静液压传动车辆试验台轮边加载系统的仿真研究

赵 亮 ，王 瑾

（1.陕西理工大学机械工程学院，陕西 汉中723001；2.陕西理工大学陕西省工业自动化实验室，陕西 汉中723001）

疲劳特性是工程车辆油气悬架一个非的常重要性能指标[1]，关系到整个工程车辆的使用寿命，因此对液压传动车辆的油气悬架疲劳特性的测试就非常重要，在进行疲劳特性测试时，需要模拟工程车辆实际的行驶工况。液压二次调节技术是20世纪70年代末发展起来的一项技术，可以回收和重新利用能量，具有很好的节能效果[2，3，4]，本文是采用液压二次调节技术，进行了液压传动车辆试验台轮边加载系统的设计，模拟车辆的实际行驶工况，利用AMEsim软件建立了实验台轮边加载系统的仿真模型，并进行了仿真分析。

1 单边加载液压系统工作原理

单边加载液压系统的工作原理如图1所示，主要包括发动机1、变量液压泵2、蓄能器3、溢流阀4、液压马达5、节流阀6和加载液压泵7。发动机1和变量液压泵2相连，通过静液压驱动液压马达5，液压马达5的输出轴和加载液压泵7的输入轴相连，加载液压泵的输出液压油给液压马达5，以达到节能的效果。

图1 单边加载液压系统原理图

2 车辆的行驶工况参数计算

2.1 行驶阻力

行驶的过程中，底盘提供的驱动力和所受到的阻力应保持平衡关系，车辆的行驶方程为：

式中：Ft为行驶阻力；Ff为滚动阻力；Fw为迎风；Fi为坡道阻力，Fi=Mgsinα；Fj为加速阻力。

2.2 最高车速时的驱动力计算

车辆在平地上以最高车速行驶时，爬坡度α＝0，加速阻力 Fj＝ 0，坡道阻力 Fj＝ Mgsinα =0，根据设计的最高车速，车轮需要的驱动力为：

给定车辆的参数后就可以确定车轮需要的驱动力，代入参数 M=84 000 kg，CD=0.8，f=0.012，A=5.5 m2，得最高车速时所需的驱动力为Ft=11.2 kN。

2.3 最大爬坡度时的驱动力计算

车辆在最大坡度上行驶时，行驶的速度比较低，可忽略迎风阻力，行驶的阻力只有滚动阻力和坡道阻力即：

按 30%的爬坡度计算，得 α=arctan（0.3）＝16.67°，代入（3）式得车轮的在最大坡度时所需的驱动力为Ft=24.6 kN。

3 系统压力计算

静液压传动车辆的驱动力矩为：

式中：n为行驶时驱动轮的个数，ig为轮边减速器的传动比，ηg为减速器的机械效率，Rr为车轮的滚动半径。

液压马达的工作压力是由静液压传动车辆的行驶阻力决定的，其工作压力的计算公式为：

式中：△Pm为液压马达两端的工作压力；Tm为液压马达上扭矩；pm为液压马达的排量；ηmh为液压马达的机械效率。

根据式（4）和式（5）算出液压马达的工作压力范围为17.4 MPa～31.8 MPa，能够使系统的压力得到较好的匹配。

4 加载液压系统的仿真模型

根据静液压传动车辆的工作原理和行驶过程中的阻力情况，建立轮边加载系统的液压模型，如图2所示。其中，1—驱动用变量泵；2—边轮马达；3—车轮惯性负载；4—加载液压泵；5—转速恒速控制系统；6—加载控制系统。

图2 边轮加载液压系统控制仿真模型

加载系统考虑2桥4个边轮驱动马达，根据4个马达同时工作在最高速度，系统所需流量为860 L/min。驱动用液压泵采用A11VO190变量泵，电机的额定转速1 450 r/min。加载液压泵选用A11VO190变量泵，每个输出轴上安装两个加载液压泵，以并联工作模式为1个边轮驱动马达-减速机加载，合仿真模型的输入条件如表1所示。

表1 仿真模型参数表

5 仿真结果分析

5.1 低速大负载情况

爬坡时，14个马达同时工作，最大工作压差为32 MPa，单只马达-减速机输出扭矩12 000 N·m，马达转速保持510 r/min。图3所示的是低速时边轮加载的仿真过程，从0负载加载到最大载荷12 000 N·m，保持一段时间后再降至8 000 N·m，加载和降载过程均比较理想。

图3 低速时边轮加、降载的仿真

在对边轮进行加、降载的过程中，载荷的变化会对马达的转速产生一定的影响。在控制系统的调节下，液压马达的转速经过一段的动态过程，会重新保持到510 r/min的设定转速，如图4所示。

图4 低速时马达转速的变化特性

5.2 高速低负载情况

高速行驶时，6个马达同时工作，最大工作压差为17.5 MPa，单只边轮驱动马达-减速机输出扭矩1 240 N·m，马达转速为4 300 r/min。图5所示是边轮加载的仿真过程，从0负载加载到最大载荷1 240 N·m。

图5 高速时边轮加载特性

与低速、大负载的加载过程类似，加载时会对液压马达的转速有一定的影响，但是马达转速经过一定的动态过程后，仍能够继续保持在设定的转速，如图6所示。

图6 高速时的马达转速特性

图7 显示的是工作液压泵出口、提供加载液压泵出口的工作压力。工作液压泵出口的工作压力约为17 MPa，与理论计算接近，其为17.4 MPa。

图7 工作液压泵出口、提供加载作用液压泵出口的工作压力特性

6 结束语

本文是基于静液压传动车辆工作原理的基础上，利用AMEsim软件建立了单边静液压驱动和加载液压系统的仿真模型，并进行了仿真分析，得出：

（1）低速大负载的加载过程良好，液压马达的转速能稳定在510 r/min；

（2）高速低负载的加载过程良好，液压马达的转速稳定在4 300 r/min；

（3）液压系统的压力和理论计算相接近。