液壓機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模與研究

程紅玫

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030031）

液壓機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建模與研究

程紅玫

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030031）

本文以某履帶車(chē)輛多段式高功率密度液壓機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，綜合運(yùn)用CAD/CAE等多種軟件，建立整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的三維虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其各種動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究。首先應(yīng)用MSC.ADAMS軟件建立系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)部分的虛擬樣機(jī)模型，然后應(yīng)用AMESim軟件建立液壓傳動(dòng)部分的仿真模型，并將各子系統(tǒng)在AMESim中集成為整個(gè)系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真虛擬樣機(jī)模型。并針對(duì)所建立的離合器、行星排、液壓泵馬達(dá)等仿真模型進(jìn)行初步的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證所建立虛擬樣機(jī)模型的正確性。

液壓機(jī)械傳動(dòng) 虛擬樣機(jī) 協(xié)同仿真 動(dòng)態(tài)特性

引言

隨著液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的多方面應(yīng)用，對(duì)液壓機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和性能的要求隨之提高，虛擬樣機(jī)技術(shù)由于其在設(shè)計(jì)之初就能夠全程指導(dǎo)和幫助完成液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用。本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)的各個(gè)部件建立的建?？梢杂脕?lái)進(jìn)行綜合傳動(dòng)系統(tǒng)的加速性，換段過(guò)渡階段的動(dòng)力計(jì)算，轉(zhuǎn)向動(dòng)力性等仿真。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬樣機(jī)建模

在轉(zhuǎn)矩發(fā)生器子模型中，將發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性轉(zhuǎn)矩作為施加在曲軸系上的指示轉(zhuǎn)矩。在ADAMS中利用Akima曲面擬合技術(shù)，將某型號(hào)全程調(diào)速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的一組部分特性曲線擬合為部分特性曲面。根據(jù)部分特性曲面，插值出任意油門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的指示轉(zhuǎn)矩值：

式中ωE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，α為油門(mén)開(kāi)度，surface_engine為發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲面，0表示輸出插值點(diǎn)坐標(biāo)值。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)外特性：

式中Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，PeP為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，neP為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Te為：

2 離合器模型

2.1 動(dòng)態(tài)特性建模

離合器在結(jié)合過(guò)程中，整個(gè)離合器受到如下幾個(gè)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(nèi)液體產(chǎn)生的靜壓力，Apiston為活塞的截面積。

（2）旋轉(zhuǎn)的油缸內(nèi)的液體產(chǎn)生的作用在活塞上的離心力Fω（當(dāng)考慮非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，此力可以忽略）。

如果假定液體的旋轉(zhuǎn)速度和油缸的旋轉(zhuǎn)速度相等，則Fω可由式（5）計(jì)算：

式中R1為活塞小徑，R2為活塞大徑。

（3）活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)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(tài)到當(dāng)前值的壓縮長(zhǎng)度，而

式中l(wèi)0、l分別為彈簧在自由狀態(tài)下的長(zhǎng)度和初始?jí)嚎s狀態(tài)下的長(zhǎng)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(jì)算得到的力計(jì)算主被動(dòng)邊的滑摩力矩。滑摩力矩計(jì)算公式如式（8）所示：

式中z為摩擦副數(shù)；Req為摩擦片當(dāng)量摩擦半徑：

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

式中?ω為主從動(dòng)邊滑摩轉(zhuǎn)速差（rad/s），當(dāng)?ω=0時(shí)所得結(jié)果為靜摩擦系數(shù)。

2.2 虛擬樣機(jī)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(xiàn)為隨時(shí)間變化的函數(shù)，即Run-time函數(shù)。得到活塞的受力圖如圖1所示，離合器的虛擬樣機(jī)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(jī)模型

在離合器的滑磨階段，在離合器的主被動(dòng)邊上施加一個(gè)扭矩模擬離合器的滑磨力矩，扭矩的大小由公式（8）決定。當(dāng)離合器的主被動(dòng)邊的轉(zhuǎn)速同步時(shí)，進(jìn)入離合器的結(jié)合鎖止階段，此時(shí)滑磨轉(zhuǎn)矩失效，同時(shí)主被動(dòng)邊上的襯套力被激活，此襯套力相當(dāng)于一個(gè)大剛度的扭簧，令離合器的主被動(dòng)鎖止，穩(wěn)定等速的傳遞動(dòng)力，結(jié)合過(guò)程完成。離合器的分離過(guò)程與此相反，仿真劇本發(fā)出解鎖指令，失效襯套力，同時(shí)油壓下降，離合器開(kāi)始分離，當(dāng)活塞到達(dá)離合器油缸壁時(shí)，離合器的分離過(guò)程結(jié)束。

定義離合器各構(gòu)件的材料屬性，離合器的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)由軟件自動(dòng)計(jì)算得到，離合器主動(dòng)邊的初始速度取為2000r/min，被動(dòng)邊轉(zhuǎn)速取為1000r/min，阻力矩取為145Nm，輸入轉(zhuǎn)矩取為T(mén)i=-1.21564ni+2584.85，單位Nm。把主動(dòng)邊發(fā)動(dòng)機(jī)等的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和被動(dòng)邊車(chē)體等的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別加到離合器的主動(dòng)邊和被動(dòng)邊上?；匚粡椈傻膭偠热?.24×105N/m。摩擦片實(shí)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(jié)合、分離過(guò)程。

以上建立離合器虛擬樣機(jī)模型，不僅能反應(yīng)正常的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，還能準(zhǔn)確模擬離合器內(nèi)部構(gòu)件動(dòng)作變化，為整車(chē)動(dòng)力性能仿真提供基礎(chǔ)。

3 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模型

按照齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在虛擬樣機(jī)技術(shù)上的應(yīng)用類(lèi)型，可將齒輪嚙合模型分為四類(lèi)，分別是剛體的理想嚙合模型、彈性體的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(lèi)模型均被廣泛應(yīng)用在齒輪系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)技術(shù)中。本文基于動(dòng)力學(xué)基本原理和線性振動(dòng)理論，通過(guò)有目的的化簡(jiǎn)而建立齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型。此模型能夠滿(mǎn)足一般的齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的要求，可以考慮齒輪的嚙合特點(diǎn)，比如變剛度參數(shù)振動(dòng)，間隙非線性等，能夠得到如輪齒的動(dòng)態(tài)嚙合力，軸和軸承的受力和考慮齒輪系統(tǒng)的齒輪剛度和阻尼因素下的整體輸出的動(dòng)態(tài)情況。

4 傳動(dòng)軸模型

4.1 傳動(dòng)軸柔性體模型的建立

液壓機(jī)械綜合傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)軸系由傳動(dòng)軸及與其相連的齒輪、軸承等運(yùn)動(dòng)構(gòu)件組成。以所建綜合傳動(dòng)系統(tǒng)輸入軸系為例，說(shuō)明建立柔性體的過(guò)程，輸入軸系剛性零軸構(gòu)件的實(shí)體模型如圖3所示，輸入軸系的模態(tài)頻率分析結(jié)果見(jiàn)表1，柔性體模型如圖4所示。

圖3 輸入軸系實(shí)體模型

圖4 輸入柔性體模型

表1 輸入軸系的模態(tài)頻率分析結(jié)果（單位：Hz）

根據(jù)文獻(xiàn)中分析研究結(jié)果，在ADAMS中建立的柔性體模型和有限元模型的計(jì)算結(jié)果誤差在5%以?xún)?nèi)。而利用有限元計(jì)算零部件的頻率的正確性和精確程度是得到公認(rèn)的。因此，可以認(rèn)定在ADAMS中建立的柔性體模型進(jìn)行的仿真結(jié)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(shí)，需要指定柔性桿件的端點(diǎn)、剛性微桿數(shù)目、梁?jiǎn)卧獙傩?、端點(diǎn)連接方式。這種方法對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中軸系的建模較適合，既考慮軸中彈性與結(jié)構(gòu)阻尼的影響，又降低計(jì)算量，減小整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算規(guī)模，并且精度上也可滿(mǎn)足要求。

5 液壓泵馬達(dá)建模與仿真

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)液壓子系統(tǒng)中包含很多非線性時(shí)變單元，如液壓泵、馬達(dá)、閥等液壓?jiǎn)卧?。這些單元中包括間隙、遲滯、死區(qū)等非線性過(guò)程，為減少液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)液壓子系統(tǒng)建模的工作量、避免模型的不合理簡(jiǎn)化、提高模型的仿真精度，實(shí)現(xiàn)仿真軟件間的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，本文用AMEsim軟件建立液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)液壓子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

本文研究的液壓子系統(tǒng)是一高壓閉式液壓回路，其模型由變排量液壓?jiǎn)卧Ｐ?、定排量液壓?jiǎn)卧Ｐ汀⒏邏阂缌鏖y模型、補(bǔ)油泵模型、低壓溢流閥模型、補(bǔ)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(xì)的模型，這里不再論述；液壓泵、馬達(dá)的容腔容積同管路的容腔容積一起考慮；液壓系統(tǒng)的出油流量由液壓元件的容積效率參數(shù)確定；慣性元件用于描述與其相連的液壓泵、馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于虛擬樣機(jī)建模方法和仿真軟件建立離合器模型、齒輪傳動(dòng)模型、傳動(dòng)軸模型、軸承模型和液壓傳動(dòng)模型等子系統(tǒng)，仿真分析離合器結(jié)合過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，得出如下結(jié)論：（1）在離合器結(jié)合過(guò)程結(jié)束后，由于負(fù)載的變化，主被動(dòng)邊的轉(zhuǎn)速可能存在較大的速差，需用襯套力代替摩擦轉(zhuǎn)矩將主被動(dòng)邊鎖死；（2）傳動(dòng)軸柔性體模型可消除使用剛體模型時(shí)產(chǎn)生的冗余約束，在同一軸上有多點(diǎn)受力，并有相對(duì)位移時(shí)十分必要。

[1]蘇秀平，朱樓坤.液壓傳動(dòng)綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制[J].機(jī)床與液壓，2015，（20）：101-103.

[2]范明豪，祁炯.液壓傳動(dòng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望[J].液壓氣動(dòng)與密封，2015，（4）：1-6.

[3]蔣亞軍，胡軍科，趙斌.泵-馬達(dá)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的壓力拍振分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2015，（4）：52-55.

[4]盧鵬銘，溫步瀛.基于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)電并網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，（5）：85-91.

[5]王威，戴錦春，巫世晶.AMESim在液壓傳動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封，2014，34（10）：52-55.

[6]趙亮，丁禮磊，田文朋，楊波.液壓傳動(dòng)車(chē)輛起步壓力的仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2014，（5）：127-130.

[7]石茂順，劉宏偉.海流發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38，（3）：118-122.

[8]侯廣慧，劉宏偉.GQ045型公鐵兩用牽引車(chē)液壓傳動(dòng)及控制設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2014，（4）：25-27.

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