AMESim在《汽车液压与气压传动》教学中的应用探究

李晓锋　吴耀宇

摘 要：针对《汽车液压与气压传动》这样的应用型课程，提出将在工程领域应用广泛的AMESim运用到具体的教学过程中。通过对比原理图与AMESim软件中搭建的仿真模型，演示软件中“中控台”与“动画”的功能，分析仿真结果，得出软件在教学过程中具有易用性、直观性、参与性等特点。软件强大的扩展性通过节流调速回路与挖掘机工作回路鲜明对比得以体现。AMESim在教学中的应用可强化对知识理解，激发学习兴趣，达到培养具有一定创新能力的应用型人才的目标。

关键词：AMESim 仿真 应用研究 液压与气压传动

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年代发展以来，液压与气压传动技术在机械自动化进程中起到巨大的促进作用，随着汽车工业不断发展，其在汽车领域也得到广泛应用。作为定位应用型本科院校中的车辆工程专业，如何能够将《汽车液压与气压传动》课程融入到专业课程体系中，使学生在本门课程的学习过程中，将机械、电气控制融入液压传动技术当中。 该课程在传统授课过程中，因涉及液压元器件昂贵，实验危险系数高，液压油容易造成污染环境等原因，课程更多是通过教师对理论知识的讲解、简单液压系统的演示、关键零部件的拆装及简单的实验验证等过程让学生产生些许感性认知[1]，但这样的授课过程中，学生缺乏学习的主动性、创新性与目的性。

出生于2000年以后的大学生，他们的成长正好伴随着中国互联网的发展，2018年以来，网络课程得到蓬勃发展，在今年新冠疫情的特殊时期，更加促使网络学习变成大学生获取知识的重要途径，如何有效引导学生学习、激发学生学习主动性成为高等教育教学改革的重要研究课题。本文将AMESim仿真软件运用到《汽车液压世纪与气压传动》的教学过程中，利用AMESim搭积木式的图形化建模与可视化的结果显示，使得该课程静态的内容动态化、抽象概念形象化;AMESim内置车辆库、信号库、仿真库等多领域库模型可以与液压库有机融合，使学生能够在软件中多元化的思考该课程知识的运用。AMESim软件目前在车辆、航空航天、船舶上都有着广泛应用，借助于该软件学习，学生可以有效提高学习该课程内容的深度，知识的进一步深入进而提高学生软件的应用能力，为后续进入社会工作准备一项技能。

2 软件简介

LMS Imagine. Lab AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）中文名称为多学科领域的复杂系统建模与仿真平台[2]，该仿真平台上可以实现复杂的多学科领域的系统建模，同时可进行便捷的仿真计算和深入分析。在车辆领域中，可以进行如液压制动系统、燃油喷射系统、液力转向系统及各种工程车辆上的液压系统仿真模型搭建。

AMESim经过几十年的更新迭代，目前已具备多种不同的类型库，机械库、仿真库和信号控制库为软件的3个标准库，液压库、气动库、IFP、车辆动力学等多种可选库，液压原件设计库等一批开发设计库。不同元件库的类型满足不同设计者的需求[3]。软件使用简单而又标准元件符号，帮助用户快速搭建出常用的物理模型，无须编写任何程序代码;用户也可以根据自己的实际需求，利用HCD模块搭建出自己需要的物理模型。直观的图形界面仿真结果展示，让用户方便分析仿真结果。多物理场仿真模型创建和运行，对应的参数设置，可完成分析复杂的系统特性。AMESim可与Simulink、Adams等软件进行联合仿真，软件应用范围进一步扩大。

3 软件在教学中的应用

仿真软件在教学中想要得到广泛运用，其必须满足简单易用、学习成本低、可扩展性好、可视化强等特点。本文通过课程中的两个知识点来介绍AMESim软件不同方式的可视化功能在教学中的应用，①通过基本液压回路-节流调速在AMESim软件中模型搭建及仿真来介绍软件的易用性。②通过复杂液压回路-液压挖掘机在AMESim软件中的搭建及仿真介绍软件的扩展性。

3.1 AMESim在基本液压回路教学中的应用

图1是教材中第七章液压基本回路课程中节流调速回路的工作原理图[4]，从原理图可以看出，该回路主要有定排量液压泵、溢流阀、节流阀与液压缸等组成，通过该回路学生可以学习节流调速回路中节流阀的变化引起液压缸中流量、负载、速度等变化情况。图2是根据图1在AMESim软件中建立的仿真模型，主要使用的库有Hydraulic（液压库）、1D Mechanical（1维机械库）、Signal Control（信号控制库），通过两图对比可以发现，在该仿真软件中搭建的模型与教材提供的原理图基本一致，学生在模型搭建过程中根据工作原理图将很容易通过图形拼接搭建完成。但搭建模型仍需要学生进行思考的有如下三个方面：（1）液压泵的驱动如何提供，本文用1维机械库中的电机模型，电机的转速通过信号控制库中的恒定信号设置;（2）系统中的节流阀开度通过信号库中的信号控制库中的分段线性信号进行调节;（3）液压缸的负载通过1维机械库中的质量块M和加载在负载块上的负载力（负载力通过信号库中的恒定信号设置）进行确定。

在AMESim软件中完成模型搭建后，通过调节模型中的各种参数，可尝试获得各种理论假设结果。这种获得方式可使学生在知识的探究过程中更具参与感，对结果的理解更加深刻，同时学生设计自主的仿真方案，按照自己的假设进行对应的仿真研究，可大大提升对本课程内容的学习兴趣。应用型本科院校车辆工程专业在该课程的课程标准中强调学生在理解原理的基礎上学生对对知识的运用，该仿真软件能够让学生充分发挥自己的创造力，将学习到的知识运用到实际具体的场景当中，软件的车辆模块可使学生在将液压知识在车辆中有更多的探索。

课程中为研究节流阀开度与液压缸负载之间的关系，在软件的批处理设定液压缸的多个负载进行研究节流阀开度对液压缸速度的影响、本文将负载设置为8000N、9000N、10000N、11000N及12000N（大于液压缸的最大驱动力），节流阀开度从完全关闭到逐渐打开，通过两个参数的变化进而研究节流阀开度在不同负载下的速度特性，仿真结果如图3所示。在仿真结果曲线中，我们可以看出：①随着负载的增大，液压缸的在相同节流阀开度的情况下，速度更低;②在负载一定时（负载大于液压缸的最大驱动负载外）、节流阀的开度与液压缸的速度正相关。这两个结论与教材中给出的负载与速度刚性之间的结论一致。在这个仿真模型中、还可以改变模型中液压缸有效的工作面积与通过溢流阀调整液压泵的最大供油压力来观察液压泵的供油压力分别对液压缸的速度刚性的影响。

AMESim软件提供的绘图管理器可以帮助我们处理各种直接或间接的仿真数据、获得需要的仿真结果，但在教学过程，直观可视化的数据展现形式更容易让学生理解一些枯燥的概念。针对教学过程这一特点，新版AMESim软件中提供的“中控台”功能可以很好的帮助我们实现教学过程这个要求。如图4所示，可以使用中控台中的控制模块的滑块，关联节流阀参数调整参数，直接调整节流阀的开度，观察对应的仿真结果;使用显示模块中的显示部件，通过关联对应参数，即可在各种仪表中实时显示液压泵的转速、液压缸的移动速度及系统当前的系统压力情况。中控台中便捷的参数控制与直观的数据展示可进一步激发学生的学习兴趣。

3.2 AMESim在综合液压回路教学中的应用

在汽车典型液压系统中授课过程中，液压挖掘机的工作过程涉及到该课程的多个知识点，属于该章节的重点学习部分。在传统的教学中，大部分院校都不具备让学生在挖掘机上进行相关实验的条件，学生只能通过任课教师的理论讲解去了解其工作原理，学生参与感较差，对很多该部分涉及的知识点理解较为浅显。

AMESim软件提供强大的动画功能，如图5所示为在仿真软件的动画模块下建立的液压挖掘机的三位模型，该模型可真实直观的展示液压挖掘机破土、装土、提升回转、卸土[5]、返回第二次挖掘的过程，学生可以通过软件提供的帮助文件中的这个仿真模型，直接仿真可以观察挖掘机的整个工作过程，在该动画模型的基础上，学生可以结合《机械原理》《机械制图》《机械控制基础》等前序课程的知识，对此模型进行优化改进。迭代的学习过程不仅可让学生充分认识到专业基础课程的重要性，同时还能让学生感受到多学科交叉融合学习的成就感，提升对后续课程的学习动力。

软件中搭建的液压挖掘机仿真该模型可使用三维机械库、液压库、动力驱动库、信号控制库进行搭建。仿真结果数据与动画模块中液压挖掘机模型进行实时数据交互，在数据驱动下的挖掘机模型直观的展示挖掘机的工作状态，有效提升学生学习兴趣;在仿真模型中可进行便捷的模型修改与参数设置，实现学生千人千面的学习效果，为学生提供主动创新的虚拟仿真实验平台。

4 结语

本文通过将AMESim 仿真软件引入到《汽车液压与气压传动》课程中，实现本门课程理论与实验教学过程的创新。在理论教学方面、教学过程更加生动形象，学生可以有更强的参与感，帮助学生能够更好地去理解教材中抽象的理论知识;在实验教学方面，不仅有效弥补液压课程实验条件的限制，而且学生可以通过软件设计验证更多创新型实验，真正做到以学生为中心的教学理念。

AMESim仿真软件在车辆、液压等行业的广泛应用，同时和其它软件之间有着较为丰富的接口，学生在使用软件进行课程知识学习的过程中，可以将其它课程中学习的成果（如Adams中的运动模型、Simulink中的控制模型）与本课程内容（液压模型）结合起来，实现课程间的成果相互融合，互为迭代。仿真软件的使用和练习还可以为对后续专业课程中汽车制动、悬架、转向、自动变速箱等涉及液压部分的计算机辅助设计打下良好的基础。

基金项目：郑州工程技术学院重点教学改革项目《基于创新、应用型人才培养的液压与气压传动课程教学改革研究与实践》项目编号：ZGJG2019008A。

参考文献：

[1]林峰.仿真软件在液压与气压传动教学中的应用[J].创新教育.2020，05：199-200.

[2]常宁，黄尊地. AMESim软件在轨道交通车辆制动课程教学中的应用[J].中国现代教育装备，2018.06（291）：57-59.

[3]马恩，韩军良，宗荣珍等.《液压与气压传动》课程工程案例教学方法的研究[J].时代汽车.2019，2：66-67.

[4]齐晓杰.汽车液压与气压传动（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2019.

[5]孙治国.与气压传动课程数字化教学改革与实践[J].内燃机与配件，2018，23：250-251.