精梳机关键机构中差动齿轮系的建模
张心忠
(经纬纺机股份公司)
摘要：本文在简述了精梳机项目背景的基础上；重点论述了精梳机中差动齿轮系在MSC.ADAMS 软件中的模型建立，其中主要比较了齿轮传动副和耦合关节的优缺点，以及在实际运用中的一点心得。
关键词：精梳机、差动齿轮系、MSC.ADAMS
1 前言
精梳作为生产高质量纱线的必要工序，在纺纱系统中一直扮演着重要的角色。近年，随着人们对高档纺织品要求的不断提高，市场对精梳机的需求也不断增大。
在普梳纺纱系统中，由梳棉机制成的棉条（生条），虽然较大的杂质被排除，纤维的伸直平行度有所改善，但生条中所含的短绒、棉结和细小的杂质仍较多，纤维的伸直平行度较低，成纱的条干均匀度、强度和外观质量都不够。对于质量要求较高的纱线，如府绸、高档衬衫等织物所用纱线，以及某些工业用和特殊用途的纱线，如：轮胎帘子线、高速缝纫线、刺绣及装饰线等，一般需要经过精梳纺纱系统加工。
目前，各种类型的精梳机都是周期性地分别梳理纤维丛的两端。因此，在梳理过程中，棉层必须断开，梳理后再依次结合成棉网。所以其工艺过程一定是间歇和周期进行的，由此决定了精梳机必须包含复杂的棘轮、连杆和齿轮等机构以实现需要的间歇和周期运动。
2 精梳机中差动齿轮建模分析
差动齿轮由于可以有效的叠加和
放大两个任意输入规律的机构，被广泛
应用于棉条精梳的分离接合过程中。从
而，有效地实现棉条整体向前、局部往
复的运动叠加。
图1为某精梳机中差动齿轮系的
具体实现。其中三个行星轮的转动轴线
的位置受大齿轮的转动约束，而其绝对
转速是中间主传动齿轮和大齿轮转速
综合的结果。 图1 差动齿轮系输入端
在机械原理中，一般是假设大齿轮不动或者该机构中的所有齿轮角速度都减去大齿轮的角速度。则整个轮系的传动就比较简单，最后的输出角速度很容易求出。
基于MSC.ADAMS 软件的差动齿轮系动力学建模。需要结合MSC.ADAMS 软件和该机构工作环境的特点作适当的处理才能较好地建立该运动模型。
在MSC.ADAMS 软件中，笔者认为有三种定义齿轮传动的方式，即：复杂的理想约束Gears 、Coupler Joints和力约束Contact Force。下面就结合该差动齿轮系的建模，较为详细地分析这几种约束的适用范围和优缺点。
2.1 Gears
Gears 是专门为齿轮传动而设计的约束，由于它容易定义较为直观的传动关系而被大多数人在实际操作中所采纳。建模时，只要在相互啮合的齿轮的分度圆交点上定义一z 向指向分度圆切线方向的Marker ，以此Marker 为共速度点，即可保证该对齿轮副拥有理想的传动比。不必考虑各约束的方向。
但是，Gears 约束也有它的局限性和缺点。首先Gears 定义的两个约束必须有一个公共的刚体；其次，定义公共速度Marker 的操作较为繁琐，且必须定义在公共的刚体上。
具体到该文中的差动齿轮系，若不考虑输入、输出齿轮的实际转速，而仅关心各齿轮的传动关系。那么，只要将各行星轮和输入、输出齿轮的铰链定义在大齿轮上，即：大齿轮为各铰链的第二个刚体。在齿轮系轴线与行星轮轴线的连线和分度圆的交点上，作z 向指向齿轮系轴线和行星轮轴线的连线垂线的属于大齿轮的Marker ，即可简单地解决各齿轮间复杂的传动关系的定义。
在该精梳机的差动齿轮系中，输入齿轮的转速是由连杆机构的输出决定的，
可以不管其实际的转速大小；但是，输出齿轮轴又要同其他齿轮啮合，如果为了差动齿轮系定义的简单化，而都以大齿轮为基准，势必造成后续工作的纷乱。所以，笔者求助了Coupler Joints。
2.2 Coupler Joints（耦合关节）
耦合关节可以在2-3个关节中，进行线性和非线性的耦合。一般用于皮带轮和链轮的运动和能量传递中。由于耦
合关节对各关节的所属刚体没有限
制，只对关节的平动或转动数值大小
进行了约束。所以，具有广泛的适应
性。由于它同样可以传递力矩，所以，
从用户的使用角度，可以把Gears 看
作Coupler Joints （耦合关节）的特
例来看待。
但是，由于耦合关节没有公共速
度Marker ，所以定义它的时候，要特
别留心每一个关节的方向和定义关
节时刚体的前后顺序。
由图2可以清晰地看出差动齿轮系输出轴的另一端还有一齿轮，和其啮合的齿轮不可能再以大齿轮为基准来建立关节。所以，只能将输出轴的定位基准定义为大地（或箱体）。因为行星轮的基准必然是大齿轮，这样输出轴的关节与行星轮的关节就没有公共刚体。所以该传动不能用齿轮副（Gears ）来定义。
假设大齿轮与箱体的关节为revolute 大，大齿轮为第一刚体，箱体为第二刚
体，转速为：ω大；行星轮与大齿轮的关节为revolute 星，行星轮为第一刚体，大
齿轮为第二刚体，转速为：ω星；输出轴与箱体的关节为revolute 出，输出轴为第
一刚体，箱体为第二刚体，转速为：ω出；且所有关节的方向都一致。则相对大齿
轮的输出传递关系为： 图2 差动齿轮系输出端
Z出ω星 =-ω出-ω大Z星
写成更一般的形式为：
Z星⨯ω星-Z出⨯ω大+Z出⨯ω出=0
其中：Z 星为输出端行星轮的齿数；Z 出为与行星轮啮合的输出轴的齿数；
定义具有三个关节的耦合关节：revolute 星、revolute 大、revolute 出的系数
分别为：Z 星、-Z 出、Z 出，这样即可较为圆满地解决此问题。
2.3 力约束Contact Force
接触力应该是最贴近实际的建模方法，计算结果也必然最真实；建模的思路也简洁明了。但一般情况下，需要构造精确的几何模型和材料特性等动力学参数，解题过程需要的系统开销比较大。转换接口需要专门的模块，况且也比较繁琐。留待以后作进一步实践。
3 精梳机关键机构简述
通过综合应用Gears 和Coupler Joints两种较为复杂的关节，我们建立了精梳机关键机构中的差动齿轮系分析模型，从而为精梳机的机构分析和优化奠定了基础。建立的总的机构模型如图3所示。其中有：七连杆机构、八连杆机构等包括弹簧加压的可变长的连杆机构。模型较为复杂，差动齿轮系只是其中的一小部分。
通过仿真分析，我们不仅掌握了原样机的运动、动力参数，为我们的改进设计提供支持；而且，通过该虚拟模型我们可以在虚拟环境中，获知各部件的工艺实现状况，进而优化该机构的尺寸。在掌握该机构运动规律的同时，我们可以进行变形设计，用凸轮机构或伺服系统代替该机构，进一步验证设计的合理性。 4 结论
1. 我们基于动力学软件MSC.ADAMS 构造了精梳机关键机构的动力学模型，使
我们的产品设计水平上了一个新的台阶；
2. MSC.ADAMS 动力学软件博大精深，只有结合具体的问题活学活用才能获得
理想的仿真效果；
3. 构造真正拟实的数字化动力学模型需要更加完善的软、硬件环境和工程经
验数据，需要计算机软、硬件厂商和广大的用户共同长期的努力！
5 参考文献：
[1]. 盛鸿亮等．精密结构与结构设计．北京：北京理工大学出版社，1993.2
[2]. 陆再生．棉纺设备．北京：中国纺织出版社，1995.11
[3]. MDI ．Using MECHANISM/Pro，2000.10
[4]. MDI ．Using MSC.ADAMS/Solver，2000.10
精梳机关键机构中差动齿轮系的建模
张心忠
(经纬纺机股份公司)
摘要：本文在简述了精梳机项目背景的基础上；重点论述了精梳机中差动齿轮系在MSC.ADAMS 软件中的模型建立，其中主要比较了齿轮传动副和耦合关节的优缺点，以及在实际运用中的一点心得。
关键词：精梳机、差动齿轮系、MSC.ADAMS
1 前言
精梳作为生产高质量纱线的必要工序，在纺纱系统中一直扮演着重要的角色。近年，随着人们对高档纺织品要求的不断提高，市场对精梳机的需求也不断增大。
在普梳纺纱系统中，由梳棉机制成的棉条（生条），虽然较大的杂质被排除，纤维的伸直平行度有所改善，但生条中所含的短绒、棉结和细小的杂质仍较多，纤维的伸直平行度较低，成纱的条干均匀度、强度和外观质量都不够。对于质量要求较高的纱线，如府绸、高档衬衫等织物所用纱线，以及某些工业用和特殊用途的纱线，如：轮胎帘子线、高速缝纫线、刺绣及装饰线等，一般需要经过精梳纺纱系统加工。
目前，各种类型的精梳机都是周期性地分别梳理纤维丛的两端。因此，在梳理过程中，棉层必须断开，梳理后再依次结合成棉网。所以其工艺过程一定是间歇和周期进行的，由此决定了精梳机必须包含复杂的棘轮、连杆和齿轮等机构以实现需要的间歇和周期运动。
2 精梳机中差动齿轮建模分析
差动齿轮由于可以有效的叠加和
放大两个任意输入规律的机构，被广泛
应用于棉条精梳的分离接合过程中。从
而，有效地实现棉条整体向前、局部往
复的运动叠加。
图1为某精梳机中差动齿轮系的
具体实现。其中三个行星轮的转动轴线
的位置受大齿轮的转动约束，而其绝对
转速是中间主传动齿轮和大齿轮转速
综合的结果。 图1 差动齿轮系输入端
在机械原理中，一般是假设大齿轮不动或者该机构中的所有齿轮角速度都减去大齿轮的角速度。则整个轮系的传动就比较简单，最后的输出角速度很容易求出。
基于MSC.ADAMS 软件的差动齿轮系动力学建模。需要结合MSC.ADAMS 软件和该机构工作环境的特点作适当的处理才能较好地建立该运动模型。
在MSC.ADAMS 软件中，笔者认为有三种定义齿轮传动的方式，即：复杂的理想约束Gears 、Coupler Joints和力约束Contact Force。下面就结合该差动齿轮系的建模，较为详细地分析这几种约束的适用范围和优缺点。
2.1 Gears
Gears 是专门为齿轮传动而设计的约束，由于它容易定义较为直观的传动关系而被大多数人在实际操作中所采纳。建模时，只要在相互啮合的齿轮的分度圆交点上定义一z 向指向分度圆切线方向的Marker ，以此Marker 为共速度点，即可保证该对齿轮副拥有理想的传动比。不必考虑各约束的方向。
但是，Gears 约束也有它的局限性和缺点。首先Gears 定义的两个约束必须有一个公共的刚体；其次，定义公共速度Marker 的操作较为繁琐，且必须定义在公共的刚体上。
具体到该文中的差动齿轮系，若不考虑输入、输出齿轮的实际转速，而仅关心各齿轮的传动关系。那么，只要将各行星轮和输入、输出齿轮的铰链定义在大齿轮上，即：大齿轮为各铰链的第二个刚体。在齿轮系轴线与行星轮轴线的连线和分度圆的交点上，作z 向指向齿轮系轴线和行星轮轴线的连线垂线的属于大齿轮的Marker ，即可简单地解决各齿轮间复杂的传动关系的定义。
在该精梳机的差动齿轮系中，输入齿轮的转速是由连杆机构的输出决定的，
可以不管其实际的转速大小；但是，输出齿轮轴又要同其他齿轮啮合，如果为了差动齿轮系定义的简单化，而都以大齿轮为基准，势必造成后续工作的纷乱。所以，笔者求助了Coupler Joints。
2.2 Coupler Joints（耦合关节）
耦合关节可以在2-3个关节中，进行线性和非线性的耦合。一般用于皮带轮和链轮的运动和能量传递中。由于耦
合关节对各关节的所属刚体没有限
制，只对关节的平动或转动数值大小
进行了约束。所以，具有广泛的适应
性。由于它同样可以传递力矩，所以，
从用户的使用角度，可以把Gears 看
作Coupler Joints （耦合关节）的特
例来看待。
但是，由于耦合关节没有公共速
度Marker ，所以定义它的时候，要特
别留心每一个关节的方向和定义关
节时刚体的前后顺序。
由图2可以清晰地看出差动齿轮系输出轴的另一端还有一齿轮，和其啮合的齿轮不可能再以大齿轮为基准来建立关节。所以，只能将输出轴的定位基准定义为大地（或箱体）。因为行星轮的基准必然是大齿轮，这样输出轴的关节与行星轮的关节就没有公共刚体。所以该传动不能用齿轮副（Gears ）来定义。
假设大齿轮与箱体的关节为revolute 大，大齿轮为第一刚体，箱体为第二刚
体，转速为：ω大；行星轮与大齿轮的关节为revolute 星，行星轮为第一刚体，大
齿轮为第二刚体，转速为：ω星；输出轴与箱体的关节为revolute 出，输出轴为第
一刚体，箱体为第二刚体，转速为：ω出；且所有关节的方向都一致。则相对大齿
轮的输出传递关系为： 图2 差动齿轮系输出端
Z出ω星 =-ω出-ω大Z星
写成更一般的形式为：
Z星⨯ω星-Z出⨯ω大+Z出⨯ω出=0
其中：Z 星为输出端行星轮的齿数；Z 出为与行星轮啮合的输出轴的齿数；
定义具有三个关节的耦合关节：revolute 星、revolute 大、revolute 出的系数
分别为：Z 星、-Z 出、Z 出，这样即可较为圆满地解决此问题。
2.3 力约束Contact Force
接触力应该是最贴近实际的建模方法，计算结果也必然最真实；建模的思路也简洁明了。但一般情况下，需要构造精确的几何模型和材料特性等动力学参数，解题过程需要的系统开销比较大。转换接口需要专门的模块，况且也比较繁琐。留待以后作进一步实践。
3 精梳机关键机构简述
通过综合应用Gears 和Coupler Joints两种较为复杂的关节，我们建立了精梳机关键机构中的差动齿轮系分析模型，从而为精梳机的机构分析和优化奠定了基础。建立的总的机构模型如图3所示。其中有：七连杆机构、八连杆机构等包括弹簧加压的可变长的连杆机构。模型较为复杂，差动齿轮系只是其中的一小部分。
通过仿真分析，我们不仅掌握了原样机的运动、动力参数，为我们的改进设计提供支持；而且，通过该虚拟模型我们可以在虚拟环境中，获知各部件的工艺实现状况，进而优化该机构的尺寸。在掌握该机构运动规律的同时，我们可以进行变形设计，用凸轮机构或伺服系统代替该机构，进一步验证设计的合理性。 4 结论
1. 我们基于动力学软件MSC.ADAMS 构造了精梳机关键机构的动力学模型，使
我们的产品设计水平上了一个新的台阶；
2. MSC.ADAMS 动力学软件博大精深，只有结合具体的问题活学活用才能获得
理想的仿真效果；
3. 构造真正拟实的数字化动力学模型需要更加完善的软、硬件环境和工程经
验数据，需要计算机软、硬件厂商和广大的用户共同长期的努力！
5 参考文献：
[1]. 盛鸿亮等．精密结构与结构设计．北京：北京理工大学出版社，1993.2
[2]. 陆再生．棉纺设备．北京：中国纺织出版社，1995.11
[3]. MDI ．Using MECHANISM/Pro，2000.10
[4]. MDI ．Using MSC.ADAMS/Solver，2000.10