機械畢業(yè)設計（論文）-機車轉向架助推器設計【全套圖紙PROE三維】

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1、浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） Z S T U ZhejiangZhejiang Sci-TechSci-Tech UniversityUniversity 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 BachelorS THESIS 論文題目：論文題目： 機車轉向架助推器設計機車轉向架助推器設計 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 0909 機械（四）班機械（四）班 姓名學號：姓名學號： 指導教師：指導教師： 遞交日期：遞交日期： 20132013 年年 5 5 月月 2929 日日 機車轉向架助推器設計 浙浙 江江 理理 工工 大大 學學 機械與自動控制學院機械與自動控制學院 畢業(yè)設計誠信聲明 我謹在此保證：

2、本人所做的畢業(yè)設計，凡引用他人的研究成 果均已在參考文獻或注釋中列出。設計說明書與圖紙均由本人獨 立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。 如出現以上違反知識產權的情況，本人愿意承擔相應的責任。 聲明人（簽名）： 年 月 日 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 大型工件、物品的搬運常采用助推器輔助搬運完成作業(yè)，主要有機械式、 氣動式、電動式、液壓式等，其工作性能各有優(yōu)劣，有特定的適用場合。鐵路 機車或車輛檢修維護時的移動一直采用牽引機車或牽車機構牽引，而牽引機車 一般為內燃機車，不適合在機車或車輛檢修要求越來越高的庫內牽引機車用， 而牽車機構一般為鏈式傳輸機構，其安裝空

3、間需要利用軌道中間的部分空間， 且建造成本高、運行不穩(wěn)定、維護成本較高和驅動電機的防水防潮功能要求較 高，使用效果一直不理想。 本文擬在綜合分析比較現有搬運助推器的工作原理、組成結構的基礎上， 通過分析機車轉向架與助推器的受力作用情況，運用 ADAMS 軟件對助推器的執(zhí) 行機構進行建模和運動仿真，確定了執(zhí)行桿件的運作方式和受力作用情況，進 一步校核各部件，設計出一種用于搬運不同規(guī)格機車轉向架、適合機車車間工 作條件的低耗高效便攜式助推器。結構簡單，方便組裝，方便工人操作的便攜 式機車牽車裝置，為機車檢修時方便進出檢修庫用。 關鍵詞：助推器；高效；便捷；ADAMS；仿真 全套圖紙，加全套圖紙，加

4、 153893706153893706 機車轉向架助推器設計 Abstract Large workpiece and goods transport often use boosters to help to finish the work.The main means are mechanical, pneumatic, electric, hydraulic.Every means has its own advantages and disadvantages and every means is used in its special appropriate occasion . W

5、hen the railway locomotive and vehicle are in maintenance,it has often been using traction locomotives or traction mechanism for moving. But the traction locomotive is usually a kind of diesel locomotives.It is not suitable for the traction of locomotive,with the request more and more high in locomo

6、tive and vehicle maintenance. The traction mechanism is usually a kind of chain transmission mechanism.The middle part of the space of the orbit is required for the installation space , with high construction costs,unstable operation,high maintenance costs and the higher requirements for drive motor

7、s waterproof function.So the using effect has not been ideal. This article is on the comprehensive analysis of the working principle and existing boosters structure. By analyzing the force condition of the locomotive bogie and the booster,using the Adams software for modeling and motion simulation o

8、f the executive mechanism of the booster. So the executive members operation mode and the force function are determined, further checking other parts, designing a kind of 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） portable booster with high efficiency and low consumption for the transport of different specifications of bogie

9、s. And it is suitable for the locomotive workshops working conditions. It is a kind of portable traction device with simple structure, convenient assembly and convenient operation ,for convenient in or out of the maintenance bases when the railway locomotive and vehicle is in maintenance. Key words:

10、 Booster; High Efficiency; Portable; Adams; Motion Simulation 目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章 緒論.1 1.1 轉向架助推器研究背景 1 1.2 現有助推器類型 1 1.2.1 滾輪助推器 1 1.2.2 抬升式助推器 3 1.2.3 多功能助推器 4 1.3 虛擬樣機技術 5 1.4 本論文主要研究內容 6 第 2 章 撬棍式助推器研究思路和方案.7 2.1 研究思路 7 2.1.1 三種助推器的比較 7 2.1.2 撬棍式助推器方案7 2.2 執(zhí)行機構受力分析 8 2.2.1 執(zhí)行機構位置分析 8 2.2.2 齒輪

11、傳動比確定 9 機車轉向架助推器設計 2.2.3 機構受力分析 .10 2.3 電機選擇 .12 2.4 結論 .12 第 3 章 基于 Adams 的建模和仿真14 3.1 Adams 軟件介紹.14 3.1.1 Adams 軟件的概述.14 3.1.2 ADAMS 仿真步驟 .14 3.2 執(zhí)行機構自由度分析.15 3.3 凸輪輪廓線的設計.16 3.3.1 建立模型 .16 3.3.2 仿真 .17 3.3.3 確定輪廓曲線 .17 3.4 執(zhí)行機構建模與仿真.18 3.4.1 建立模型 .18 3.4.2 添加約束 .19 3.4.3 仿真 .20 3.4.4 仿真結果后處理 .20

12、3.5 結論 .23 第 4 章 結構設計25 4.1 整體結構簡圖.25 4.2 各部件校核 .25 4.2.1 齒輪設計與校核 .25 4.2.2 鏈傳動設計 .29 4.2.3 軸的結構設計和強度校核 .30 4.2.4 軸承選擇 .34 第 5 章 總結36 5.1 總結.36 5.2 設計的不足之處.36 5.3 個人體會.36 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 參考文獻.38 致 謝.39 第 1 章 緒論 1.1 轉向架助推器研究背景 進入 21 世紀，我國的城市軌道交通方興未艾。作為世界上人口最多的國家 為保證擁有一個有效，快速，便捷的交通。軌道交通作為主要的趨向已開始平 凡地

13、出現在我們的生活中。 而轉向架（英文：Bogie） ，又稱臺車（來自日文） ，它是鐵道車輛中結構最 為復雜的部分，其基本功能是：引導車輛沿軌道行駛；緩和因軌道不平順而產 生的振動；安裝制動裝置，使車輛能夠及時減速并準確停車1。因此轉向架的 設計也直接決定了車輛的穩(wěn)定性和車輛乘坐的舒適性。 動車組轉向架在維修成本中占到 40%以上（全生命周期） ，在高速動車組 5 級修程中，轉向架的檢修工作量最大。而其中大量必要的檢修和維護作業(yè)是利 用動車組停車、入庫的短暫時段內進行的，這就更加大了作業(yè)難度和保證質量 的難度2。 鐵路機車或車輛檢修維護時的移動一直采用牽引機車或牽車機構牽引，而 牽引機車一般為內

14、燃機車，不適合在機車或車輛檢修要求越來越高的庫內牽引 機車用，而牽車機構一般為鏈式傳輸機構，其安裝空間需要利用軌道中間的部 分空間，且建造成本高、運行不穩(wěn)定、維護成本較高和驅動電機的防水防潮功 機車轉向架助推器設計 2 能要求較高，使用效果一直不理想。在新建或改造的鐵路機車檢修基地，急需 一種便攜式的機車牽車裝置，為機車檢修時方便進出檢修庫用。 1.2 現有助推器類型 1.2.1 滾輪助推器 1.氣動摩擦輪式滾輪 這類助推器是利用驅動輪和機車轉向架的摩擦，實現輪子的轉動，從而推 動轉向架。動力源采用的是氣動驅動，利用長輸氣管和壓縮空氣實現長距離驅 動，可以推動 10 噸到 50 噸的卷筒等圓柱

15、類物件，如圖 1-1 所示。 氣動能源式的裝置動力清潔而且高效，方便工人操作。毫無疑問確實有一 些優(yōu)勢的，包括：（1）它們便攜而且尺寸小巧，但是可以形成極大的轉矩； （2）其中互相作用使他們適合大多數重量大的轉動負重，因為負重提供了驅動 輪需要的向下的力。 但是同時因為氣動的驅動方式也帶來了局限。氣動需要持續(xù)提供高度壓縮 的空氣才能維持動力，這就大大制約了助推的距離，而且壓縮空氣的需要限制 了裝置的位置，而且如果輸氣管長度過長的，壓力會慢慢下降，最終會影響助 推的效率2。 圖圖 1-1 氣動摩擦輪式助推器氣動摩擦輪式助推器3 3 2.電動摩擦輪式滾輪 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 基于

16、上述氣動能源式助推器的一些不足之處，Gregory James Newell 在“ Materials handling device and system”專利中提出了改進方案。此專利將動力更換 為一種可循環(huán)利用的清潔充電電池組，同時安裝有充電裝置，可以實現電池組 的充放電控制，電力不足時儲存能源的電容裝置就會釋放出多余能量，使助推 的距離更遠，更有效率。解決了氣動的缺陷，同時又具有氣動的大部分優(yōu)點。 其結構簡圖如圖 1-2 所示。 圖圖 1-2 電動摩擦輪式助推器電動摩擦輪式助推器4 4 1.2.2 抬升式助推器 1.液壓抬升式助推器 如圖 1-3 所示，此類助推器通過液壓機構與轉向架底盤

17、后半部分接觸，向 上抬升轉向架一小段距離，使后輪受到的壓力和摩擦力減小，再推動轉向架。 由于內嵌發(fā)電機，而受結構尺寸的制約不能達到很大的功率，所以在類型選擇 上和傳動方式上需要再改進，同時承重點的位置選擇需要考慮到助推器的傾覆 問題，總體結構并不是非常完善。 機車轉向架助推器設計 4 圖圖 1-3 液壓抬升式助推器液壓抬升式助推器 2.氣動抬升式助推器 如圖 1-4 所示，由于考慮到液壓系統的復雜性，還有液壓油泄漏可能造成 一定的危險。一些助推器將抬升機構由液壓系統置換成了氣動方式，再通過簡 單的鉸鏈機構實現向上的運動。這樣結構更加簡單，而且能源清潔高效。但是 因為是直接抬升，限制了助推器的抬

18、升重量，并不能推動較大重量的機車轉向 架。 圖圖 1-4 氣動抬升式助推器氣動抬升式助推器5 5 3.杠桿抬升式助推器 如圖 1-5 所示，此類助推器將液壓系統置換成了簡單的杠桿結構，實現了 結構的簡化，更方便簡單。但同時也不能推動大重量機車轉向架。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 圖圖 1-5 杠桿抬升式助推器杠桿抬升式助推器5 5 1.2.3 多功能助推器 通過助推器車體和不同執(zhí)行機構的組裝，就可以不同方式推動不同類型的 大型工件。如圖 1-6 所示，英國 Master Mover 公司生產的助推器產品就是一個 例子。 助推器車體內部通過電動和齒輪傳動，可以提供較大的推力。而且方便操

19、作， 工作時間相對較長，安全、高效。值得一提的是，其中動力采用直流式電池， 沒有交流電的高壓危險，而且一次充電后可以使用相當長一段時間，所以說更 加實用。雖然體積比上面介紹的大一些，不過完全符合在車間工作的要求。底 盤采用的高韌性鋼板，負重最高也可以達到 100 噸。具有靈活可變的調節(jié)高度， 適應不同的轉向架。 圖圖 1-6 抬升多功能助推器抬升多功能助推器6 6 從這種基本裝置，改裝后就可以推動不同類型的機車。如圖 1-7 所示，比 如，推滾動體時，將前面的抬升部分變換成兩個長條滾子，就可以實現推動大 型滾輪。 機車轉向架助推器設計 6 圖圖 1-7 滾輪多功能助推器滾輪多功能助推器6 6

20、1.3 虛擬樣機技術 機械工程中的虛擬樣機技術又稱為機械系統動態(tài)仿真技術，是國際上 20 世紀 80 年代隨著計算機技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來一項計算機輔助工程 （CAE）技術。工程師在計算機上建立樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能分 析，然后改進樣機設計方案，用數字化形式代替?zhèn)鹘y的物理樣機。運用虛擬樣 機技術，可以大大簡化機械產品的設計開發(fā)過程，大幅度縮短產品開發(fā)周期， 大量減少產品開發(fā)費用和成本，明顯提高產品質量，提高產品的系統級性能， 獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設計產品。因此，該技術一出現，立即受到了工業(yè)發(fā)達國 家、有關機構和大學、公司的極大重視，許多著名制造廠商紛紛將虛擬樣機技 術引入各自的產品開

21、發(fā)中，取得了很好的經濟效益。 目前對于虛擬樣機的概念還沒有一種通用精確的定義，針對不同的研究領 域，有不同的定義方法。從計算機圖形學的角度出發(fā)，Fan Dai 等人將虛擬樣 機定義為一種快速評價不同的物理產品設計的方法。通過將虛擬現實技術 （VR）、計算機仿真技術和 CAD 技術相結合，建立起一個物理造型的數字原 型。產品設計人員可以通過具有高度沉浸感的虛擬現實用戶接口靈活的操縱、 控制和修改該原型，并支持設計數據的重用和仿真分析7。 從機械工程研究領域的角度出發(fā)，Ed P.Ander 等人認為虛擬樣機是一種針 對測試的對象和物理原型進行的一個虛擬制造和仿真過程，基于虛擬樣機技術 建立的工程化

22、制造開發(fā)模型可以使設計人員訪問一個實際物理模型的所有關于 機械，物理，外觀和功能特性的有關信息。 Mitchel M.Tseng 等人將虛擬樣機定義為取代實際產品模型的一種數學模型， 通過它可以對實際的物理產品進行幾何、功能等方面的建模和分析。Bloor 等 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 人則認為虛擬樣機是將目前 CAD、CAE、CAx 等技術結合在一起的一種集成技 術，虛擬樣機技術貫穿于產品生命周期的全過程。他認為虛擬樣機模型包含了 分布式的產品數據信息，由于虛擬樣機模型強調集成性，因此必須提供一個標 準的信息建模和數據交換方法。 建模和仿真領域比較通用的關于虛擬樣機的概念是美國國防

23、部建模和仿真 辦公室（DMSO）的定義。DMSO 將虛擬樣機定義為對一個與物理原型具有功 能相似性的系統或者子系統模型進行的基于計算機的仿真；而虛擬樣機則是使 用虛擬樣機來代替物理樣機，對候選設計方案的某一方面的特性進行仿真測試 和評估的過程。美國國防部采辦委員會將虛擬樣機定義為一個系統，該系統在 仿真進行過程中可以和其它虛擬環(huán)境間進行交互8。 1.4 本論文主要研究內容 1.機車轉向架助推器的方案設計 比較三種機車轉向架助推器的優(yōu)點和缺點，綜合分析車間內不同使用情況， 設計助推器的執(zhí)行機構、傳動機構以及整體的布局和車體框架，使其滿足大部 分使用要求。 2.理論分析 確定方案后，對機車轉向架和

24、助推器進行具體的受力分析，也包括電機的 選擇，和不同規(guī)格相配合的助推器的受力分析。確保助推器可實際上運行起來， 推動不同規(guī)格的機車轉向架。 3.建模和仿真 對執(zhí)行機構建立 ADAMS 模型，進行仿真。驗證和計算機構的受力情況， 找到最大受力處和執(zhí)行桿件的位移情況。 4.各部件的校核 5.二維設計。 對主要部件和整體機構建立二維零件圖和裝配圖，設計出滿足生產要求的 二維圖紙。 機車轉向架助推器設計 8 第 2 章 杠桿式助推器研究思路和方案 2.1 研究思路 2.1.1 三種助推器的比較 摩擦滾輪式助推器，通過自身輪組跟轉向架輪對的摩擦相互作用來推動轉 向架，應用直流電機，能源清潔、效率高，實現

25、高轉矩、低功率，但是為保證 摩擦輪之間的配合關系，結構略顯復雜，而且只能推動帶有輪對的物件。 抬升式助推器，通過直接抬升轉向架后座推動轉向架，可抬升較大重量的 轉向架，但是由于需要的電機功率較大，又受到整體結構尺寸的限制，電機不 容易選擇，而且車體有傾覆的危險。 多功能助推器，綜合了上述兩種助推器的優(yōu)點，所以其中的結構是可以借 鑒的。缺點是其整體尺寸偏大。 2.1.2 撬棍式助推器方案 現將助推器分成幾個部分：驅動裝置、傳動裝置、執(zhí)行裝置。 1.執(zhí)行裝置 為了使助推器的執(zhí)行裝置盡可能簡單、安全、省力，決定采用撬棍杠桿類 抬升助推裝置，通過電機驅動帶動凸輪轉動，實現桿件的往復運動，推動機車 轉向

26、架不斷向前，其結構如圖 2-1 所示。 圖圖 2-1 撬棍式助推器執(zhí)行裝置示意圖撬棍式助推器執(zhí)行裝置示意圖 相比傳統液壓抬升式助推方式的缺點，這種助推方式更靈活、省力。通過 桿件和轉向架后輪的相互作用推動轉向架，所需要的功率也更小。而同摩擦輪 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 式助推器一樣，不僅可以推動大型滾輪類工件，也可以推動普通機車轉向架助 推器。同時，車體的整體尺寸并不需要過大。 2.傳動裝置 傳動裝置決定采用一級齒輪減速裝置和鏈傳動裝置相配合。因為齒輪傳動 效率更高，更穩(wěn)定，通過齒輪減速傳動可以提供更大的扭矩和驅動力，擴大了 電機的選擇范圍。齒輪傳動傳動比的確定，需要根據具體結構位

27、置，分析前端 執(zhí)行桿件的位移和電機轉速的關系，將在下一節(jié)“機構受力分析”中提到。鏈 傳動是因為大齒輪與驅動輪的直徑尺寸不同，不能裝配在同一根軸上。所以通 過 1:1 的鏈傳動把大齒輪軸受到的扭矩傳給驅動輪軸。同時，為了實現同步推 動轉向架的輪對，需要通過鏈傳動將電機的動力同步傳輸到同一中心線的兩根 軸上，實現傳動轉向機輪對同步推動。傳動裝置簡圖如圖 2-2 所示。 圖圖 2-2 撬棍式助推器傳動裝置簡圖撬棍式助推器傳動裝置簡圖 3.驅動裝置 因為傳動部分包括一級齒輪減速傳動，可以增大電機提供的扭矩和驅動力， 所以電機可以選擇轉矩相對小一些的，功率也不需要特別大，所以驅動裝置采 用直流電機驅動，

28、放置助推器車體內部。同時轉速也不需要很高。因為采用蓄 電池提供能源，效率更高、時間更持久，不會像氣動驅動方式那樣受到驅動距 離的限制。 2.2 執(zhí)行機構受力分析 機車轉向架助推器設計 10 2.2.1 執(zhí)行機構位置分析 如圖 2-3,對撬棍桿件前端抬升最高位置分析： mmlmmlmmlmmlmmlmml150,532,250,150,391,17565 4 321 圖圖 2-3 撬桿前端抬升最高位置撬桿前端抬升最高位置 由矢量方程432 1 llll 得到方程 33422 3322 1 coscos sinsin lll lll 343331 2 4 2 3 2 1 2 2 cos2sin2l

29、lllllll 0cossin33CBA (其中） 2 2 2 4 2 3 2 1 4331,2,2llllCllBllA 解得： CB CBAA 222 3 2 tan 75.42,35.782 3 同理可得，在桿件運動的最高位置時， 2 . 54, 2 . 101 2 3 桿件推動的距離為mmll40.94)cos(cos) 3 2 ( 2 265 2.2.2 齒輪傳動比確定 設選擇電機的轉速為 。假設轉向架不動，在桿件運動半個周期或nmin/r 其奇數倍的時間中，助推器需要在相同的時間走過桿件推動的距離，即。mm 4 . 94 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 初設小車輪半徑，取個

30、周期，列方程：mm60 2 3 3 2 087 . 0 T v 3 60 2 1 60 06 . 0 2 087 . 0 n i n 得齒輪傳動比5 . 6i 2.2.3 機構受力分析 1.對轉向架分析 桿件和轉向架后輪接觸時，后輪受力指向圓心，與豎直方向呈角。 30 設轉向架重 10000N，與鐵軌的滾動摩擦系數為 0.05，受力分析如圖 2-4 所示。 圖圖 2-4 轉向架車輪受力分析轉向架車輪受力分析 受力平衡得方程： N N FF GFF 30sin 30cos NF NF N 9200 920 2.對助推器小車整體分析 設小車重 2000N，與地面的滾動摩擦系數為 0.15。則小車整

31、體受力分析如 圖 2-5 所示。 機車轉向架助推器設計 12 圖圖 2-52-5 助推器整體受力分析圖助推器整體受力分析圖 由30sin)30cos( 06 . 0 FFG Mi MNM 9 . 13 3.桿件理論受力分析 如圖 2-6，設桿件前端處和后輪接觸。分析推桿最低位置，即前端執(zhí)行 3 1 桿件最高位置處。猜想此時桿件受力最大，由下一章 ADAMS 仿真結果驗證猜 想。 圖圖 2-6 撬桿受力分析圖撬桿受力分析圖 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 （2- 221222126225 6225 1232 3212 cossin30cos 3 2 cos)(30cos 30sin 3

32、2 sin)(30sin 0 30sin 30cos lFlFlllF lllF M FFF FFF yx A xx yy 1） 4.凸輪推桿受力及凸輪整體受力分析 如圖 2-7，設推桿與滑槽摩擦系數為 0.15，推桿輪與凸輪摩擦系數為 0.05 圖圖 2-7 凸輪及推桿受力分析圖凸輪及推桿受力分析圖 列方程組： （2-2） 21 12 21 12 1221 21 12 1252252750 501502000 )(15 . 0 05 . 0 xxxc xxxB yxxa xaxx FFFMM FFFM FFFF FFFF 聯立方程組（2-1）（2-2），其中 M=13.9,F，由相互作用的M

33、N N920 大小相等， 得： NF NF y x 1438 726 12 12 NF NF x X 488 1131 2 1 NF NF y x 2394 494 32 32 NFa1681 2.3 電機選擇 機車轉向架助推器設計 14 通過受力分析，選擇直流電機 120STDY-D60 型號，額定轉矩為 15,MN 轉速為 60rpm，調節(jié)其轉矩至 M=,功率。驅動裝置即電機選MN 9 . 13WP106 擇，選擇小功率、低轉速，臺灣精工電機公司生產的 120STDY-D60 型號電機。 同時需要提供的轉矩并不大，只有 13.9。這樣電機的選擇有很大余地，MN 重量只有 8.1 千克，橫向

34、尺寸只有 200mm 左右，結構小巧、便捷，不會對助推 器車體整體結構有很大影響。 2.4 結論 本章通過分析比較三種不同類型的助推器的優(yōu)缺點和可以借鑒的地方，確 定了撬棍式杠桿助推器的三部分結構，即執(zhí)行機構、傳動機構和驅動裝置。 執(zhí)行機構采用類似杠桿結構的省力形式，同時結合凸輪與推桿相互作用， 將電機的轉動轉化為推桿的直線運動，再將其通過桿件的簡單連接，轉化為前 端撬棍型杠桿的往復擺動，實現推動轉向架的目的。 而傳動機構采用了一級齒輪減速裝置，來擴大直流小電機能提供的轉矩， 使電機尺寸不會過大，傳遞動力更加平穩(wěn)。為了實現同步推動轉向架的一組輪 對，采用對稱的兩跟杠桿和輪對相互對應，通過兩組

35、1：1 的鏈傳動，實現兩根 凸輪軸的同步轉動。而受到車體結構和大齒輪尺寸限制，另外采取一組鏈傳動 將大齒輪軸的動力傳遞到助推器小車后輪，實現后輪驅動。 通過對撬棍式杠桿的位置分析，確定了其擺動的時間和小車運動速度之間 的關系，分析出齒輪傳動比需要 6.5。 又通過理論分析，確定執(zhí)行機構各桿件在撬棍式杠桿擺動最高位置時的受 力情況，為電機選擇和下一章驗證仿真結果正確性提供了依據。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 第 3 章 基于 Adams 的建模和仿真 3.1 Adams 軟件介紹 3.1.1 Adams 軟件的概述 ADAMS 軟件，即機械系統動力學自動分析軟件 ADAMS(Auto

36、matic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美國 MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS 己經被全世界各行各 業(yè)的數百家主要制造商采用。根據 1999 年機械系統動態(tài)仿真分析軟件國際市場 份額的統計資料，ADAMS 軟件銷售總額近 8 千萬美元、占據了 51%的份額。 ADAMS 軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參 數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日 方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力 學分

37、析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線9。ADAMS 軟件仿真可用 于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸 入載荷等10。 ADAMS 軟件由眾多分模塊集成了強大的分析能力，其中核心模塊包括 ADAMS/View、ADAMS/Post Process 和 ADAMS/Solver 組件，示意圖如圖 3-1 所示。 ADAMS 核心組件 機車轉向架助推器設計 16 圖圖 3-1 ADAMSADAMS 核心模塊組件核心模塊組件11 11 3.1.2 ADAMS 仿真步驟 運用 ADAMS 軟件建模、仿真、分析，一般遵循以下步驟，如圖 3-2 所示。 ADAMS 軟件

38、具有建模、施加運動約束等功能，簡單的產品可以直接在 ADAMS/View 中建立三維幾何模型，對于復雜的產品，其三維幾何模型的建立、 產品的預裝配通常在 PRO-E、UC 等軟件中完成，再通過格式轉換導入到 ADAMS 軟件中。在仿真同時，還可以對感興趣的速度、位移等圖線進行數據 分析，根據需要對不同的參數進行優(yōu)化，修正建立的模型。 ADAMS/ViewADAMS/SolverADAMS/PostProcess 基本環(huán)境 求解器 后處理 機械系統 1.幾何建模 建模 2.施加運動副和運動約束 3.施加載荷 仿真 1.設置測量和仿真輸出 分析 2.進行運動仿真 仿真結 1.回放仿真結果 果分析

39、2.繪制仿真結果曲線 細化 1.設置可變參數點 機械系 2.定義設計變量 統模型 3.定義目標函數 機械 1.進行主要影響因素研究 系統優(yōu)化 2.進行最優(yōu)分析 化研究 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 圖圖 3-2 ADAMSADAMS 仿真步驟仿真步驟12 12 3.2 執(zhí)行機構自由度分析 仿真主要針對助推器的執(zhí)行機構，分析其在推動機車轉向架的位移圖線及 受力情況，執(zhí)行機構如圖3-3所示。其中包括四個活動構件，四個轉動副、一個 移動副，和一個凸輪高副接觸。根據公式(PHPLnF23 )，得到，即執(zhí)行機構的自由度為1，需要添加一個驅1, 5, 4PHPLn1F 動。 圖圖 3-3 執(zhí)行機

40、構簡圖執(zhí)行機構簡圖 3.3 凸輪輪廓線的設計 3.3.1 建立模型 初始設定推程，為實現推桿周期性上下滑動。如圖 3-4，先設定mmh50 推桿長度，然后在推桿上添加與地面的移動副，并添加豎直方向的驅動，mm200 設定驅動函數 25*sin(18d*time)，即推動運動為周期的正弦運動，行程sT20 為。mm25 機車轉向架助推器設計 18 圖圖 3-4 推桿驅動函數推桿驅動函數 如圖 3-5，同時以推桿正下方處為轉軸中心，建立任意長度桿，添mm100 加轉動副和轉動驅動力，設定轉動驅動力函數為 18d * time，周期同樣為。s20 圖圖 3-5 轉動驅動函數轉動驅動函數 3.3.2

41、仿真 設定仿真時間為，步數為 500 步，點擊運行仿真。模型如圖 3-6s20Steps 所示。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 圖圖 3-6 凸輪廓線仿真凸輪廓線仿真 3.3.3 確定輪廓曲線 點擊工具欄 Review 里的 Create Trace Spline 按鈕，選擇兩桿件，確定推桿 端點相對于另一桿的運動軌跡，即凸輪的實際廓線。仿真結果如圖 3-7 所示。 圖中綠色圓盤就是凸輪的輪廓線，測量半徑為的圓盤。這里初始設mm100 定凸輪轉動周期為，推桿推程為，但當凸輪周期改變時，推桿的行程s20mm50 不變，所以不影響后續(xù)建模過程。 圖圖 3-7 凸輪實際廓線凸輪實際廓線 3

42、.4 執(zhí)行機構建模與仿真 3.4.1 建立模型 機車轉向架助推器設計 20 打開 AdamsView 軟件，網格寬度為，力單位為,長度單位為。mm50Nmm 根據 3.3 中凸輪廓線的確定方法，建立推桿和凸輪構件。推桿端點位于坐標 處，長度為，凸輪轉軸中心坐標為。)0 , 0 ,400(mm200) 0 , 100,400( 創(chuàng)建連桿轉軸位于處，長度 3 L)0 ,50,150(mm150 創(chuàng)建工作桿件和，其中 5 L 6 LmmLmmLmmL391,100,532 265 建立模型如圖 3-8 所示。 圖圖 3 3-8 執(zhí)行機構建模執(zhí)行機構建模 3.4.2 添加約束 1.凸輪軸與地面、連桿與

43、地面之間、推桿和桿之間、連桿與執(zhí)行桿 3 L 2 L 3 L 之間添加旋轉副。 5 L 2.桿件和之間固定連接 5 L 6 L 3.推桿與地面之間添加移動副 4.最后凸輪與推桿之間添加點對軌跡線的高副連接 5.添加運動 在凸輪旋轉運動副處添加旋轉運動，因為選擇電機轉速，所以轉動min/60rn 速度函數設置為 360d * time，即，s/360sT1 6.添加驅動力和驅動力矩 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 21 （1）根據第 2 章對助推器整體機構的分析，需要電機提供的驅動力矩為 ，所以在凸輪軸處旋轉副添加驅動力矩，大小為。mN 9 . 13mmN 13900 （2）而桿件端點即其與機

44、車轉向架輪對接觸處。受力大小為。 ，所 6 LN920 以在端點處與桿垂直方向上添加驅動力。因為在執(zhí)行桿件向上擺動推動轉向 6 L 架輪對時才受力，所以添加兩個驅動力。 1 函數設置為 if(time-0.25:920,920,0),即當使，驅動力為Forcest25 . 0 0 。當時，驅動力為；N920st25 . 0 N0 2 函數設置為 if(time-0.75:0,920,920),即在的時間內，此驅Forcest75 . 0 動力均為，在的時間內驅動力為。N0st175 . 0 N920 通過這兩個力結合可以模擬執(zhí)行桿件的受力。得到最終模型如圖 3-9 所示。 圖圖 3-9 執(zhí)行機

45、構最終模型執(zhí)行機構最終模型 3.4.3 仿真 點擊仿真按鈕，設置仿真時間為，即一個周期的時間，分 500 步。開始s1 進行仿真計算。 3.4.4 仿真結果后處理 1.對桿端點的運動分析 6 L （1）選擇桿件端點的 Marker 點，進行 Measure 計算，得到其在一個周期 內水平和豎直方向的位移圖線，如圖 3-10 和圖 3-11 所示。 機車轉向架助推器設計 22 圖圖 3-10 桿桿水平方向位移圖水平方向位移圖 6 L 圖圖 3-11 桿桿豎直方向位移圖豎直方向位移圖 6 L 可以看出桿件水平方向最大位移為，前面理論分析mm459.87179 . 2 28.85 桿件水平位移為，兩

46、者相差，相差不大，仿真結mm 4 . 94mm9 . 6459.87 4 . 94 果是正確的。 2.對桿件端點即與轉向架輪對接觸處水平方向速度圖線分析，結果如圖 3-12 所 示。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 23 圖圖 3-12 桿桿端點速度圖線端點速度圖線 6 L 由撬棍桿件初始設定位置為擺動中心位置，所以通過圖表分析，在兩端的 速度，即在和的時間時，大小接近于 0，即和轉向架輪對接觸、st25 . 0 st75 . 0 分離的兩個瞬間，撬棍桿件相對于助推器小車的速度均為 0，即撬棍脫離轉向 架輪對時，轉向架速度和助推器速度相等。 脫離后，轉向架做減速運動，其加速度為 2 1 /5

47、 . 0/smgmGmFa N 助推器小車做加速運動，其加速度為 2 2 /6/ ) 06 . 0 (smmF Mi a N 分離時，小車速度為 smR i n v/058 . 0 60 2 計算半個周期時間，即撬棍重新回到最低點的時間后，小車撬棍和轉向架 輪對間距離。 mtatas81. 0 2 1 2 1 2 1 2 2 我們看出計算數值近似等于撬棍擺動最大水平位移，說明當撬棍擺動到最 低點時，基本上是和轉向架輪對重新接觸的。 3.各運動副受力分析 （1）推桿上端轉動副受力分析 對轉動副實現 Measure 測量計算，得到水平方向和豎直方向受力圖線，如 機車轉向架助推器設計 24 圖 3-

48、13 和圖 3-14 所示。 圖圖 3-13 推桿轉動副水平受力圖推桿轉動副水平受力圖 圖圖 3-14 推桿轉動副豎直受力圖推桿轉動副豎直受力圖 從圖表中看出當推桿位于最低位置時，即在時間的時候，受力st25 . 1 是最大的，即，與理論計算值相差不大。NFNF yx 1557,832 1212 （2）對連桿受力分析 3 L 對連桿 L3 上轉動副實現 Measure 測量計算，得到水平方向和豎直方向受力 圖線，如圖 3-15 和圖 3-16 所示。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 25 圖圖 3-15 桿桿水平受力圖水平受力圖 3 L 圖圖 3-16 桿桿豎直受力圖豎直受力圖 3 L 從圖

49、表中看出，同樣的在推桿最低，執(zhí)行桿最高位置處，即時受力最st25 . 1 大，即。NFNF yx 2484,512 3232 3.5 結論 本章主要對撬棍式助推器的執(zhí)行機構進行建模和仿真。分析執(zhí)行機構中撬 棍式杠桿最前端和轉向架輪對接觸的作用點的水平方向的最大位移，及接觸作 用點的速度圖線?？梢钥闯鏊俣葓D線屬于正弦曲線，有最大點和最小點，而速 度最小值出現在撬棍式杠桿擺動的最高點即杠桿與轉向架輪對將要分離的那一 瞬間，相互接觸的輪對和杠桿此時速度相同，均等于助推器小車的速度。由此， 機車轉向架助推器設計 26 我們得出撬棍式助推器推動轉向架輪對基本上是周期性循環(huán)過程。推動實現最 大位移后，杠桿

50、往回擺動，由最高位置到最低位置，同時助推器車體加速向前 運行，轉向架減速向前運動，通過齒輪傳動比與凸輪軸轉動之間的配合，實現 最低位置時杠桿正好與輪對重新接觸，如此往復，實現轉向架向前運動。 而對執(zhí)行結構中桿件的受力分析圖，我們看出動態(tài)受力情況仍然呈周期性 變化，找出其中受力最大的位置，即推桿最低、杠桿擺動到最高的位置，此時 。通過與第 2 章中受力分析結果對比，相互驗證準確性。也為下一章st25. 1 各構件結構設計和校核提供依據，即校核受力位置最大處。 第 4 章 結構設計 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 27 4.1 整體結構簡圖 助推器整體機構簡圖，如圖 4-1 所示。 圖圖 4-1

51、 助推器整體結構簡圖助推器整體結構簡圖 助推器三維機構示意圖，如圖 4-2 所示。 圖圖 4-2 助推器三維機構示意圖助推器三維機構示意圖 4.2 各部件校核 4.2.1 齒輪設計與校核 1.選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數 機車轉向架助推器設計 28 （1）根據結構選擇直齒圓柱齒輪傳動 （2）助推器為一般工作機器，速度不高，選用 7 級精度 （3）材料選擇。查表選擇小齒輪材料為 40Cr(調質)，硬度為 280HBS,大 齒輪材料為 45 鋼（調質）硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS. （4）選小齒輪齒數為 20，大齒輪齒數 1 z 2 z1305 . 620 2.按齒面接

52、觸強度設計 根據公式 13 (4-1) 3 2 1 1 ) ( 1 32 . 2 H E d t Z u uKT d 試算 （1）確定公式 4-1 內數值計算 1 初選載荷系數3 . 1 t K 2 小齒輪傳遞的轉矩mmNT 4 1 1039 . 1 3 查表選擇齒寬系數1 d 4 查表得到材料的彈性影響系數 2 1 8 . 189 MPaZE 5 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的MPa H 600 1lim 的接觸疲勞強度極限MPa H 550 2lim 6 計算應力循環(huán)次數。（設助推器工作壽命 15 年，每年工作 300 天，兩 班制） 8 11 10592 . 2 )15

53、30082(1606060 h jLnN 7 1 2 10988. 3 i N N 按圖取接觸疲勞壽命系數22. 1,10. 1 21 HNHN KK 7 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1%，安全系數，得1S MPa S KHN H 6606001 . 1 1lim1 1 MPa S KHN H 67155022 . 1 2lim2 2 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 29 3.計算 （1）計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值 t d1 H mmd t 82.27) 660 8 . 189 ( 5 . 6 5 . 7 1 1039 . 1 3 . 1 32 . 2 3 2 4 1 （2

54、）計算圓周速度v sm nd v t /09 . 0 100060 6082.27 100060 11 （3）計算齒寬 b mmdb td 82.27 1 （4）計算齒寬與齒高比 h b mm z d m t t 39 . 1 1 1 mmmh t 13 . 3 25 . 2 9 . 8 13 . 3 82.27 h b （5）計算載荷系數 根據，查得動載系數smv/09 . 0 01. 1 v K 直齒輪；查得使用系數1 FH KK1 A K 由 7 級精度，小齒輪相對支承非對稱布置414 . 1 H K 由查得,414 . 1 , 9 . 8 H K h b 30 . 1 F K 載荷系數

55、427 . 1 414. 1101 . 1 1 HHVA KKKKK （6）校正分度圓直徑，得 mm K K dd t t 70.28 3 . 1 427. 1 82.27 3 3 11 （7）模數mm z d m43 . 1 20 70.28 1 1 4.按齒根彎曲強度設計 設計公式為 13 (4-2) 3 2 1 1 2 F SaFa d YY z KT m （1）確定公式(4-2)內各計算數值 機車轉向架助推器設計 30 1 查得彎曲疲勞強度極限MPaMPa FEFE 380,500 21 2 查得彎曲疲勞壽命系數90. 0,89 . 0 21 FNFN KK 3 計算彎曲疲勞許用應力

56、取彎曲疲勞安全系數,得4 . 1S MPa S K FEFN F 86.317 4 . 1 50089. 0 11 1 MPa S K FEFN F 29.244 4 . 1 38090 . 0 22 2 4 計算載荷系數 313 . 1 30. 1101 . 1 1 FFVA KKKKK 5 查齒形系數156 . 2 , 8 . 2 21 FaFa YY 6 查得應力校正系數814. 1,55 . 1 21 SaSa YY 7 計算比較齒輪的 F SaFaY Y 01365 . 0 86.317 55. 18 . 2 1 11 F SaFaY Y 01601. 0 29.244 814. 1

57、156. 2 2 22 F SaFa YY （2）設計計算 mmm13. 101601. 0 201 1039 . 1 313 . 1 2 3 2 4 由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接m 觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關， 同時為了避免小齒輪的分度圓直徑過小，難以加工?？扇∮蓮澢鷱姸人愕玫哪?數 1.12 圓整為標準值，根據接觸強度，取，算出小齒輪齒mmm5 . 1mmd40 1 數 27 5 . 1 40 1 1 m d z 大齒輪齒數 ,取 5 . 175275 . 6 2 z176 2 z 5.幾何尺寸計算 （1）分度圓直徑

58、 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 31 mmmzd mmmzd 2645 . 1176 5 . 405 . 127 22 11 （2）中心距 mm dd a5 .97 2 5 .1545 .40 2 21 （3）齒輪寬度 mmdb d 5 .40 5 . 401 1 取。mmBmmB48,40 12 4.2.2 鏈傳動設計 校核大齒輪軸和后輪軸的鏈傳動。 1.選擇鏈輪齒數 取大齒輪軸上鏈齒數，后輪軸上鏈輪齒數17 1 z17171 12 ziz 2.確定計算功率13 查表得，雙排鏈，計算功率為55. 1, 0 . 1 zA KK KW K PKK P P zA ca 09. 0 75 . 1

59、 106 . 0 55 . 1 0 . 1 3.選擇鏈條型號和節(jié)距 根據及。查圖，選擇 08A。查表得，鏈條節(jié)距kwPca09 . 0 min/9 1 rn mmp7 .12 4.計算鏈節(jié)數和中心距13 初選中心距。取。mmpa6353817 .12)5030()5030( 0 mma381 0 77 2 1717 7 . 12 381 2) 2 ( 2 2 0 2 12210 0 a pzzzz p a Lp 取鏈長節(jié)數節(jié)。78 p L 查表得到中心距計算系數，則鏈傳動的最大中心距為25 . 0 1 f mmzzLpfa p 387)1717(782 7 . 1225. 0)(2 211 取

60、鏈傳動中心距mma200 機車轉向架助推器設計 32 5.計算鏈速 ，確定潤滑方式v sm pzn v/032. 0 100060 7 . 12179 100060 11 由和鏈號 08A，查圖可知采用定期人工潤滑方式。smv/032 . 0 6.計算壓軸力 13 p F 有效圓周力N v P Fe3313 032 . 0 106 . 0 10001000 鏈輪水平布置時的壓軸力系數，則壓軸力15 . 1 Fp K NFKF eFpp 3810331315 . 1 其余鏈傳動校核過程類似，均采用 08A 號鏈輪。中心距。mma200 4.2.3 軸的結構設計和強度校核 車輪軸及鏈輪軸選擇，調質

61、，其許用彎曲應力 r C40MPa70 1 齒輪軸及其余軸，選擇材料為號鋼，正火、回火處理，其許用彎曲應力45 MPa55 1 1.小齒輪軸校核 小齒輪受到圓周力,N d T Ft686 5 .40 1039 . 1 22 4 1 1 徑向力NFF tr 25020tan686tan 鏈輪的有效圓周力，壓軸力NFe510NFp586 凸輪受到推桿的反作用力，（摩擦反力屬于NFa1681 NFF af 8405 . 0 軸向力，且數值較小，故忽略不計） 故求得水平面支承反力NFNF vv 231,614 21 鉛垂面支承反力NFNF HH 540,656 21 受力分析圖如圖 4-3 所示。 浙

62、江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 33 圖圖 4-3 小齒輪受力簡圖小齒輪受力簡圖 求出鉛垂最大彎矩，水平最大彎矩，mmNMH 47264mmNMV 66690 而且均位于鏈輪與軸連接處 所以mmNMMM VH 42 2 102 . 8 傳遞轉矩，取折合系數，軸直徑mmNT 4 1 1039 . 1 6 . 0mmd30 抗彎截面系數 33 3 27001 . 0 32 mmd d W 所以軸的彎扭合成應力 1 22 4 .30 )( MPa W TM ca 所以小齒輪軸滿足強度要求。 2.小齒輪軸上零件裝配與定位方式 小齒輪軸上零件裝配簡圖如圖 4-4 所示。 圖圖 4-4 小齒輪軸裝配簡圖小齒輪軸裝配簡圖 機車轉向架助推器設計 34 軸上零件定位：小齒輪軸采用深溝球軸承支撐，軸承與軸承座連接，軸承 采用兩端固定式連接。左邊軸承一端采用軸承蓋固定，另一端利用軸肩定位。 另外兩個軸承一端通過套筒固定，另一端由軸承蓋定位。 鏈輪一段采用軸肩定位，軸肩高度，另一端采用套筒定位，mmdh31 . 0 而因為凸輪受到軸向力不大，左端采用軸用彈性擋圈定位，另一端用套筒定位。 裝配順序：從左到右為，先將鏈輪和鍵裝入，通過軸肩一端定位，再裝入， 彈性擋圈，然后裝入凸輪和