液壓機械綜合傳動系統虛擬樣機建模與研究

程紅玫

（山西交通職業技術學院，太原 030031）

液壓機械綜合傳動系統虛擬樣機建模與研究

程紅玫

（山西交通職業技術學院，太原 030031）

本文以某履帶車輛多段式高功率密度液壓機械綜合傳動系統為研究對象，基于虛擬樣機技術，綜合運用CAD/CAE等多種軟件，建立整個傳動系統的三維虛擬樣機模型，并對其各種動態特性進行仿真研究。首先應用MSC.ADAMS軟件建立系統機械傳動部分的虛擬樣機模型，然后應用AMESim軟件建立液壓傳動部分的仿真模型，并將各子系統在AMESim中集成為整個系統的多領域仿真虛擬樣機模型。并針對所建立的離合器、行星排、液壓泵馬達等仿真模型進行初步的運動學和動力學仿真，驗證所建立虛擬樣機模型的正確性。

液壓機械傳動 虛擬樣機 協同仿真 動態特性

引言

隨著液壓機械傳動系統的多方面應用，對液壓機械傳動設計和性能的要求隨之提高，虛擬樣機技術由于其在設計之初就能夠全程指導和幫助完成液壓機械傳動系統設計的優勢，得到廣泛應用。本文基于虛擬樣機技術對動力傳動的各個部件建立的建模可以用來進行綜合傳動系統的加速性，換段過渡階段的動力計算，轉向動力性等仿真。

1 發動機的虛擬樣機建模

在轉矩發生器子模型中，將發動機的穩態特性轉矩作為施加在曲軸系上的指示轉矩。在ADAMS中利用Akima曲面擬合技術，將某型號全程調速柴油發動機的一組部分特性曲線擬合為部分特性曲面。根據部分特性曲面，插值出任意油門開度和發動機轉速下的指示轉矩值：

式中ωE為發動機轉速，α為油門開度，surface_engine為發動機特性曲面，0表示輸出插值點坐標值。

根據經驗公式計算發動機外特性：

式中Pe為發動機功率，PeP為發動機額定功率，ne為發動機轉速，neP為發動機額定轉速。

則發動機轉矩Te為：

2 離合器模型

2.1 動態特性建模

離合器在結合過程中，整個離合器受到如下幾個力的作用：

（1）油腔油壓作用在活塞上的力Fc

其中Pc為油缸內液體產生的靜壓力，Apiston為活塞的截面積。

（2）旋轉的油缸內的液體產生的作用在活塞上的離心力Fω（當考慮非旋轉狀態時，此力可以忽略）。

如果假定液體的旋轉速度和油缸的旋轉速度相等，則Fω可由式（5）計算：

式中R1為活塞小徑，R2為活塞大徑。

（3）活塞運動時作用在活塞上的回位彈簧阻力Fs

式中Ks為回位彈簧的剛度；ls為回位彈簧從自由狀態到當前值的壓縮長度，而

式中l0、l分別為彈簧在自由狀態下的長度和初始壓縮狀態下的長度，x為活塞的行程。

分析以上離合器的受力，便可以把它們施加在離合器上，利用上面計算得到的力計算主被動邊的滑摩力矩。滑摩力矩計算公式如式（8）所示：

式中z為摩擦副數；Req為摩擦片當量摩擦半徑：

而R1和R2分別為摩擦片的內外半徑；μd為摩擦元件的動摩擦系數。可以表示如式9所示：

式中?ω為主從動邊滑摩轉速差（rad/s），當?ω=0時所得結果為靜摩擦系數。

2.2 虛擬樣機建模和仿真分析

把以上各力施加在離合器上，各力在ADAMS中表現為隨時間變化的函數，即Run-time函數。得到活塞的受力圖如圖1所示，離合器的虛擬樣機模型如圖2所示。

圖1 活塞的受力圖

圖2 離合器的虛擬樣機模型

在離合器的滑磨階段，在離合器的主被動邊上施加一個扭矩模擬離合器的滑磨力矩，扭矩的大小由公式（8）決定。當離合器的主被動邊的轉速同步時，進入離合器的結合鎖止階段，此時滑磨轉矩失效，同時主被動邊上的襯套力被激活，此襯套力相當于一個大剛度的扭簧，令離合器的主被動鎖止，穩定等速的傳遞動力，結合過程完成。離合器的分離過程與此相反，仿真劇本發出解鎖指令，失效襯套力，同時油壓下降，離合器開始分離，當活塞到達離合器油缸壁時，離合器的分離過程結束。

定義離合器各構件的材料屬性，離合器的質量、轉動慣量參數由軟件自動計算得到，離合器主動邊的初始速度取為2000r/min，被動邊轉速取為1000r/min，阻力矩取為145Nm，輸入轉矩取為Ti=-1.21564ni+2584.85，單位Nm。把主動邊發動機等的當量轉動慣量和被動邊車體等的當量轉動慣量分別加到離合器的主動邊和被動邊上。回位彈簧的剛度取為7.24×105N/m。摩擦片實際總間隙取為0.0078m，理論總間隙取為0.0085m。按照上述條件仿真離合器的結合、分離過程。

以上建立離合器虛擬樣機模型，不僅能反應正常的轉速、轉矩，還能準確模擬離合器內部構件動作變化，為整車動力性能仿真提供基礎。

3 齒輪傳動系統模型

按照齒輪系統動力學在虛擬樣機技術上的應用類型，可將齒輪嚙合模型分為四類，分別是剛體的理想嚙合模型、彈性體的扭轉振動模型、彈性體的接觸模型和基于油膜厚度理論的三相力模型。這四類模型均被廣泛應用在齒輪系統的虛擬樣機技術中。本文基于動力學基本原理和線性振動理論，通過有目的的化簡而建立齒輪系統動力學分析模型。此模型能夠滿足一般的齒輪系統動力學分析的要求，可以考慮齒輪的嚙合特點，比如變剛度參數振動，間隙非線性等，能夠得到如輪齒的動態嚙合力，軸和軸承的受力和考慮齒輪系統的齒輪剛度和阻尼因素下的整體輸出的動態情況。

4 傳動軸模型

4.1 傳動軸柔性體模型的建立

液壓機械綜合傳動系統的傳動軸系由傳動軸及與其相連的齒輪、軸承等運動構件組成。以所建綜合傳動系統輸入軸系為例，說明建立柔性體的過程，輸入軸系剛性零軸構件的實體模型如圖3所示，輸入軸系的模態頻率分析結果見表1，柔性體模型如圖4所示。

圖3 輸入軸系實體模型

圖4 輸入柔性體模型

表1 輸入軸系的模態頻率分析結果（單位：Hz）

根據文獻中分析研究結果，在ADAMS中建立的柔性體模型和有限元模型的計算結果誤差在5%以內。而利用有限元計算零部件的頻率的正確性和精確程度是得到公認的。因此，可以認定在ADAMS中建立的柔性體模型進行的仿真結果是可信的。

4.2 軸的有限段模型的建立

文中的零軸采用離散梁模擬，在定義離散梁時，需要指定柔性桿件的端點、剛性微桿數目、梁單元屬性、端點連接方式。這種方法對于動力傳動系統中軸系的建模較適合，既考慮軸中彈性與結構阻尼的影響，又降低計算量，減小整個動力傳動系統的計算規模，并且精度上也可滿足要求。

5 液壓泵馬達建模與仿真

液壓機械無級傳動液壓子系統中包含很多非線性時變單元，如液壓泵、馬達、閥等液壓單元。這些單元中包括間隙、遲滯、死區等非線性過程，為減少液壓機械無級傳動系統液壓子系統建模的工作量、避免模型的不合理簡化、提高模型的仿真精度，實現仿真軟件間的強強聯合，本文用AMEsim軟件建立液壓機械無級傳動系統液壓子系統動力學模型。

本文研究的液壓子系統是一高壓閉式液壓回路，其模型由變排量液壓單元模型、定排量液壓單元模型、高壓溢流閥模型、補油泵模型、低壓溢流閥模型、補油用單向閥模型及管路連接元件模型、慣性元件等連接組成。在AMEsim中單向閥、油濾、液壓油、管路等模型已有詳細的模型，這里不再論述；液壓泵、馬達的容腔容積同管路的容腔容積一起考慮；液壓系統的出油流量由液壓元件的容積效率參數確定；慣性元件用于描述與其相連的液壓泵、馬達的轉動慣量。

6 結語

本文基于虛擬樣機建模方法和仿真軟件建立離合器模型、齒輪傳動模型、傳動軸模型、軸承模型和液壓傳動模型等子系統，仿真分析離合器結合過程的動態特性，得出如下結論：（1）在離合器結合過程結束后，由于負載的變化，主被動邊的轉速可能存在較大的速差，需用襯套力代替摩擦轉矩將主被動邊鎖死；（2）傳動軸柔性體模型可消除使用剛體模型時產生的冗余約束，在同一軸上有多點受力，并有相對位移時十分必要。

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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