液压机械综合传动系统虚拟样机建模与研究

程红玫

（山西交通职业技术学院，太原 030031）

液压机械综合传动系统虚拟样机建模与研究

程红玫

（山西交通职业技术学院，太原 030031）

本文以某履带车辆多段式高功率密度液压机械综合传动系统为研究对象，基于虚拟样机技术，综合运用CAD/CAE等多种软件，建立整个传动系统的三维虚拟样机模型，并对其各种动态特性进行仿真研究。首先应用MSC.ADAMS软件建立系统机械传动部分的虚拟样机模型，然后应用AMESim软件建立液压传动部分的仿真模型，并将各子系统在AMESim中集成为整个系统的多领域仿真虚拟样机模型。并针对所建立的离合器、行星排、液压泵马达等仿真模型进行初步的运动学和动力学仿真，验证所建立虚拟样机模型的正确性。

液压机械传动 虚拟样机 协同仿真 动态特性

引言

随着液压机械传动系统的多方面应用，对液压机械传动设计和性能的要求随之提高，虚拟样机技术由于其在设计之初就能够全程指导和帮助完成液压机械传动系统设计的优势，得到广泛应用。本文基于虚拟样机技术对动力传动的各个部件建立的建模可以用来进行综合传动系统的加速性，换段过渡阶段的动力计算，转向动力性等仿真。

1 发动机的虚拟样机建模

在转矩发生器子模型中，将发动机的稳态特性转矩作为施加在曲轴系上的指示转矩。在ADAMS中利用Akima曲面拟合技术，将某型号全程调速柴油发动机的一组部分特性曲线拟合为部分特性曲面。根据部分特性曲面，插值出任意油门开度和发动机转速下的指示转矩值：

式中ωE为发动机转速，α为油门开度，surface_engine为发动机特性曲面，0表示输出插值点坐标值。

根据经验公式计算发动机外特性：

式中Pe为发动机功率，PeP为发动机额定功率，ne为发动机转速，neP为发动机额定转速。

则发动机转矩Te为：

2 离合器模型

2.1 动态特性建模

离合器在结合过程中，整个离合器受到如下几个力的作用：

（1）油腔油压作用在活塞上的力Fc

其中Pc为油缸内液体产生的静压力，Apiston为活塞的截面积。

（2）旋转的油缸内的液体产生的作用在活塞上的离心力Fω（当考虑非旋转状态时，此力可以忽略）。

如果假定液体的旋转速度和油缸的旋转速度相等，则Fω可由式（5）计算：

式中R1为活塞小径，R2为活塞大径。

（3）活塞运动时作用在活塞上的回位弹簧阻力Fs

式中Ks为回位弹簧的刚度；ls为回位弹簧从自由状态到当前值的压缩长度，而

式中l0、l分别为弹簧在自由状态下的长度和初始压缩状态下的长度，x为活塞的行程。

分析以上离合器的受力，便可以把它们施加在离合器上，利用上面计算得到的力计算主被动边的滑摩力矩。滑摩力矩计算公式如式（8）所示：

式中z为摩擦副数；Req为摩擦片当量摩擦半径：

而R1和R2分别为摩擦片的内外半径；μd为摩擦元件的动摩擦系数。可以表示如式9所示：

式中∆ω为主从动边滑摩转速差（rad/s），当∆ω=0时所得结果为静摩擦系数。

2.2 虚拟样机建模和仿真分析

把以上各力施加在离合器上，各力在ADAMS中表现为随时间变化的函数，即Run-time函数。得到活塞的受力图如图1所示，离合器的虚拟样机模型如图2所示。

图1 活塞的受力图

图2 离合器的虚拟样机模型

在离合器的滑磨阶段，在离合器的主被动边上施加一个扭矩模拟离合器的滑磨力矩，扭矩的大小由公式（8）决定。当离合器的主被动边的转速同步时，进入离合器的结合锁止阶段，此时滑磨转矩失效，同时主被动边上的衬套力被激活，此衬套力相当于一个大刚度的扭簧，令离合器的主被动锁止，稳定等速的传递动力，结合过程完成。离合器的分离过程与此相反，仿真剧本发出解锁指令，失效衬套力，同时油压下降，离合器开始分离，当活塞到达离合器油缸壁时，离合器的分离过程结束。

定义离合器各构件的材料属性，离合器的质量、转动惯量参数由软件自动计算得到，离合器主动边的初始速度取为2000r/min，被动边转速取为1000r/min，阻力矩取为145Nm，输入转矩取为Ti=-1.21564ni+2584.85，单位Nm。把主动边发动机等的当量转动惯量和被动边车体等的当量转动惯量分别加到离合器的主动边和被动边上。回位弹簧的刚度取为7.24×105N/m。摩擦片实际总间隙取为0.0078m，理论总间隙取为0.0085m。按照上述条件仿真离合器的结合、分离过程。

以上建立离合器虚拟样机模型，不仅能反应正常的转速、转矩，还能准确模拟离合器内部构件动作变化，为整车动力性能仿真提供基础。

3 齿轮传动系统模型

按照齿轮系统动力学在虚拟样机技术上的应用类型，可将齿轮啮合模型分为四类，分别是刚体的理想啮合模型、弹性体的扭转振动模型、弹性体的接触模型和基于油膜厚度理论的三相力模型。这四类模型均被广泛应用在齿轮系统的虚拟样机技术中。本文基于动力学基本原理和线性振动理论，通过有目的的化简而建立齿轮系统动力学分析模型。此模型能够满足一般的齿轮系统动力学分析的要求，可以考虑齿轮的啮合特点，比如变刚度参数振动，间隙非线性等，能够得到如轮齿的动态啮合力，轴和轴承的受力和考虑齿轮系统的齿轮刚度和阻尼因素下的整体输出的动态情况。

4 传动轴模型

4.1 传动轴柔性体模型的建立

液压机械综合传动系统的传动轴系由传动轴及与其相连的齿轮、轴承等运动构件组成。以所建综合传动系统输入轴系为例，说明建立柔性体的过程，输入轴系刚性零轴构件的实体模型如图3所示，输入轴系的模态频率分析结果见表1，柔性体模型如图4所示。

图3 输入轴系实体模型

图4 输入柔性体模型

表1 输入轴系的模态频率分析结果（单位：Hz）

根据文献中分析研究结果，在ADAMS中建立的柔性体模型和有限元模型的计算结果误差在5%以内。而利用有限元计算零部件的频率的正确性和精确程度是得到公认的。因此，可以认定在ADAMS中建立的柔性体模型进行的仿真结果是可信的。

4.2 轴的有限段模型的建立

文中的零轴采用离散梁模拟，在定义离散梁时，需要指定柔性杆件的端点、刚性微杆数目、梁单元属性、端点连接方式。这种方法对于动力传动系统中轴系的建模较适合，既考虑轴中弹性与结构阻尼的影响，又降低计算量，减小整个动力传动系统的计算规模，并且精度上也可满足要求。

5 液压泵马达建模与仿真

液压机械无级传动液压子系统中包含很多非线性时变单元，如液压泵、马达、阀等液压单元。这些单元中包括间隙、迟滞、死区等非线性过程，为减少液压机械无级传动系统液压子系统建模的工作量、避免模型的不合理简化、提高模型的仿真精度，实现仿真软件间的强强联合，本文用AMEsim软件建立液压机械无级传动系统液压子系统动力学模型。

本文研究的液压子系统是一高压闭式液压回路，其模型由变排量液压单元模型、定排量液压单元模型、高压溢流阀模型、补油泵模型、低压溢流阀模型、补油用单向阀模型及管路连接元件模型、惯性元件等连接组成。在AMEsim中单向阀、油滤、液压油、管路等模型已有详细的模型，这里不再论述；液压泵、马达的容腔容积同管路的容腔容积一起考虑；液压系统的出油流量由液压元件的容积效率参数确定；惯性元件用于描述与其相连的液压泵、马达的转动惯量。

6 结语

本文基于虚拟样机建模方法和仿真软件建立离合器模型、齿轮传动模型、传动轴模型、轴承模型和液压传动模型等子系统，仿真分析离合器结合过程的动态特性，得出如下结论：（1）在离合器结合过程结束后，由于负载的变化，主被动边的转速可能存在较大的速差，需用衬套力代替摩擦转矩将主被动边锁死；（2）传动轴柔性体模型可消除使用刚体模型时产生的冗余约束，在同一轴上有多点受力，并有相对位移时十分必要。

[1]苏秀平，朱楼坤.液压传动综合试验台的研制[J].机床与液压，2015，（20）：101-103.

[2]范明豪，祁炯.液压传动技术在电力系统中的应用及展望[J].液压气动与密封，2015，（4）：1-6.

[3]蒋亚军，胡军科，赵斌.泵-马达液压传动系统中的压力拍振分析[J].噪声与振动控制，2015，（4）：52-55.

[4]卢鹏铭，温步瀛.基于液压传动系统的风电并网静态电压稳定问题研究[J].电网与清洁能源，2014，（5）：85-91.

[5]王威，戴锦春，巫世晶.AMESim在液压传动教学中的应用[J].液压气动与密封，2014，34（10）：52-55.

[6]赵亮，丁礼磊，田文朋，杨波.液压传动车辆起步压力的仿真研究[J].现代制造工程，2014，（5）：127-130.

[7]石茂顺，刘宏伟.海流发电液压传动系统设计及仿真验证[J].电力系统自动化，2014，38，（3）：118-122.

[8]侯广慧，刘宏伟.GQ045型公铁两用牵引车液压传动及控制设计[J].液压与气动，2014，（4）：25-27.

Modeling and Research on Virtual Prototype of Hydraulic Mechanical Integrated Transmission System

CHENG Hongmei
(Shanxi traffic vocational and technical college, Taiyuan 030031)

Based on virtual prototyping technology, the tracked vehicle multi-segment type high power density integrated hydraulic mechanical transmission system was researched as the study object, the integrated use of a variety of CAD/CAE software, established the virtual prototype model of the transmission system, and its dynamic characteristics are simulated. Firstly, the virtual prototype model of the mechanical transmission parts was established by MSC.ADAMS software, and then the simulation model of the hydraulic transmission was establish in AMESim software, and each subsystem becomes multi domain simulation virtual prototype model of the whole system in AMESim set. The preliminary kinematics and dynamics simulation of the clutch, planetary gear, hydraulic pump motor and other simulation models are carried out, which verifies the correctness of the virtual prototype model.

hydraulic mechanical, virtual prototype, cosimulation, dynamic characteristics