相应的*CGS属性文件来定义齿轮副接触力。Gear AT针对圆柱齿轮提供四种接触力模式，分别是：①齿轮力快速建立、②刚性齿轮、③柔性齿、④完全柔性齿轮。第一种方式使用预先计算的接触公式，可以大大提高计算效率；后面三种使用高级的面对面接触算法，提供更加精确和平滑的结果。

图11 齿轮力定义

2.3 设置驱动和输出扭矩：

定义圆柱齿轮的驱动和输出扭矩。

图12 齿轮力定义

03

求解设置

在菜单栏Settings中分别对求解的类型、积分器、显示、输出等项进行设置。

04

后处理

线性化分析结果：

图13 模态振型

柔性轮体变形：

图14 柔性齿变形

高级结果-齿的接触模式：

图15 齿接触模式

05

附录：文件说明

以下列表针对本文提到的文件类型进行解释说明。

表格1：文件说明

表中序号1-7的文件后缀名中，前两个字母表示齿轮类型：CG（圆柱齿轮）、HG（锥齿轮）、WG（圆柱蜗轮）、TL（梯形丝杠）、IS（渐开线花键）；最后一个字母表示存储的数据类型。