AMESim在《汽車液壓與氣壓傳動》教學中的應用探究

李曉鋒　吳耀宇

摘 要：針對《汽車液壓與氣壓傳動》這樣的應用型課程，提出將在工程領域應用廣泛的AMESim運用到具體的教學過程中。通過對比原理圖與AMESim軟件中搭建的仿真模型，演示軟件中“中控臺”與“動畫”的功能，分析仿真結果，得出軟件在教學過程中具有易用性、直觀性、參與性等特點。軟件強大的擴展性通過節流調速回路與挖掘機工作回路鮮明對比得以體現。AMESim在教學中的應用可強化對知識理解，激發學習興趣，達到培養具有一定創新能力的應用型人才的目標。

關鍵詞：AMESim 仿真 應用研究 液壓與氣壓傳動

Application of AMESim in the Teaching of “Automotive Hydraulics and Pneumatic Transmission”

Li Xiaofeng，Wu Yaoyu

Abstract：Aiming at application-oriented courses such as "Automotive Hydraulics and Pneumatic Transmission"， it is proposed to apply AMESim， which is widely used in the engineering field， to the specific teaching process. By comparing the schematic diagram with the simulation model built in the AMESim software， demonstrating the functions of the "center console" and "animation" in the software， and analyzing the simulation results， it is concluded that the software is easy to use， intuitive， and participatory in the teaching process. The powerful expansibility of the software is reflected by the sharp contrast between the throttle speed control circuit and the excavator working circuit. The application of AMESim in teaching can strengthen the understanding of knowledge， stimulate interest in learning， and achieve the goal of cultivating applied talents with certain innovative capabilities.

Key words：AMESim， simulation， application research， hydraulic and pneumatic transmission

1 引言

自上世紀40年代發展以來，液壓與氣壓傳動技術在機械自動化進程中起到巨大的促進作用，隨著汽車工業不斷發展，其在汽車領域也得到廣泛應用。作為定位應用型本科院校中的車輛工程專業，如何能夠將《汽車液壓與氣壓傳動》課程融入到專業課程體系中，使學生在本門課程的學習過程中，將機械、電氣控制融入液壓傳動技術當中。 該課程在傳統授課過程中，因涉及液壓元器件昂貴，實驗危險系數高，液壓油容易造成污染環境等原因，課程更多是通過教師對理論知識的講解、簡單液壓系統的演示、關鍵零部件的拆裝及簡單的實驗驗證等過程讓學生產生些許感性認知[1]，但這樣的授課過程中，學生缺乏學習的主動性、創新性與目的性。

出生于2000年以后的大學生，他們的成長正好伴隨著中國互聯網的發展，2018年以來，網絡課程得到蓬勃發展，在今年新冠疫情的特殊時期，更加促使網絡學習變成大學生獲取知識的重要途徑，如何有效引導學生學習、激發學生學習主動性成為高等教育教學改革的重要研究課題。本文將AMESim仿真軟件運用到《汽車液壓世紀與氣壓傳動》的教學過程中，利用AMESim搭積木式的圖形化建模與可視化的結果顯示，使得該課程靜態的內容動態化、抽象概念形象化;AMESim內置車輛庫、信號庫、仿真庫等多領域庫模型可以與液壓庫有機融合，使學生能夠在軟件中多元化的思考該課程知識的運用。AMESim軟件目前在車輛、航空航天、船舶上都有著廣泛應用，借助于該軟件學習，學生可以有效提高學習該課程內容的深度，知識的進一步深入進而提高學生軟件的應用能力，為后續進入社會工作準備一項技能。

2 軟件簡介

LMS Imagine. Lab AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）中文名稱為多學科領域的復雜系統建模與仿真平臺[2]，該仿真平臺上可以實現復雜的多學科領域的系統建模，同時可進行便捷的仿真計算和深入分析。在車輛領域中，可以進行如液壓制動系統、燃油噴射系統、液力轉向系統及各種工程車輛上的液壓系統仿真模型搭建。

AMESim經過幾十年的更新迭代，目前已具備多種不同的類型庫，機械庫、仿真庫和信號控制庫為軟件的3個標準庫，液壓庫、氣動庫、IFP、車輛動力學等多種可選庫，液壓原件設計庫等一批開發設計庫。不同元件庫的類型滿足不同設計者的需求[3]。軟件使用簡單而又標準元件符號，幫助用戶快速搭建出常用的物理模型，無須編寫任何程序代碼;用戶也可以根據自己的實際需求，利用HCD模塊搭建出自己需要的物理模型。直觀的圖形界面仿真結果展示，讓用戶方便分析仿真結果。多物理場仿真模型創建和運行，對應的參數設置，可完成分析復雜的系統特性。AMESim可與Simulink、Adams等軟件進行聯合仿真，軟件應用范圍進一步擴大。

3 軟件在教學中的應用

仿真軟件在教學中想要得到廣泛運用，其必須滿足簡單易用、學習成本低、可擴展性好、可視化強等特點。本文通過課程中的兩個知識點來介紹AMESim軟件不同方式的可視化功能在教學中的應用，①通過基本液壓回路-節流調速在AMESim軟件中模型搭建及仿真來介紹軟件的易用性。②通過復雜液壓回路-液壓挖掘機在AMESim軟件中的搭建及仿真介紹軟件的擴展性。

3.1 AMESim在基本液壓回路教學中的應用

圖1是教材中第七章液壓基本回路課程中節流調速回路的工作原理圖[4]，從原理圖可以看出，該回路主要有定排量液壓泵、溢流閥、節流閥與液壓缸等組成，通過該回路學生可以學習節流調速回路中節流閥的變化引起液壓缸中流量、負載、速度等變化情況。圖2是根據圖1在AMESim軟件中建立的仿真模型，主要使用的庫有Hydraulic（液壓庫）、1D Mechanical（1維機械庫）、Signal Control（信號控制庫），通過兩圖對比可以發現，在該仿真軟件中搭建的模型與教材提供的原理圖基本一致，學生在模型搭建過程中根據工作原理圖將很容易通過圖形拼接搭建完成。但搭建模型仍需要學生進行思考的有如下三個方面：（1）液壓泵的驅動如何提供，本文用1維機械庫中的電機模型，電機的轉速通過信號控制庫中的恒定信號設置;（2）系統中的節流閥開度通過信號庫中的信號控制庫中的分段線性信號進行調節;（3）液壓缸的負載通過1維機械庫中的質量塊M和加載在負載塊上的負載力（負載力通過信號庫中的恒定信號設置）進行確定。

在AMESim軟件中完成模型搭建后，通過調節模型中的各種參數，可嘗試獲得各種理論假設結果。這種獲得方式可使學生在知識的探究過程中更具參與感，對結果的理解更加深刻，同時學生設計自主的仿真方案，按照自己的假設進行對應的仿真研究，可大大提升對本課程內容的學習興趣。應用型本科院校車輛工程專業在該課程的課程標準中強調學生在理解原理的基礎上學生對對知識的運用，該仿真軟件能夠讓學生充分發揮自己的創造力，將學習到的知識運用到實際具體的場景當中，軟件的車輛模塊可使學生在將液壓知識在車輛中有更多的探索。

課程中為研究節流閥開度與液壓缸負載之間的關系，在軟件的批處理設定液壓缸的多個負載進行研究節流閥開度對液壓缸速度的影響、本文將負載設置為8000N、9000N、10000N、11000N及12000N（大于液壓缸的最大驅動力），節流閥開度從完全關閉到逐漸打開，通過兩個參數的變化進而研究節流閥開度在不同負載下的速度特性，仿真結果如圖3所示。在仿真結果曲線中，我們可以看出：①隨著負載的增大，液壓缸的在相同節流閥開度的情況下，速度更低;②在負載一定時（負載大于液壓缸的最大驅動負載外）、節流閥的開度與液壓缸的速度正相關。這兩個結論與教材中給出的負載與速度剛性之間的結論一致。在這個仿真模型中、還可以改變模型中液壓缸有效的工作面積與通過溢流閥調整液壓泵的最大供油壓力來觀察液壓泵的供油壓力分別對液壓缸的速度剛性的影響。

AMESim軟件提供的繪圖管理器可以幫助我們處理各種直接或間接的仿真數據、獲得需要的仿真結果，但在教學過程，直觀可視化的數據展現形式更容易讓學生理解一些枯燥的概念。針對教學過程這一特點，新版AMESim軟件中提供的“中控臺”功能可以很好的幫助我們實現教學過程這個要求。如圖4所示，可以使用中控臺中的控制模塊的滑塊，關聯節流閥參數調整參數，直接調整節流閥的開度，觀察對應的仿真結果;使用顯示模塊中的顯示部件，通過關聯對應參數，即可在各種儀表中實時顯示液壓泵的轉速、液壓缸的移動速度及系統當前的系統壓力情況。中控臺中便捷的參數控制與直觀的數據展示可進一步激發學生的學習興趣。

3.2 AMESim在綜合液壓回路教學中的應用

在汽車典型液壓系統中授課過程中，液壓挖掘機的工作過程涉及到該課程的多個知識點，屬于該章節的重點學習部分。在傳統的教學中，大部分院校都不具備讓學生在挖掘機上進行相關實驗的條件，學生只能通過任課教師的理論講解去了解其工作原理，學生參與感較差，對很多該部分涉及的知識點理解較為淺顯。

AMESim軟件提供強大的動畫功能，如圖5所示為在仿真軟件的動畫模塊下建立的液壓挖掘機的三位模型，該模型可真實直觀的展示液壓挖掘機破土、裝土、提升回轉、卸土[5]、返回第二次挖掘的過程，學生可以通過軟件提供的幫助文件中的這個仿真模型，直接仿真可以觀察挖掘機的整個工作過程，在該動畫模型的基礎上，學生可以結合《機械原理》《機械制圖》《機械控制基礎》等前序課程的知識，對此模型進行優化改進。迭代的學習過程不僅可讓學生充分認識到專業基礎課程的重要性，同時還能讓學生感受到多學科交叉融合學習的成就感，提升對后續課程的學習動力。

軟件中搭建的液壓挖掘機仿真該模型可使用三維機械庫、液壓庫、動力驅動庫、信號控制庫進行搭建。仿真結果數據與動畫模塊中液壓挖掘機模型進行實時數據交互，在數據驅動下的挖掘機模型直觀的展示挖掘機的工作狀態，有效提升學生學習興趣;在仿真模型中可進行便捷的模型修改與參數設置，實現學生千人千面的學習效果，為學生提供主動創新的虛擬仿真實驗平臺。

4 結語

本文通過將AMESim 仿真軟件引入到《汽車液壓與氣壓傳動》課程中，實現本門課程理論與實驗教學過程的創新。在理論教學方面、教學過程更加生動形象，學生可以有更強的參與感，幫助學生能夠更好地去理解教材中抽象的理論知識;在實驗教學方面，不僅有效彌補液壓課程實驗條件的限制，而且學生可以通過軟件設計驗證更多創新型實驗，真正做到以學生為中心的教學理念。

AMESim仿真軟件在車輛、液壓等行業的廣泛應用，同時和其它軟件之間有著較為豐富的接口，學生在使用軟件進行課程知識學習的過程中，可以將其它課程中學習的成果（如Adams中的運動模型、Simulink中的控制模型）與本課程內容（液壓模型）結合起來，實現課程間的成果相互融合，互為迭代。仿真軟件的使用和練習還可以為對后續專業課程中汽車制動、懸架、轉向、自動變速箱等涉及液壓部分的計算機輔助設計打下良好的基礎。

基金項目：鄭州工程技術學院重點教學改革項目《基于創新、應用型人才培養的液壓與氣壓傳動課程教學改革研究與實踐》項目編號：ZGJG2019008A。

參考文獻：

[1]林峰.仿真軟件在液壓與氣壓傳動教學中的應用[J].創新教育.2020，05：199-200.

[2]常寧，黃尊地. AMESim軟件在軌道交通車輛制動課程教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2018.06（291）：57-59.

[3]馬恩，韓軍良，宗榮珍等.《液壓與氣壓傳動》課程工程案例教學方法的研究[J].時代汽車.2019，2：66-67.

[4]齊曉杰.汽車液壓與氣壓傳動（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2019.

[5]孫治國.與氣壓傳動課程數字化教學改革與實踐[J].內燃機與配件，2018，23：250-251.