跟我一起学Adams虚拟样机: 基础篇(三) 齿轮系的运动学仿真，以一个行星齿轮系为例

这篇博文是Adams虚拟样机系列的第三篇。在前两篇内容中，我们已经通过两个简单的例子，学习了用Adams进行虚拟样机建模和运动学、动力学仿真的基本流程：
基础篇(一) 运动学仿真基操，以一个简单的曲柄摇杆机构为例
基础篇(二) 动力学仿真基操，以曲柄滑块压力机为例

但现在我们还不能处理一些比较复杂的运动副，比如齿轮副和凸轮副。接下来我们将分两节内容，分别学习这两种运动副的设置方式。其中本节将以一个行星齿轮系为例，介绍齿轮系的运动学仿真过程。

其中将涉及：Adams View工作环境的设置、特征的重命名、不规则构件的绘制、特征属性的修改、在同一个工程文件中新建和切换多个模型、外部模型的导入、转动副的创建、固定副的创建、齿轮副的创建、角速度驱动的施加、仿真器的设置、运动参数的测量、仿真数据的处理和输出、仿真视频的输出等。

行星齿轮系运动学仿真

本教程基于Adams 2020 下载地址及安装教程

1. 启动Adams并设置工作环境

1.1. 启动 Adams View

双击打开 Adams View 2020

[Welcome to Adams 窗口]
点击 New Model 左侧图标新建模型

• New Model 新建模型
• Existing Model 打开现有模型 （*.bin，包含所有工程信息，包括设置和仿真结果）
• Exit 退出

1.2. 新建模型

[Create New Model 窗口]
ⓐ 在 Model Name 栏中输入模型名称 example_4_gear_train
ⓑ 在 Working Directory 栏中输入工作路径 E:_KEEP FOOLISH\Adams\Example\Temp (也可点击右侧文件夹在资源管理器中选择，后续工程文件、临时文件和输出的文件都将默认保存在工作路径下)
ⓒ OK，完成模型创建

• Model Name 模型名称 ：第一个字符必须是字母，其他地方可以有数字、符号等；
• Gravity 重力: 默认Y轴负方向
• Units 单位: 默认MMKS
• Working Directory 工作路径：不能有中文、空格
  (如果某一栏呈黄色，代表输入的内容不合法)

1.3. 设置工作环境

1.3.1. 设置单位

[主菜单]
ⓐ 点击 Settings
ⓑ 点击 Units
[Units Settings 窗口]
ⓒ 点击 MMKS 按钮
ⓓ OK

• MMKS：mm, kg, N, s, deg, Hz（一般选这个）
• MKS：m, kg, N, s, deg, Hz
• CGS：cm, g, dyne(达因, =10e-5N), s, deg, hz
• IPS：inch, pound mass, pound force, s, deg, hz

1.3.2. 设置工作网格

[主菜单]
ⓐ 点击 Settings
ⓑ 点击 Working Grid
[Working Grid Settings 窗口]
ⓒ 修改合适的尺寸 (X方向 200mm，Y方向 300mm) 、间隔大小 (X、Y方向均为 10mm) 和栅格方向
ⓓ OK (Apply 按钮也能执行相同的命令，但对话框不会关闭)

1.3.3. 设置图标大小

[主菜单]
ⓐ 点击 Settings
ⓑ 点击 Icons
[Icon Settings 窗口]
ⓒ 在 New Size 栏中修改图标 (坐标系、运动副等的标识图标) 大小为 20
ⓓ OK

1.3.4. 打开光标位置显示

[主菜单]
ⓐ 点击 View
ⓑ 点击 Coordinate Window，即在右下方出现实时显示光标位置的坐标窗口
(也可在工作区使用快捷键F4)

2. 创建虚拟样机模型

两个齿轮的齿数分别是 z₁=40，z₂=20，模数 m=5mm。齿轮1与地面固连 (为机架)，行星架 (系杆) H 为原动件，其角速度为 ω_H=30°/s

2.1. 创建构件模型

2.1.1. 分度圆柱替代法

在Adams中，齿轮副的作用方式是约束两点速度相同，这是齿轮分度圆上的特征。因此，做运动学分析时，我们可以用齿轮的分度圆柱来代替齿轮。

2.1.1.1. 创建齿轮1

2.1.1.1.1. 创建齿轮1模型

[功能区]
ⓐ 选择 Bodies 选项卡
ⓑ 点击Solids中的 RigidBody: Cylinder 图标

[左侧 Geometry: Link 栏]
ⓒ 选择 New Part
ⓓ 勾选需要控制的所有量
ⓔ 在 Length 栏输入厚度数值 10，在 Radius 栏输入半径数值 5(模数)x40(齿数)/2=100

[工作区]
ⓕ 单击圆柱的一端，即 (0,0,0) 位置
ⓖ 水平右移光标，当出现几何形体后单击，完成齿轮1分度圆柱的创建

2.1.1.1.2. 重命名齿轮1

[工作区]
ⓐ 右击曲柄
ⓑ 点击或鼠标滑向 part:PART_2 (也可在 Browse 栏中右击)
ⓒ 点击 Rename

[Rename 窗口]
ⓓ 在 New Name 栏中输入新名称 GEAR_1
ⓔ OK

2.1.1.1.3. 调整齿轮1位姿

[工作区]
ⓐ 点击选中 GEAR_1

[上方工具栏]
ⓑ 点击 Position 位置变换按钮

[左侧 Rotate 栏]
ⓒ 点击中间空白按钮

[工作区]
ⓓ 点击位姿调整的旋转中心点 (圆柱左端中心，GEAR_1: MARKER_1)

[左侧 Rotate 栏]
ⓔ 在 Angle 文本框中输入旋转角度 90 (单位: °)
ⓕ 点击向右按钮，圆柱即绕 y 轴向右转动 90°

2.1.1.1.4. 齿轮1的几何特征修改

[工作区]
ⓐ 右击 GEAR_1
ⓑ 点击或鼠标滑向 Cylinder: CYLINDER_1 (也可在 Browse 栏中右击)
ⓒ 点击 Modify

[Geometry Modify Shape Cylinder 窗口]
ⓓ 修改 Side Count For Body 栏和 Segment Count For Ends 为 50 (指用多少个平面 / 线段来近似圆柱体 / 圆柱端面)
ⓔ OK

2.1.1.2. 创建齿轮2

2.1.1.2.1. 创建齿轮2模型

[功能区]
ⓐ 选择 Bodies 选项卡
ⓑ 点击Solids中的 RigidBody: Cylinder 图标

[左侧 Geometry: Link 栏]
ⓒ 选择 New Part
ⓓ 勾选需要控制的所有量
ⓔ 在 Length 栏输入厚度数值 10，在 Radius 栏输入半径数值 5(模数)x20(齿数)/2=50

[工作区]
ⓕ 单击圆柱的一端，即 (0,150,0) 位置
ⓖ 水平右移光标，当出现几何形体后单击，完成齿轮2分度圆柱的创建
ⓗ 按照 2.1.1.1.2. 重命名齿轮1 中的步骤，将齿轮2重命名为GEAR_2

2.1.1.2.2. 调整齿轮2位姿

[工作区]
ⓐ 点击选中 GEAR_2

[上方工具栏]
ⓑ 点击 Position 位置变换按钮

[左侧 Rotate 栏]
ⓒ 点击中间空白按钮

[工作区]
ⓓ 点击位姿调整的旋转中心点 (圆柱左端中心，GEAR_2: MARKER_2)

[左侧 Rotate 栏]
ⓔ 在 Angle 文本框中输入旋转角度 90 (单位: °)
ⓕ 点击向右按钮，圆柱即绕 y 轴向右转动 90°

2.1.1.2.3. 齿轮2的几何特征修改

[工作区]
ⓐ 右击 GEAR_2
ⓑ 点击或鼠标滑向 Cylinder: CYLINDER_2 (也可在 Browse 栏中右击)
ⓒ 点击 Modify

[Geometry Modify Shape Cylinder 窗口]
ⓓ 修改 Side Count For Body 栏和 Segment Count For Ends 为 50 (指用多少个平面 / 线段来近似圆柱体 / 圆柱端面)
ⓔ OK

2.1.1.2.4. 创建标记孔

在仿真机构时，难以看清分度圆柱的转动。因此，我们在齿轮2上创建一个通孔，以观察其运动。

[功能区]
ⓐ 选择 Bodies 选项卡
ⓑ 点击 Features 中的 Add a hole 图标

[左侧 Features: Hole 栏]
ⓒ 勾选 Depth
ⓓ 在 Radius 栏输入半径数值1.0cm，在 Depth 栏输入深度数值1.0cm

[工作区]
ⓔ 单击选择 GEAR_2
ⓕ 单击 (0,180,0) 位置，完成标记孔的创建

2.1.1.3. 创建行星架 H

[功能区]
ⓐ 选择 Bodies 选项卡
ⓑ 点击 Solids 中的 RigidBody: Link 图标

[左侧 Geometry: Link 栏]
ⓒ 选择 New Part
ⓓ 取消勾选 Length (因为其长度由两齿轮中心距决定)
ⓔ 在 Width 栏输入宽度数值10，在 Depth 栏输入厚度数值10

[工作区]
ⓕ 单击齿轮1的中心，即 GEAR_1.MARKER_1
ⓖ 单击齿轮2的中心，即 GEAR_2.MARKER_2，完成行星架 H 的创建
ⓗ 按照 2.1.1.1.2. 重命名齿轮1 中的步骤，将行星架重命名为H

2.1.2. 外部模型导入法

Adams本身不具备绘制齿轮实体的功能，但支持很多三维格式文件的导入。此处，我们以 Creo5.0 建模并导出的 STEP 格式的齿轮系装配体文件为例，展示模型的导入过程。建模过程非本软件重点，不赘述。使用其他软件建模也可，导入过程相同。需要齿轮系装配体 STEP 格式文件的，可向作者索要。

2.1.2.1. 新建和切换模型

[上方工具栏]
ⓐ 点击 Create a new model 新建一个模型

[Create model 窗口]
ⓑ 在 Model Name 栏中输入新模型名称 example_4_gear_train_import
ⓒ OK

[左侧导航窗格]
ⓓ 点击向下箭头展开选项
ⓔ 选择 example_4_gear_train_import 切换为新模型

2.1.2.2. 导入装配体模型

[主菜单]
ⓐ 点击 File
ⓑ 点击 Import

[File Import 窗口]
ⓒ 选择 File Type 为 STEP
ⓓ 在 File To Read 栏输入 STEP 文件路径为 E:_KEEP FOOLISH\Adams\Example\example_4_gear_train\mat\gear_pair_asm.stp (自行替换)
ⓔ 选择 Model Name
ⓕ 在 Model Name 栏中输入 .example_4_gear_train_import
ⓖ OK，完成装配体的导入

[Message Window 窗口]
ⓗ Close，关闭信息窗口

2.1.2.3. 调整显示颜色

2.1.2.3.1. 调整齿轮1显示颜色

[工作区]
ⓐ 右击齿轮 GEAR_1
ⓑ 点击或鼠标滑向 Solid: SOLID1
ⓒ 点击 Select

[上方工具栏]
ⓓ 右击 Entity Color 颜色库图标
ⓔ 点击 Red，齿轮1被显示为红色

2.1.2.3.2. 调整齿轮2显示颜色

[工作区]
ⓐ 右击齿轮 GEAR_2
ⓑ 点击或鼠标滑向 Solid: SOLID2
ⓒ 点击 Select

[上方工具栏]
ⓓ 右击 Entity Color 颜色库图标
ⓔ 点击 Green，齿轮2被显示为绿色

2.1.2.3.3. 调整行星架H显示颜色

[工作区]
ⓐ 右击行星架 H
ⓑ 点击或鼠标滑向 Solid: SOLID3
ⓒ 点击 Select

[上方工具栏]
ⓓ 右击 Entity Color 颜色库图标
ⓔ 点击 Maize，行星架H被显示为橘色

2.2. 创建运动副

2.2.1. 创建转动副

[功能区]
ⓐ 选择 Connectors 选项卡

	1	2
[左侧 Revolute Joint 栏]
ⓑ	点击 Joints 中的 Create a Revolute Joint 图标
ⓒ	选择 2 Bodies - 1 Location (选择两个物体和一个连接位置)
ⓓ	选择 Normal To Grid (转轴垂直于栅格平面)
[工作区]
ⓔ	点击选择齿轮 GEAR_1	点击选择齿轮 GEAR_2
ⓕ	点击选择行星架 H
ⓖ	点击选择 MARKER_1	点击选择 MARKER_2
	完成创建齿轮1和行星架之间的转动副A	完成创建齿轮2和行星架之间的转动副B

ⓗ 按照 2.1.1.1.2. 重命名齿轮1 中的步骤，重命名约束为 JOINT_A / JOINT_B

2.2.2. 创建固定副

[功能区]
ⓐ 选择 Connectors 选项卡
ⓑ 点击 Joints 中的 Create a Fixed Joint 图标

[左侧 Translational Joint 栏]
ⓒ 选择 2 Bodies - 1 Locations (选择两个物体和一个连接位置)
ⓓ 选择 Normal To Grid (转轴垂直于栅格平面)

[工作区]
ⓔ 点击齿轮 GEAR_1
ⓕ 点击工作区空白处选择 ground
ⓖ 点击任意位置 (此处点击了齿轮中心)，完成创建固定副
ⓘ 按照 2.1.1.1.2. 重命名齿轮1 中的步骤，重命名约束为 JOINT_FIX

2.2.3. 创建齿轮副

2.2.3.1. 创建齿轮副标记点

创建齿轮副时需要选择一个固结在系杆上的参考标记点，其位置在两个齿轮速度相同的点，Z轴朝向速度方向
[功能区]
ⓐ 选择 Bodies 选项卡
ⓑ 点击 Constructions 中的 Marker 图标

[左侧 Geometry: Marker 栏]
ⓒ 选择 Add to Part
ⓓ 在 Orientation 栏选择 Global YZ Plane (即使所建立的标记点Z轴朝向栅格坐标系的X轴方向)

[工作区]
ⓔ 点击选择行星架 H (如果怎么都选到齿轮，可以右击 Select)
ⓕ 点击两齿轮的啮合点，即 (0,100,0) 位置，完成标记点的创建
ⓖ 按照 2.1.1.1.2. 重命名齿轮1 中的步骤，重命名标记点为 MARKER_CV

2.2.3.2. 创建齿轮副

[功能区]
ⓐ 选择 Connectors 选项卡
ⓑ 点击 Couplers 中的 Joint (Add-on Constraint): Gear 图标

[Constraint Create Complex Joint Gear 窗口]
ⓒ 在 Joint Name 栏输入 JOINT_A, JOINT_B (也可右击选择)
ⓓ 在 Common Velocity Marker 栏选择 Marker_CV (也可右击选择)
ⓔ OK，完成齿轮副的创建

2.3. 施加运动

[功能区]
ⓐ 选择 Motions 选项卡
ⓑ 点击 Joint Motions 中的 Rotational Joint Motion 图标

[左侧 Rotational Joint Motion 栏]
ⓒ 在 Rot. Speed 栏中输入旋转速度为 30.0 (单位: °/s)

[工作区]
ⓓ 点击选择 JOINT_A，即将旋转运动施加在转动副A上

3. 仿真与测试

3.1. 渲染模型

[右下角设置栏]
ⓐ 点击 Wireframe / shaded toggle 按钮，由线框显示切换为着色显示

[上方工具栏]
ⓑ 点击 Set the View to Isometric 按钮，将视角切换为轴测图

3.2. 仿真模型

[功能区]
ⓐ 选择 Simulation 选项卡
ⓑ 点击 Simulate 中的 Run an Interactive Simulation

[Simulation Control 对话框]
ⓒ 设置 End Time (结束时间) 为 12
ⓓ 设置 Steps (总步数) 为 200
ⓔ 点击 Start Simulation 按钮，开始仿真
ⓕ 点击 Reset to Input Configuration 可恢复初始构型

3.3. 播放仿真动画

[功能区]
ⓐ 选择 Results 选项卡
ⓑ 点击 Review 中的 Displays the Animation Control dialog 图标
[Animation Controls 窗口]
ⓒ 动画播放按钮全家给您拜年

3.4. 测量模型

3.4.1. 测量行星轮2相对系杆的运动角度

3.4.1.1. 放置标记点

[功能区]
ⓐ 选择 Bodies 选项卡
ⓑ 点击 Construction 中的 Marker 图标

[左侧 Geometry: Marker 栏]
ⓒ 选择 Add to Part
ⓓ 点击选择齿轮 GEAR_2 (仿真过程中这个标记点会固定在齿轮2上)
ⓔ 点击 H.MARKER_CV ，完成标记点的创建
ⓕ 按照 2.1.1.1.2. 重命名齿轮1 中的步骤，重命名标记点为 MARKER_G2

3.4.1.2. 创建角度测量

[功能区]
ⓐ 选择 Design Exploration 选项卡
ⓑ 点击 Measures 中的 Create a new Angle Measure 图标
ⓒ 点击 Advanced

[Angle Measure 窗口]
ⓓ 更改 Measure Name 栏内容即测量名称为 MEA_ANGLE_1
ⓔ 在First Marker 栏中输入 MARKER_G2
ⓕ 在Middle Marker 栏中输入 MARKER_2
ⓖ 在Last Marker 栏中输入 MARKER_CV
ⓗ OK，完成行星轮2相对系杆角度测量的创建

3.4.2. 测量行星轮2相对系杆的运动速度

[工作区]
ⓐ 右击齿轮2和系杆的连接点
ⓑ 点击或鼠标滑向 Joint: JOINT_B
ⓒ 点击 Measure

[Joint Measure 窗口]
ⓓ 更改 Measure Name 栏内容即测量名称为 ANGULAR_VELOCITY_2_H
ⓔ 在Component 栏中选择 Z，表示测量绕 Z 轴的角速度；也可选择 mag，表示测量角速度幅值
ⓕ 在From/At 栏中选择 GEAR_2.MARKER_7
ⓖ OK，完成行星轮2相对系杆角速度测量的创建，可以看出角速度恒为 60°/s

3.5. 显示关闭的测量曲线

[主菜单]
ⓐ 点击 View
ⓑ 点击 Measures

[Database Navigator 窗口]
ⓒ 选中所要显示的测量名称
ⓓ OK

4. 后处理：输出仿真动画

[功能区]
ⓐ 选择 Result 选项卡
ⓑ 点击 Postprocessor 图标

[Adams PostProcessor: 右上角设置栏]
ⓒ 右击 Page Layout 按钮
ⓓ 选择 2 Views, side by side，将窗口显示切换为左右两个视窗

	1	2
[Adams PostProcessor: 工作区]
ⓔ	单击选中左边的视窗	单击选中右边的视窗
[Adams PostProcessor: 主菜单]
ⓕ	点击View
ⓖ	点击 Load Animation
[Adams PostProcessor: Database Navigator 窗口]
ⓗ	双击 example_4_gear_train 展开列表	双击 example_4_gear_train_import 展开列表
ⓘ	点击选择 Last_Run (指最后一次仿真结果)
ⓙ	OK, 把动画加载到视窗中
[Adams PostProcessor: 上方工具栏]
ⓚ	点击 ISO view 按钮选择轴测图视角
ⓛ	右击 Zoom 按钮
ⓜ	点击 Dynamic Zoom 按钮 (也可使用快捷键Z), 拖动缩放画面，将动画调整到合适大小
ⓝ	点击 Dynamic Translate 按钮 (也可使用快捷键T), 拖动平移画面，将动画调整到合适位置

[Adams PostProcessor: 下方功能区]
ⓞ 点击下方 Record 选项卡
ⓟ 在 File Name 栏中输入视频文件名 example_4_gear_train
ⓠ 点击 Record Ready 按钮
ⓡ 点击 Play Animation 按钮，动画开始录制，当滑动条首次滑动到末端时即完成录制 (当未点击 Record Ready 按钮时，可以播放动画，但不会录制，可用于预览)

视频以 example_4_gear_train.avi 的名称被保存在之前指定的工作路径 E:_KEEP FOOLISH\Adams\Example\Temp 下

参考文献

[1] 郭卫东,李守忠.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2018:55~73.