基于AMESim的工程車輛液壓傳動系統建模與仿真

謝宇航，王保華

(湖北汽車工業學院 汽車工程學院， 湖北 十堰 442002)

由于循環工作的特性和作業時負荷轉矩的時變性，傳統的機械傳動已經不能滿足陳雪車對高效率、低能耗、載荷自適應的要求[1]。靜液壓傳動具有大扭矩、大范圍的速比、無級變速以及控制方式靈活多樣的優點，此外液壓元件的管路排布能適應緊湊型底盤布置，便于除雪設備的安裝。因此，研究具有液壓傳動系統的除雪車具有重大意義。

1 靜液壓傳動系統總體設計

液壓傳動系統主要由動力元件、執行元件、控制調節元件、輔助元件以及工作介質五大部分構成[2]。典型的靜液壓傳動系統結構如圖1所示。

圖1 靜液壓傳動系統結構示意圖

以某合作企業開發的機場4×4除雪車為基礎研究，通過對液壓回路、調速方式和驅動方案進行選擇，結合設計需求，確定靜液壓傳動系統總體設計方案：采用雙向變量泵驅動雙向變量馬達的閉式液壓回路、變排量容積調速、兩個馬達分別驅動前、后橋上的機械主減速器，進而帶動車輪轉動的高速驅動方案。本文選取力士樂A6VM55EP型號的變量馬達，其最大排量為55ml/r；選取型號為A4VG180EP的變量泵，最大排量為180ml/r，主泵上集成安裝了一個排量為40ml/r的定排量補油泵。

根據總體設計繪制液壓傳動系統原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統工作原理圖

2 液壓系統靜態控制

2.1 液壓泵DA控制

本文匹配的力士樂A4VG180EP/32R型號變量泵，采用的是排量DA控制，又稱為速度敏感控制。液壓泵(包含補油泵)的控制原理如圖3所示。

1主泵；2主泵的行程缸；3電磁比例換向閥；4 DA控制閥；5壓力切斷閥；6補油泵 圖3 液壓泵DA閉環控制原理圖

圖3中，主泵1和補油泵6由發動機同軸驅動，系統工作時，主泵排量的調控是基于主泵的行程缸2、電磁比例換向閥3和DA控制閥4的共同作用：液壓泵內置DA控制閥生成的控制壓力與發動機驅動轉速成正比，此控制壓力通過電磁鐵驅動的三位四通換向閥導至主泵的行程缸。通過行程缸內活塞桿的行程變化來控制主泵的排量變化，主泵排量的正負取決于電磁比例換向閥激活的是電磁鐵a還是b，泵的排量在每個方向都是無級變量，并受到泵的驅動轉速和系統壓力的雙重影響。

2.2 馬達HA控制

本文選用的力士樂A6VM55EP變量馬達，采用的是排量HA控制，又稱高壓自動變量控制。設計合適的馬達排量與壓力的關系曲線，通過檢測馬達兩側最大壓力值，選擇相應的馬達排量，以適應外界負荷轉矩，這種馬達排量的控制稱為高壓自動變量控制(HA控制)[3]。液壓馬達的控制原理如圖4所示。

圖4 液壓馬達HA控制原理圖

圖4中，壓力先導閥通過兩個單向閥，獲取馬達兩側A和B的壓力，并以高低壓側的壓力最大值為控制壓力，先導閥中設置了馬達啟動排量對應的壓力起始值，控制壓力一超過壓力起始值，電磁閥開啟，控制馬達行程缸的活塞桿位移，通過行程缸內活塞桿的行程變化來控制馬達的排量大小，實現馬達排量隨系統壓力自動調控。

馬達排量隨壓力變化的控制關系通常是預先設定的，本文設計的馬達排量-壓力關系如圖5所示。

圖5 馬達排量-壓力控制

圖5中，馬達的啟動排量比為0.35，當壓力小于P0(啟動壓力)時，馬達保持啟動排量比；當壓力大于P0小于PH(額定壓力)時，馬達排量與壓力呈線性正比關系；當壓力大于PH時，馬達排量保持全排量。工程上一般設置額定壓力和啟動壓力的差值△P不大于10MPa[4]，這是為了提高馬達排量對壓力變化的響應靈敏度，上文匹配的額定壓力為32MPa，選取10MPa作為壓差值，因此啟動壓力設計為22MPa。

3 液壓傳動系統建模與仿真分析

3.1 模型搭建

AMESim是可用于多學科領域的系統建模與仿真平臺，包含了豐富的元件應用庫，包括機械庫、信號控制庫、液壓庫、液壓元件設計庫、動力傳動庫、液阻庫、電機及驅動庫、冷卻系統庫等，用戶可以通過拖拽直接使用其內的元件進行建模[5]。

根據上文對液壓泵DA、液壓馬達HA靜態控制的研究和圖2繪制的液壓系統工作原理圖，利用AMESim軟件搭建液壓系統物理模型，如圖6所示。

圖6 液壓傳動系統模型

3.2 仿真分析

設置發動機轉速在第一秒內由零增長到1300r/min，而后維持在1300r/min，電磁換向閥的啟動電信號設為40A，壓力截止閥的截止壓力設為元件最大工作壓力450bar，補油泵溢流壓力設置為15bar，沖洗閥的沖洗壓力設置為10bar，馬達的啟動排量設為19.25ml/r(0.35βm)，馬達啟動排量對應的啟動壓力設置為220bar，外加負載轉矩設置為50N，仿真時間設為12s。

負載轉矩變化曲線如圖7所示。由圖可知，負載轉矩在0～1s內從50Nm(外加轉矩)增長到50.10Nm，1～6.5s內由于負載轉矩中的黏性轉矩受馬達轉速的影響產生劇烈震蕩，最終在6.5后穩定于50.175Nm。

液壓馬達排量和工作壓力仿真結果如圖8所示。前1秒內，發動機轉速增大到1300r/min，系統工作壓力隨之迅速提升至45MPa，1～6.5s內由于負載轉矩的劇烈變換，系統壓力在39～45MPa之間波動，6.5s后壓力穩定為39MPa，壓力值始終在最大壓力45MPa之下，液壓系統能正常工作。

圖7 負載轉矩變化圖

圖8 系統壓力與馬達排量對比圖

對比系統壓力和馬達排量曲線，在0.5秒之前，工作壓力一直在上升，而馬達排量保持最小啟動排量19.25ml/r不變，直到壓力達到起始壓力22MPa。此時，馬達排量開始增長，當工作1s后，工作壓力達到額定壓力32MPa，馬達排量達到最大排量55ml/r，此后，即使工作壓力繼續增加，排量保持最大值不變。系統壓力和馬達排量的變化符合馬達HA控制的要求。

圖9 馬達轉速曲線圖

馬達的轉速仿真結果如圖9所示。由圖可知，在第1s內，由于發動機轉速的增加，馬達轉速近視線性增長；在1～6.5s內馬達轉速受到波動的工作壓力的影響，在1750r/min～3000r/min內呈增長式劇烈波動；直到6.5s后，由于發動機轉速恒定，工作壓力也保持穩定，馬達轉速達到了穩態，穩定在3125r/min。

6 結語

根據液壓泵DA控制和馬達HA控制設計的液壓傳動系統，在調控工作壓力和排量上具有良好效果，系統能根據發動機轉速和外加負載自動調節系統壓力和排量，使系統處于合理的工作狀態。但是這種靜態控制也存在不足，即在對馬達輸出轉速的控制上存在缺陷，馬達轉速在達到穩態前的超調過大，且震蕩頻率劇烈，馬達穩態調控的速度較慢，不利于有精密要求的液壓系統。因此，需要研究一種控制方法(如自適應控制)，加強對液壓馬達轉速的控制，使達到超調小、擾動小、穩態響應快的要求。