张斐孟玉婷

基于AMESim的前桥辅助驱动系统的建模与仿真研究∗

张斐1孟玉婷2

（1.陕西警官职业学院西安710021）（2.长安大学西安710064）

论文利用AMESim软件对前桥辅助驱动系统进行了建模与仿真，得到了前桥辅助驱动系统的动态性能响应，为了验证开启辅助驱动系统后，整车牵引性能的改进情况，对前桥独立驱动、后桥独立驱动、前后桥联合驱动的三种模式进行了对比仿真。结果表明：开启前桥辅助驱动系统后，输出的扭矩增大，车辆牵引性能得到提升。

AMESim；前桥辅助驱动系统；建模与仿真

Class NumberTP319

1引言

非公路宽体自卸车是一种用于露天场合进行矿石运输以及岩石土方运输等任务的重型自卸车，体积大、吨位大、作业环境恶劣、行驶路况复杂。在实际作业过程中，经常出现后轮陷入泥坑、爬坡性能不足、轮胎打滑等现象。因此研究非公路宽体自卸车前桥辅助驱动系统具有重要意义。

为此，很多学者对前桥辅助驱动技术进行了研究研究，吉林大学在国内首次提出的轮毂马达驱动系统［1～2］，明显提高车辆在低附着路面上的通过性能；张中尧等提出了为轮式摊铺机加装前桥电控辅助驱动系统的方案［3］，提高整车驱动的平稳性；迟峰等提出了平地机前轮辅助驱动系统的发明专利［4］；李相华提出了一套液压轮毂马达辅助前桥系统方案，利用蓄能器作为能量回收装置，实现对整车制动过程中部分动能的回收；林一楠提出了矿用自卸车的电辅助驱动方案，通过增加前轮附着力提高整车的附着重量［5］；张晋华提出了矿用车的前桥静液辅助驱动系统方案，通过控制变量泵的排量实现对转速的控制［6］。以上研究多数集中在液压混合动力驱动技术方面，缺乏对不同工况下的仿真研究，相关结果不能直接用于非公路宽体自卸车。

基于此，本文提出以自卸车举升系统的液压泵为动力源的前桥辅助驱动系统方案，利用AMESim软件对不同载荷下的动态性能进行研究。

2前桥辅助驱动系统的仿真与分析

AMESim软件包含了建立前桥辅助驱动系统所需的各个元件的物理模型［7］。根据前桥辅助驱动系统的液压原理图，结合原车驱动系统的结构，利用AMESim软件库可建立非公路宽体自卸车驱动系统的仿真模型，如图1所示。

图1 非公路宽体自卸车驱动系统仿真模型

由于非公路宽体自卸车工作路况复杂多变，行驶过程中负载复杂且波动很大［8］。因此，本文通过对阶跃信号、斜坡信号随机突变信号模拟不同的负载，研究非公路宽体自卸车前桥辅助驱动系统在阶跃载荷、斜坡载荷及随机突变载荷下的动态响应性能。

2.1驱动系统对阶跃载荷的响应

在仿真时，负载采用阶跃信号，如图2所示，将驱动轮的扭矩从20kNm分别阶跃到40kNm、50kNm、60kNm，观察驱动系统的输出扭矩、输出转速对阶跃载荷的响应情况，以及液压系统的压力、流量对阶跃载荷的响应情况，其仿真结果如图3～4所示。

图2 负载扭矩

图3 驱动系统输出扭矩及转速对阶跃载荷的响应曲线

图4 液压系统压力及流量对阶跃载荷的响应曲线

当驱动轮的载荷从20kNm阶跃到40kNm、50kNm时，载荷越大，系统的稳定时间越短，响应越快，且驱动系统的输出转速和液压系统的流量比较稳定；当驱动轮的载荷从20kNm阶跃到60kNm时，驱动系统的输出转速和液压系统的流量快速降低，几乎为零，压力达到液压系统的最大压力，可见此时负载已经达到过载载荷，车轮转速急剧下降，系统输出的扭矩无法满足负载需求，发动机的转速会降低，甚至熄火。

2.2驱动系统对斜坡载荷的响应

在仿真时，负载采用斜坡信号，如图5所示，将驱动轮的载荷从10kNm分别以0.2s、0.4s、0.6s达到40kNm，观察驱动系统的输出扭矩、输出转速对斜坡载荷的响应情况，以及液压系统的压力、流量对斜坡载荷的响应情况，其仿真结果如图6～7所示。

当驱动轮的载荷从10kNm分别以0.2s、0.4s、0.6s达到40kNm时，载荷变化坡度的大小对驱动系统的输出扭矩、输出转速以及液压系统的压力、流量的影响不大，稳定时间均在0.5s左右。

图5 负载扭矩

图6 驱动系统输出扭矩及转速对斜坡载荷的响应曲线

图7 液压系统压力及流量对斜坡载荷的响应曲线

2.3驱动系统对随机突变载荷的响应

在仿真时，采用如图8所示的突变负载，驱动轮的载荷从30kNm突然增大到50kNm、突然减小到10kNm，观察驱动系统的输出扭矩、输出转速对突变载荷的响应情况，以及液压系统的压力、流量对突变载荷的响应情况，其仿真结果如图9～10所示。

从仿真的响应曲线可得，当驱动轮遇到随机突变载荷时，驱动系统的输出扭矩和液压系统的压力波动小，响应快，稳定时间为0.4s；驱动系统的输出转速和液压系统的流量波动相对较大，稳定时间为0.6s。

图8 负载扭矩

图9 驱动系统输出扭矩及转速对斜坡载荷的响应曲线

图10 液压系统压力及流量对斜坡载荷的响应曲线

3前后桥联合驱动的仿真

当非公路宽体自卸车遇到大负荷工况时，需要开启前桥辅助驱动系统，自卸车行驶系统的工作模式由后桥驱动切换成前后桥联合驱动［9］，本文对前桥独立驱动、后桥独立驱动、前后桥联合驱动的三种模式进行对比仿真。

3.1斜坡载荷下的对比仿真

在仿真时，负载采用斜坡信号，如图11所示将驱动轮的载荷从10kNm以一定的斜率增大到20kNm，观察三种驱动模式下输出扭矩的大小关系及响应情况，以及前后桥联合驱动模式下前后轮的转速对比，其仿真结果如图12～13所示。

图11 负载扭矩

图12 驱动系统输出扭矩对比曲线

图13 驱动系统输出转速对比曲线

如图12所示，曲线1为后桥驱动模式下后轮的输出扭矩曲线，曲线2为前桥驱动模式下前轮的输出扭矩曲线，曲线3为前后桥联合驱动模式下前后轮共同的输出扭矩曲线。自卸车遇到斜坡载荷时，后桥驱动的响应最快，前后桥联合驱动的响应最慢［10］。当载荷达到20kNm时，后桥驱动的输出扭矩为23216.6Nm，前桥驱动的输出扭矩为13581.69Nm，前后桥联合驱动的输出扭矩约为36543Nm。开启前桥辅助驱动系统后，整车的输出扭矩提高了57.4%，牵引性能得到提升，达到了加装前桥辅助驱动系统的目的。

如图13图所示，前后桥联合驱动模式下，前轮转速响应的波动较大，后轮转速响应的波动小，且响应快。当载荷达到20kNm，前后轮转速稳定后，前轮转速为13.35rev/min，后轮转速为13.72rev/ min，前轮转速略小于后轮转速，同步精度为2.7%。

3.2阶跃载荷下的对比仿真

在仿真时，负载采用阶跃信号，如图14所示将驱动轮的载荷从10kNm突然增大到30kNm，观察三种驱动模式下输出扭矩的大小关系及响应情况，以及前后桥联合驱动模式下前后轮的转速对比，其仿真结果如图15～16所示。

图14 负载扭矩

图15 驱动系统输出扭矩的对比曲线

图16 驱动系统输出转速的对比曲线

如图15所示，曲线1为后桥驱动模式下后轮的输出扭矩曲线，曲线2为前桥驱动模式下前轮的输出扭矩曲线，曲线3为前后桥联合驱动模式下前后轮共同的输出扭矩曲线。自卸车遇到阶跃载荷时，后桥驱动的相应最快，前后桥联合驱动的响应最慢。当载荷达到30kNm时，后桥驱动的输出扭矩为29813.14Nm，前桥驱动的输出扭矩为20120.23Nm，前后桥联合驱动的输出扭矩约为49640Nm。开启前桥辅助驱动系统后，整车的输出扭矩提高了66.5%，牵引性能得到提升，达到了加装前桥辅助驱动系统的目的。

如图16所示，前后桥联合驱动模式下，前轮转速响应的波动较大，后轮转速响应的波动小，且响应快。当载荷在10kNm，前后轮转速稳定时，前轮转速为3.86rev/min，后轮转速为3.89rev/min，前轮转速略小于后轮转速，同步精度为2.28%；当载荷达到30kNm，前后轮转速稳定后，前轮转速为22.93rev/min，后轮转速为23.46rev/min，前轮转速略小于后轮转速，同步精度为0.77%。

4结语

1）仿真得到了前桥辅助驱动液压系统在阶跃载荷、斜坡载荷以及随机突变载荷下，驱动系统的输出扭矩、输出转速对载荷的响应情况。

2）仿真得到了非公路宽体自卸车的行驶驱动系统在阶跃载荷、斜坡载荷下，前桥独立驱动、后桥独立驱动、前后桥联合驱动三种模式的系统响应情况。结果表明，开启前桥辅助驱动系统后，输出的扭矩增大，车辆牵引性能得到提升，达到了加装前桥辅助驱动系统的目的。

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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

国家自然科学基金项目《基于层次堆聚理论的并联机器人动力学建模与约束更随控制方法研究》（编号：51605038）；《深变环境对大深度油压源动力特征的作用机制及迁移规律研究》（编号：51509006）；陕西省教育厅专项科研计划项目（编号：14JK2023）；陕西省自然科学基金“旋挖钻机钻杆振动机理及振动能量转迁耗散规律研究”（编号：2017JQ5081）资助。

张斐，男，硕士研究生，讲师，研究方向：计算机工程软件仿真。孟玉婷，女，研究方向：工程机械。