基于AMESim和RecurDyn的履带车转向系统联合仿真分析

张 蕊

(贵州大学工程实训中心，贵州贵阳550003)



基于AMESim和RecurDyn的履带车转向系统联合仿真分析

张 蕊

(贵州大学工程实训中心，贵州贵阳550003)

根据铰接式履带车转向系统的工作原理，在RecurDyn软件和AMESim软件中分别建立履带车的虚拟样机和转向系统的液压系统；通过两种软件的对接，实现履带车转向系统的机械-液压联合仿真。运用联合仿真方法，分析了履带车原地转向时转向液压缸的液压特性变化情况。通过试验验证，试验数据与仿真结果非常接近；表明联合仿真模型的可靠性，为后期系列产品的设计制造提供可靠数据。

AMESim软件 RecurDyn软件 转向系统 联合仿真

0 引言

铰接式履带车通过铰接机构连接前后两个车体，铰接机构中的两个水平对称的液压缸驱动车体实现左右转向。铰接转向系统对车辆的机动性能和通过性能具有重要影响，而单一的分析其机械性能或者液压性能已经不能很好地模拟实际工作状态，但是要构建一种高精度的非线性动态理论模型仿真实际工作系统是非常困难的。因此，运用计算机仿真技术把机械转向模型和液压转向系统进行联合仿真，分析研究其特性成为优化设计、提高系统稳定性及可靠性的重要手段。

1 履带车铰接转向系统的工作原理

图1 转向系统液压原理图 图2 转向机构简图

履带车铰接转向系统的工作原理如图1所示，该系统主要有转向液压缸、转向器总成和供、回油系统三大部分组成(图2)。在该系统中，由压力流量补偿变量泵提供动力，转向器总成控制液压油流量大小。当运作转向器的时候，转向器的出油口会跟油缸负腔相通，反馈到变量泵上面，使得提供给转向系统的液压泵的排量随着负载的不同而变化。通过压力控制，转向器的压差发生变化，液压油按照需要进入转向器，进而调整转向液压缸中流量，从而实现车辆转向的稳定性。

2 履带车转向系统的仿真模型建立[1-2]

2.1 AMESim和RecurDyn联合仿真的原理及软件环境设置[3]

RecurDyn的Hydraulic工具包和AMESim的Interface block工具包中提供了机械系统和液压系统联合仿真的接口，通过接口数据模块，可以实现液压软件AMESim和RecurDyn机械模型的耦合仿真，适用于液压系统与机械系统交互的系统设计。

对AMESim接口设置时，必须保证系统中装有C++，然后将RecurDyn安装路径下CoSim_AMESim下的整个文件夹复制到AMESim安装目录的LIB文件夹中。在进行联合仿真时，要把RecurDyn中建立的机械模型和AMESim中建立的液压系统模型都存放在一个英文文件夹里面，这样才是设置了正确的联合仿真环境。

两个软件运用各自独立的求解器计算，仿真完成后，停止AMESim软件仿真。在AMESim软件里面查看液压特性的变化，在RecurDyn环境里面，单击Plot Result按钮，在后处理界面的右侧数据库中可以机械模型的运动学和动力学仿真参数。

2.2 AMESim和RecurDyn联合仿真模型的建立

2.2.1 转向液压系统模型的建立

图3 液压转向系统AMESim仿真建模及接口设置

根据转向系统的工作原理，通过AMESim软件中的元件子模型和接口工具包，建立图3所示的液压转向系统仿真模型及其联合仿真环境接口[4]。从图中可以看出，液压系统向机械模型输入活塞杆的速度，机械模型中的活塞杆根据输入的速度信号进行运作，运作受到的阻力又作为机械模型的输出，传给液压系统，作为它的输入，活塞杆受外力产生运动，运动带来速度。往复传输，形成了闭环系统[5]，以此来实现履带车的转向。

图4 履带车虚拟样机

2.2.2 铰接式履带车的整车虚拟样机的建立

在RecurDyn软件中建立的履带车整车虚拟样机如图4所示，包括铰接转向机构[6]、行走底盘[7]和前后车体，并在RecurDyn/Hydraulic环境下设置联合仿真的接口。

模型建立完成后，在RecurDyn和AMESim软件中设置各项参数。在参数设置过程中，需要注意下面三点：

1)RecurDyn输入和输出的单位一定要和AMESim中输入输出的单位统一。

2)在定义液压缸输出位移的时候，要根据液压缸的实际安装情况，确保RecurDyn和AMESim中液压缸的初始位移位置相同，否则就会出现错误的动作。

3)采集信号的步调要设置一致，确保AMESim运行模式下的信号间隔、RecurDyn中CoSim模式下的交互时间间隔以及RecurDyn中Dynamic/Kinematic Analysis模式下的时间间隔统一起来。

3 履带车转向过程的联合仿真

车辆转向时不仅受到路面参数的影响，还会受到转向方式的影响。由于车辆在原地转向时受到的转向阻力大于车辆行驶中转向阻力，故分析研究了履带车在原地转向时的转向特性。在RecurDyn中设置履带车为空载状态，转向液压缸处于自由状态；在AMESim中设置方向盘转速为50 rad/s，设定活塞缸的位移范围，使得车辆向左转向。为了增加对比性，设定履带车在第1 s时开始转向，5 s内完成转向。

原地转向时在虚拟样机中设置行走系统中的驱动轮转速为零，路面设置为水泥地面；履带车原地转向时的转向特性仿真曲线如图5所示。

图5中(a)、(b)为AMESim软件后处理中导出的曲线图，分别表示了原地左转时左侧液压缸两腔内的压力、流量变化情况。从两腔压力对比看出，左侧液压缸有杆腔与无杆腔之间的压差克服了车辆转向时受到的阻力，且每腔的流量变化随着压力的变化而产生变化浮动。从图中可以看出，转向中系统的最大压力接近140 Bar，最大流量接近16 L/min。在AMESim软件的后处理中，很明显的表示了液压油的流进和流出，流进为正值，流出为负值。

(a)左侧液压缸两腔压力 (b)左侧液压缸两腔流量图5 联合仿真液压特性图

4 试验验证与分析

对实际车辆进行试验，试验路面为厂区内较为平坦的水泥地面，车辆为空载状态。通过司机控制履带车方向盘，实现车辆的原地向左转向，利用雷诺公司开发的CHPM手持式液压测试仪采集转向液压缸的压力、流量数据，其试验曲线如图6所示。

试验曲线与联合仿真曲线对比还可以发现，试验曲线的波动范围要大些。这主要是因为厂区的水泥地面存在不平整的情况，路面不平时会造成整车的波动，但在联合仿真过程中，则理想化设置了路面，所以特性曲线呈现的比较平缓。

图6 试验液压特性图

由于计算机仿真软件的某些局限，后处理中不能同时导出同一侧液压缸中的压力、流量曲线，所以在图5中分别导出的左侧液压缸两腔的压力、流量曲线；但试验中，为了保证测量数据的准确性，对液压缸的有杆腔或者无杆腔同时测其压力、流量，这样就没有实现仿真曲线图和实验曲线图的一一对照。

图6中(a)、(b)液压特性曲线与图5中(a)、(b)相比，试验开始时液压缸里面存在压力差，且比联合仿真中的压差稍微大些；且在转向开始后，试验曲线与联合仿真曲线没有呈现出一一对应的关系，但是左侧液压缸有杆腔和无杆腔的压力、流量曲线的走势形态与联合仿真得到的曲线则近乎保持一致。这是因为在仿真软件中，液压系统的建模稍微简单化和理想化，虚拟样机与实际车辆之间也存在某些简化的差异，试验测试中也会存在某些误差，但是不影响对履带车转向特性的分析。

5 结论

根据履带车转向系统原理，建立履带车的动力学模型和转向液压系统。通过软件之间的接口，实现转向系统的机械模型和液压系统的联合仿真。通过联合仿真结果和试验数据的对比，验证了联合仿真得到的转向液压系统特性参数变化的确切性， 为液压转向系统和铰接机构的优化设计提供了可靠依据。

[1] 陆倩倩.流量放大全液压转向系统的仿真分析及实验[D].杭州：浙江大学，2010.

[2] 付永领，祁小野.AMESim系统建模和仿真-从入门到精通[M].北京：北京航空航天出版社，2006:5-25.

[3] 焦晓娟,张湝渭，彭斌彬.RecurDyn多体系统优化仿真技术[M]. 北京：清华大学出版社， 2010:298-319.

[4] 郭勇，彭勇，过新华，等.运用ADAMS和AMESim联合仿真的LUDV液压系统动态特性分析[J].现代制造工程，2010(7)：30-34.

[5] 王小中，卜继玲，刘运兵.ADAMS/Rail与AMESim联合仿真技术及其应用研究[J]. 机床与液压，2011，39(11)：98-101.

[6] 陈金涛，李力，王俊杰．铰接式履带车辆转向特性仿真研究[J]．计算机仿真，2007，24(12)：155-158.

[7] 周少虎．橡胶履带车辆振动特性研究[D]．洛阳：河南科技大学，2010.

Co-simulation analysis of the steering system of tracked vehicle based on AMESim and RecurDyn

ZHANG Rui

The virtual prototype and the hydraulic steering system were established on the platform of RecurDyn software and AMESim software, according to the working principle of steering system of articulated tracked vehicle. It can realize combined mechanical-hydraulic simulation of the steering system on this platform. Hydraulic characteristics change of steering hydraulic cylinder was analyzed as the tracked vehicle pivot steering by the co-simulation technology. Experiment showed that the simulation results were consistent with the experimental results, and the model provided a reliable basis for later design and manufacture of series of products.

AMESim software, RecurDyn software, steering system, co-simulation

TP391.9

A

1002-6886(2016)06-0022-04

张蕊(1985-)，女，河南人，硕士研究生，实验师，主要从事工程训练教学、现代制造技术研究工作。

2016-06-26