基于AMESim的矿用汽车全液压转向系统建模与仿真

孟兆磊，姜勇，王娟，何建成

(1.北京科技大学资产管理处，北京 100083;2.北京矿冶研究总院，北京 100160)

基于AMESim的矿用汽车全液压转向系统建模与仿真

孟兆磊1，姜勇2，王娟2，何建成2

(1.北京科技大学资产管理处，北京 100083;2.北京矿冶研究总院，北京 100160)

以SGA170矿用汽车全液压转向系统为研究对象，利用AMESim仿真软件对全液压转向系统进行机械－液压耦合建模，并进行动态特性仿真分析，获取了各种工况下的全液压转向系统与转向执行机构之间的动态特性及其仿真曲线，为大型矿用汽车全液压转向系统的合理设计和分析提供理论参考与技术支持，具有重要的工程应用价值。

全液压转向系统;AMESim;动态特性;建模与仿真

转向系统是矿用自卸汽车最为重要的系统之一，其功用是操纵车辆的行驶方向，既要能保持车辆沿直线行驶的稳定性，又要能保持车辆转向的灵活性［1］。转向性能是保证车辆安全行驶的重要因素。矿区道路状况一般都比较恶劣，为了减轻驾驶人员的劳动强度，在重型矿用自卸汽车上，全部都采用全液压动力转向［2－3］。

文中以SGA170矿用汽车全液压转向系统为研究对象，利用AMESim软件对全液压转向系统进行机－液耦合建模和仿真，获取全液压转向系统与转向执行机构之间的作用机制和动态特性，为全液压转向系统的设计和分析提供理论参考和技术支持。

1 SGA170矿用汽车全液压转向系统设计

1.1 典型全液压转向系统

全液压转向是在转向盘与转向操纵机构之间，不需要用连杆连接的一种液压动力转向型式，具有操纵轻便灵活、结构简单、价格便宜、整机安装布置方便等优点［4－7］。全液压转向系统由液压泵、转向器 (及配用阀块)、安全阀、双向缓冲阀、单向阀和导向轮等部分组成。全液压转向系统与其他转向系统相比较，具有如下特点:

(1)用来操纵方向盘的力矩小，操纵轻便灵活，可大大减轻驾驶员的劳动强度。

(2)转向系统组成元件少，元件尺寸小，质量轻，使整个转向系统结构紧凑。

(3)转向器与转向油缸之间仅用油管连接，布置灵活方便，不受机构位置的限制。

(4)能在发动机熄火的情况下实现人力转向。

图1所示为4种典型全液压转向系统回路图。可根据实际需要进行选择。图 (a)为开芯无反应式转向回路;图 (b)为闭芯无反应式转向回路;图 (c)为静态信号型负载传感转向回路，必须同时采用静态信号型负载传感转向器和静态信号型优先阀;图 (d)为动态信号型负载传感转向回路，必须同时采用动态信号型负载传感转向器和动态信号型优先阀。

图1 典型全液压转向系统回路图

1.2 SGA170矿用汽车全液压转向系统

SGA170型电动轮矿用自卸汽车转向系统采用的是全液压转向系统，系统液压原理如图2所示。

图2 典型全液压转向系统回路图

该系统流量大压力高，采用插装阀，同时插装阀还具有结构紧凑、集成化程度高等特点。为实现应急转向，采用常压式转向液压系统，不转向时，转向液压泵1向蓄能器12中充液;转向时，蓄能器向转向器供油;发动机不工作时，蓄能器中的油液可以实现应急转向。转向器阀块10中的双向缓冲补油阀保证当转向轮受到较大冲击时，转向动力缸中的油液及时溢流，保护转向机构不受破坏。由于转向系统流量大，充液阀不能满足要求，这里采用压力继电器对蓄能器充液进行控制。当蓄能器压力低于14 MPa时蓄能器充液;待蓄能器压力达到17 MPa时，自动停止充液。

2 基于AMESim的全液压转向系统建模与仿真

2.1 全液压转向系统模型的建立

SGA170全液压转向系统大致分为转向器模块、转向机械执行部分模块、控制元件类模块和压力源类模块等4个模块。根据SGA170全液压转向系统原理图，建立基于AMESim的全液压转向系统仿真模型［8－10］，如图 3 所示。

图3 全液压转向系统仿真模型图

2.2 全液压转向系统模型仿真分析

对全液压转向系统仿真模型中各个参数进行设置，对每个元件采用AMESim中的优先模型子模型，总时间为 4 s，间隔为0.001 s;选择标准步长积分器，单信号仿真，其他都采取系统默认的条件，模拟方向盘给出的信号是阶跃信号，即模拟驾驶员在突然转动方向盘时整个系统的动态响应。输入信号如图4所示。

2.2.1 转向器动态特性及其仿真分析

全液压转向器的4个节流口由输入的信号决定开口状态，从而通过不同形式的输入信号来替代转向器不同的工作方式。图5—7所示分别为转向器节流口在不考虑蓄能器和胶管弹性、不考虑蓄能器作用但考虑胶管弹性、同时考虑蓄能器作用和胶管弹性下的进油口压力变化曲线。

图4 输入信号大小随时间变化曲线

图5 转向器节流口进油口压力随时间变化曲线 (不考虑蓄能器和胶管弹性)

图6 转向器节流口进油口压力随时间变化曲线 (不考虑蓄能器作用但考虑胶管弹性)

图7 转向器节流口进油口压力随时间变化曲线 (考虑蓄能器作用和胶管弹性)

从图5—7可以看出:考虑胶管的弹性对进油口的压力波动有非常明显的改善，再加上蓄能器的缓冲作用使压力波动很小。当然同时不考虑液压管和蓄能器的作用只是理论的状况，在现实中不存在。同时通过这3个图还可以看出:在考虑了胶管的弹性和蓄能器的缓冲作用后，响应出现了一定的延迟，即液压系统的响应速度降低。

2.2.2 转向缸动态特性及其仿真分析

转向缸是全液压转向系统的机械执行部分，转向过程中转向缸内各个参数的变化是非常复杂的。通过转向系统仿真模型可以看出液压缸工作腔和转向器节流口1之间由一根液压管相连，所以可以得出两者的压力变化情况也是一样的，因此在3种条件下 (不考虑蓄能器和胶管弹性、不考虑蓄能器作用但考虑胶管弹性、同时考虑蓄能器作用和胶管弹性)转向缸工作腔的压力变化情况如图8—10所示。

图8 转向拉杆受力随时间变化曲线 (不考虑蓄能器和胶管弹性)

图9 转向拉杆受力随时间变化曲线 (不考虑蓄能器作用但考虑胶管弹性)

图10 转向拉杆受力随时间变化曲线(考虑蓄能器作用和胶管弹性)

从图8—10可以看出:3种状态下 (不考虑蓄能器和胶管弹性、不考虑蓄能器作用但考虑胶管弹性、考虑蓄能器作用和胶管弹性)呈现类似的变化，不同的是在t=1 s左右出现波动后在t=2 s时再次出现波动，主要原因是转向缸工作腔内出现了第二次压力的上升，所以引起了转向拉杆受力的波动。

2.2.3 轮胎动态特性及其仿真分析

图11—13为矿车轮胎加速度随时间变化曲线，这3张图的曲线变化规律原理等同上一节的转向拉杆受力情况，不同的是在这3张图的对比中，轮胎加速度值出现第二次波动的延迟现象非常明显。

图11 轮胎转向加速度随时间变化曲线 (不考虑蓄能器和胶管弹性)

图12 轮胎转向加速度随时间变化曲线 (不考虑蓄能器作用但考虑胶管弹性)

图13 轮胎转向加速度随时间变化曲线(考虑蓄能器作用和胶管弹性)

3 结论

液压系统对转向系统性能的影响是两方面的:一方面可以缓冲汽车行驶过程中转向机构受到的冲击载荷;另一方面又会引起转向响应速度的迟缓。进行转向液压系统设计时，要权衡这两个方面对液压胶管的要求，通过试验选用液压胶管合适的尺寸和性能参数，使其对转向响应时间的影响限制在某一范围内，又能使其尽可能多地吸收车轮受到的冲击载荷。

［1］王常友.汽车转向系统的现状及发展趋势［J］.北京汽车，2007(3):7－10.

［2］杨耀东.矿用自卸汽车液压举升和转向系统仿真与优化［D］.北京:北京科技大学，2005.

［3］赵遵平.SF33900型电动轮矿用自卸车液压系统设计与动态分析［D］.长沙:中南大学，2008.

［4］雷军波.全液压转向系统的静动态理论建模仿真［D］.泉州:华侨大学，2006.

［5］王浩孚，张荣昌.摆线式全液压转向器困油的研究［J］.机床与液压，1994(3):156－160.

［6］曾辉，赵静一.自行走全液压载重车转向系统仿真与实验研究［J］.燕山大学学报，2009(2):103－108.

［7］胡殿琴.重型车辆全液压转向系统的故障分析与排除［J］.装备制造技术，2008(8):159 －160.

［8］姜勇.基于AMESim的复合轮式海底车液压驱动系统建模与仿真系统建模和仿真［J］.机床与液压，2012，40(13):140－142.

［9］付永领，祁晓野.AMESim系统建模和仿真从入门到精通［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［10］王康康.基于AMESim和Simulink的汽车电动助力转向系统的联合仿真［J］.机床与液压，2008，36(6):128－130.

Modeling and Simulation of Full Hydraulic Steering System in Mining Truck Based on AMESim

MENG Zhaolei1，JIANG Yong2，WANG Juan2，HE Jiancheng2
(1.Assets Management Department，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China)

The full hydraulic steering system of SGA170 mine truck was used as research object，its dynamic characteristicswas simulated by AMESim，the characteristics and simulation curves of the steering system and the steeringmechanism under various conditions were obtained，which provided theoretical reference and technical support to the design and analysis of full hydraulic steering system of the heavy-dutymine truck，and had important value in engineering.

Full hydraulic steering system;AMESim;Dynamic characteristic;Modeling and simulation

TP242.6

A

1001－3881(2014)10－111－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.034

2013－04－17

孟兆磊 (1979—)，硕士，助理研究员，研究方向为资产管理、实验室管理等。E－mail:mzl@ustb.edu.cn。通信作者:姜勇，E－mail:jiangyong23@163.com。