基于AMESim的前橋輔助驅動系統的建模與仿真研究?

張斐孟玉婷

基于AMESim的前橋輔助驅動系統的建模與仿真研究?

張斐1孟玉婷2

（1.陜西警官職業學院西安710021）（2.長安大學西安710064）

論文利用AMESim軟件對前橋輔助驅動系統進行了建模與仿真，得到了前橋輔助驅動系統的動態性能響應，為了驗證開啟輔助驅動系統后，整車牽引性能的改進情況，對前橋獨立驅動、后橋獨立驅動、前后橋聯合驅動的三種模式進行了對比仿真。結果表明：開啟前橋輔助驅動系統后，輸出的扭矩增大，車輛牽引性能得到提升。

AMESim；前橋輔助驅動系統；建模與仿真

Class NumberTP319

1引言

非公路寬體自卸車是一種用于露天場合進行礦石運輸以及巖石土方運輸等任務的重型自卸車，體積大、噸位大、作業環境惡劣、行駛路況復雜。在實際作業過程中，經常出現后輪陷入泥坑、爬坡性能不足、輪胎打滑等現象。因此研究非公路寬體自卸車前橋輔助驅動系統具有重要意義。

為此，很多學者對前橋輔助驅動技術進行了研究研究，吉林大學在國內首次提出的輪轂馬達驅動系統［1～2］，明顯提高車輛在低附著路面上的通過性能；張中堯等提出了為輪式攤鋪機加裝前橋電控輔助驅動系統的方案［3］，提高整車驅動的平穩性；遲峰等提出了平地機前輪輔助驅動系統的發明專利［4］；李相華提出了一套液壓輪轂馬達輔助前橋系統方案，利用蓄能器作為能量回收裝置，實現對整車制動過程中部分動能的回收；林一楠提出了礦用自卸車的電輔助驅動方案，通過增加前輪附著力提高整車的附著重量［5］；張晉華提出了礦用車的前橋靜液輔助驅動系統方案，通過控制變量泵的排量實現對轉速的控制［6］。以上研究多數集中在液壓混合動力驅動技術方面，缺乏對不同工況下的仿真研究，相關結果不能直接用于非公路寬體自卸車。

基于此，本文提出以自卸車舉升系統的液壓泵為動力源的前橋輔助驅動系統方案，利用AMESim軟件對不同載荷下的動態性能進行研究。

2前橋輔助驅動系統的仿真與分析

AMESim軟件包含了建立前橋輔助驅動系統所需的各個元件的物理模型［7］。根據前橋輔助驅動系統的液壓原理圖，結合原車驅動系統的結構，利用AMESim軟件庫可建立非公路寬體自卸車驅動系統的仿真模型，如圖1所示。

圖1 非公路寬體自卸車驅動系統仿真模型

由于非公路寬體自卸車工作路況復雜多變，行駛過程中負載復雜且波動很大［8］。因此，本文通過對階躍信號、斜坡信號隨機突變信號模擬不同的負載，研究非公路寬體自卸車前橋輔助驅動系統在階躍載荷、斜坡載荷及隨機突變載荷下的動態響應性能。

2.1驅動系統對階躍載荷的響應

在仿真時，負載采用階躍信號，如圖2所示，將驅動輪的扭矩從20kNm分別階躍到40kNm、50kNm、60kNm，觀察驅動系統的輸出扭矩、輸出轉速對階躍載荷的響應情況，以及液壓系統的壓力、流量對階躍載荷的響應情況，其仿真結果如圖3～4所示。

圖2 負載扭矩

圖3 驅動系統輸出扭矩及轉速對階躍載荷的響應曲線

圖4 液壓系統壓力及流量對階躍載荷的響應曲線

當驅動輪的載荷從20kNm階躍到40kNm、50kNm時，載荷越大，系統的穩定時間越短，響應越快，且驅動系統的輸出轉速和液壓系統的流量比較穩定；當驅動輪的載荷從20kNm階躍到60kNm時，驅動系統的輸出轉速和液壓系統的流量快速降低，幾乎為零，壓力達到液壓系統的最大壓力，可見此時負載已經達到過載載荷，車輪轉速急劇下降，系統輸出的扭矩無法滿足負載需求，發動機的轉速會降低，甚至熄火。

2.2驅動系統對斜坡載荷的響應

在仿真時，負載采用斜坡信號，如圖5所示，將驅動輪的載荷從10kNm分別以0.2s、0.4s、0.6s達到40kNm，觀察驅動系統的輸出扭矩、輸出轉速對斜坡載荷的響應情況，以及液壓系統的壓力、流量對斜坡載荷的響應情況，其仿真結果如圖6～7所示。

當驅動輪的載荷從10kNm分別以0.2s、0.4s、0.6s達到40kNm時，載荷變化坡度的大小對驅動系統的輸出扭矩、輸出轉速以及液壓系統的壓力、流量的影響不大，穩定時間均在0.5s左右。

圖5 負載扭矩

圖6 驅動系統輸出扭矩及轉速對斜坡載荷的響應曲線

圖7 液壓系統壓力及流量對斜坡載荷的響應曲線

2.3驅動系統對隨機突變載荷的響應

在仿真時，采用如圖8所示的突變負載，驅動輪的載荷從30kNm突然增大到50kNm、突然減小到10kNm，觀察驅動系統的輸出扭矩、輸出轉速對突變載荷的響應情況，以及液壓系統的壓力、流量對突變載荷的響應情況，其仿真結果如圖9～10所示。

從仿真的響應曲線可得，當驅動輪遇到隨機突變載荷時，驅動系統的輸出扭矩和液壓系統的壓力波動小，響應快，穩定時間為0.4s；驅動系統的輸出轉速和液壓系統的流量波動相對較大，穩定時間為0.6s。

圖8 負載扭矩

圖9 驅動系統輸出扭矩及轉速對斜坡載荷的響應曲線

圖10 液壓系統壓力及流量對斜坡載荷的響應曲線

3前后橋聯合驅動的仿真

當非公路寬體自卸車遇到大負荷工況時，需要開啟前橋輔助驅動系統，自卸車行駛系統的工作模式由后橋驅動切換成前后橋聯合驅動［9］，本文對前橋獨立驅動、后橋獨立驅動、前后橋聯合驅動的三種模式進行對比仿真。

3.1斜坡載荷下的對比仿真

在仿真時，負載采用斜坡信號，如圖11所示將驅動輪的載荷從10kNm以一定的斜率增大到20kNm，觀察三種驅動模式下輸出扭矩的大小關系及響應情況，以及前后橋聯合驅動模式下前后輪的轉速對比，其仿真結果如圖12～13所示。

圖11 負載扭矩

圖12 驅動系統輸出扭矩對比曲線

圖13 驅動系統輸出轉速對比曲線

如圖12所示，曲線1為后橋驅動模式下后輪的輸出扭矩曲線，曲線2為前橋驅動模式下前輪的輸出扭矩曲線，曲線3為前后橋聯合驅動模式下前后輪共同的輸出扭矩曲線。自卸車遇到斜坡載荷時，后橋驅動的響應最快，前后橋聯合驅動的響應最慢［10］。當載荷達到20kNm時，后橋驅動的輸出扭矩為23216.6Nm，前橋驅動的輸出扭矩為13581.69Nm，前后橋聯合驅動的輸出扭矩約為36543Nm。開啟前橋輔助驅動系統后，整車的輸出扭矩提高了57.4%，牽引性能得到提升，達到了加裝前橋輔助驅動系統的目的。

如圖13圖所示，前后橋聯合驅動模式下，前輪轉速響應的波動較大，后輪轉速響應的波動小，且響應快。當載荷達到20kNm，前后輪轉速穩定后，前輪轉速為13.35rev/min，后輪轉速為13.72rev/ min，前輪轉速略小于后輪轉速，同步精度為2.7%。

3.2階躍載荷下的對比仿真

在仿真時，負載采用階躍信號，如圖14所示將驅動輪的載荷從10kNm突然增大到30kNm，觀察三種驅動模式下輸出扭矩的大小關系及響應情況，以及前后橋聯合驅動模式下前后輪的轉速對比，其仿真結果如圖15～16所示。

圖14 負載扭矩

圖15 驅動系統輸出扭矩的對比曲線

圖16 驅動系統輸出轉速的對比曲線

如圖15所示，曲線1為后橋驅動模式下后輪的輸出扭矩曲線，曲線2為前橋驅動模式下前輪的輸出扭矩曲線，曲線3為前后橋聯合驅動模式下前后輪共同的輸出扭矩曲線。自卸車遇到階躍載荷時，后橋驅動的相應最快，前后橋聯合驅動的響應最慢。當載荷達到30kNm時，后橋驅動的輸出扭矩為29813.14Nm，前橋驅動的輸出扭矩為20120.23Nm，前后橋聯合驅動的輸出扭矩約為49640Nm。開啟前橋輔助驅動系統后，整車的輸出扭矩提高了66.5%，牽引性能得到提升，達到了加裝前橋輔助驅動系統的目的。

如圖16所示，前后橋聯合驅動模式下，前輪轉速響應的波動較大，后輪轉速響應的波動小，且響應快。當載荷在10kNm，前后輪轉速穩定時，前輪轉速為3.86rev/min，后輪轉速為3.89rev/min，前輪轉速略小于后輪轉速，同步精度為2.28%；當載荷達到30kNm，前后輪轉速穩定后，前輪轉速為22.93rev/min，后輪轉速為23.46rev/min，前輪轉速略小于后輪轉速，同步精度為0.77%。

4結語

1）仿真得到了前橋輔助驅動液壓系統在階躍載荷、斜坡載荷以及隨機突變載荷下，驅動系統的輸出扭矩、輸出轉速對載荷的響應情況。

2）仿真得到了非公路寬體自卸車的行駛驅動系統在階躍載荷、斜坡載荷下，前橋獨立驅動、后橋獨立驅動、前后橋聯合驅動三種模式的系統響應情況。結果表明，開啟前橋輔助驅動系統后，輸出的扭矩增大，車輛牽引性能得到提升，達到了加裝前橋輔助驅動系統的目的。

［1］李勝，宋大鳳，曾小華，等.重型卡車輪轂馬達液壓驅動系統建模與仿真［J］.農業機械學報，2012，43（4）：10-14.

LI Sheng，SONG Dafeng，ZENG Xiaohua，et al.Modeling and Simulation of HydraulicWheel Motor PropulsionSys?tem for Heavy Truck［J］.Transactions ofthe Chinese Soci?ety for Agricultural Machinery，2012，43（4）：10-14.

［2］賀輝，宋大鳳，楊南南，等.輪轂馬達液驅系統控制與仿真［J］.吉林大學學報（工學版），42（Z1）：27-31.

HE Hui，SONG Dafeng，YANG Nannan，et al.Control and simulation of hydraulic in-wheel motor propulsion system［J］.Journal of Jilin University Engineering and Technolo?gy Edition，42（Z1）：27-31.

［3］張中堯，李天富，費望龍.輪式攤鋪機前輪電控輔助驅動改進方案［J］.工程機械與維修，2011，03：160-161.

ZHANG Zhongyao，LI Tianfu，FEI Wanglong.Improve?ment scheme of electric control auxiliary drive for wheel front wheel［J］.Construction Machinery&Maintenance，2011，03：160-161.

［4］遲峰，崔元福，苗國華，等.平地機前輪輔助驅動系統［P］.山東：CN103522896A，2014-01-22.

CHI Feng，CUI Yuanfu，MIAO Guohua，et al.Front wheel auxiliary driving system of grader［P］.Shandong：CN103522896A，2014-01-22.

［5］林一楠.礦用自卸車電輔助驅動研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2016.

LIN Yinan.Study on electric auxiliary driving of mine dump truck［D］.Xi'an：Xi'an University of Architecture and Technology，2016.

［6］張晉華.礦用車前橋靜液輔助驅動系統的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

ZHANG Jinhua.Study on the hydrostatic auxiliary driving system of the mining front axle［D］.Harbin：Harbin Insti?tute of Technology，2016.

［7］付永領，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011：1-2.

FUYongling，QIHaitao.Modeling and Simulation of Imag?ine.Lab AMESim LMS system［M］.Beijing：Beihang Uni?versity Press，2011：1-2.

［8］羅禮培，張祖同，樊啟才，等.非公路寬體自卸車市場研究及前景分析［J］.工程機械文摘，2012（3）：17-18.

LUO Lipei，ZHANG Zutong，FAN Qicai，et al.Research and Prospect Analysis of non highway wide body dump truck market.

［9］孟玉婷，徐信芯.非公路寬體自卸車前橋輔助驅動系統方案研究［J］.建設機械技術與管理，2016（6）：77-80.

MENG Yuting，XU Xinxin.Research on the Front Axle Auxiliary Drive System for the non HighwayDumper［J］. Construction Machinery Technology&Management，2016（6）：77-80.

［10］蔡乙.寬體礦用自卸車驅動后橋總成承載特性研究［D］.重慶：重慶交通大學，2014.

CAI Yi.Study on bearing characteristics of rear axle as?sembly ofwide body mining dump truck［D］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2014.

Modeling and Simulation ofthe Front Axle Auxiliary Drive System Based on AMESim

ZHANG Fei1MENG Yuting2
（1.Departmentof Police Technology，ShaanxiPolice College，Xi'an 710021）（2.Chang'an University，Xi'an 710064）

AMESim simulation software was used to establish modeloffrontaxle auxiliary drive system and simulation was car?ried out.In order to verify improvement of vehicle traction performanceafter opening of auxiliary drive system，three models includ?ing front Axle independent drive，rear axle drive，front and rear axle drive were simulated and compared.It showed that improve?mentofvehicle traction performance and increase ofoutputtorque were detected by opening ofauxiliary drive system.

AMESim，the frontaxle auxiliary drive system，modeling and simulation

TP319

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.019

2017年2月4日，

2017年3月23日

國家自然科學基金項目《基于層次堆聚理論的并聯機器人動力學建模與約束更隨控制方法研究》（編號：51605038）；《深變環境對大深度油壓源動力特征的作用機制及遷移規律研究》（編號：51509006）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（編號：14JK2023）；陜西省自然科學基金“旋挖鉆機鉆桿振動機理及振動能量轉遷耗散規律研究”（編號：2017JQ5081）資助。

張斐，男，碩士研究生，講師，研究方向：計算機工程軟件仿真。孟玉婷，女，研究方向：工程機械。