基于AMESim的工程车辆液压悬架系统仿真解读.docx
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基于AMESim的工程车辆液压悬架系统仿真解读
第29卷第1期
2008年2月
华 北 水 利 水 电 学 院 学 报
JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower
Vol129No11Feb12008
收稿日期:
2007-11-20
作者简介:
刘仕平（1955—,男,河北唐山人,教授,博士,主要从事机械设计与理论、机械CAD及机电液一体化等方面的研究.文章编号:
1002-5634（200801-0074-04
基于AMESim的工程车辆液压悬架系统仿真刘仕平,杨 非,雷金柱
（
摘 要:
在建立的单轮1/4车液压悬架数学
模型基础上,运用AMESim软件进行了1/4车液压悬架建模与仿真分析.通过仿真,将液压缸和伺服阀不同规
格参数对液压悬架在阶跃激励下车体垂直位移的影响结果进行了比较,结果表明,AMESim在液压悬架系统
仿真中的有效性为整车液压悬架仿真研究提供了参考.
关键词:
液压悬架;电液伺服控制;AMESim;
仿真
中图分类号:
TH137;TP391.9 文献标识码:
A
液压悬架系统是发展现代特种车辆及大型工程
车辆的关键技术之一.它影响着车辆的行驶平顺性、
操纵稳定性等多项性能.从控制的角度出发,车辆悬
架可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架.与被动
悬架、半主动悬架相比,主动悬架的一个突出特点
是,它能够根据车辆行驶的路面、工况和载荷等情况
来控制自身的工作状态,使车辆的整体行驶性能达
到最佳.目前工程车辆主动悬架系统普遍采用的是
电液控制液压悬架,其控制过程为:
由传感器和控制
器等组成闭环控制系统,根据车辆的运行状态
按照
设定的控制规律向执行机构适时发出控制命令,通
过调节油液流动,在调整阻尼系数同时锁死悬架或
调节车身高度.由于在大吨位野外运输中,工程运输
车或越野车承载重,运输途中路面不平造成的颠簸
有可能对物件和车辆本身造成损伤,所以主动悬架
采取变阻尼和自动调节车身高度等使车辆得到更精
确和平稳的运行.
为了研究系统主要参数对车体垂直位移的影
响,建立了单轮1/4车液压悬架系统的数学模型,并
在AMESim仿真环境中对系统车轮受到阶跃冲击
后,对车身恢复平衡状态的过程进行了仿真,并对仿
真结果进行了比较分析,为整车液压悬架仿真研究
提供参考.
1 悬架系统动力学模型
在车辆悬架系统中,取结构简单、能够反映车辆主要性能的单轮1/4车体液压悬架为研究对象,其系统模型如图1所示[1].
图1 1/4车液压悬架系统模型
图中液压悬架系统可以产生作用力的动力装置由液压源、液压缸（作动器U和电液伺服阀组成.ms为车身质量;mt为轮胎质量;ks为悬架刚度;kt
为轮胎刚度.当系统受到路面激励x
i
冲击后,车身和轮胎的位移、速度和加速度改变,控制器根据车辆的运动状态调整伺服阀进入液压缸的液压油的流量和方向,进而控制液压缸产生作用力的大小、方向和
变化速度[2]
.流入液压缸的液压油在活塞上产生作
用力FL,使车身快速回到平衡状态,完成调平过程.图中液压悬架用液压动力元件代替被动悬架系统中的减振器,通过对液压动力元件的控制来实现悬架系统的性能优化.
根据牛顿定律,其相应的运动微分方程为
ms¨xs=ks（xt-xs+FL
（1mt¨xt=kt（xr-xt-ks（xt-xs-FL
（2
式中:
xs为车身垂直位移;xt为车轮垂直位移;xr为
路面垂直位移;FL为液压缸的外负载力.
图2的简化模型[3]
.
图2 液压缸和伺服阀简化模型
假定:
阀是零开口四边滑阀,4个节流窗口是匹配和对称的,供油压力ps恒定,回油压力po为零,则阀的线性化流量方程为
qL=kqxv-kcpL
（3
式中:
qL为负载流量;kq为流量增益;kc为流量—压力系数;xv为阀芯位移;pL为负载压降.
假定:
液压缸每个工作腔内各处压力相等,油温
和体积弹性模量为常数,忽略阀与液压缸连接管道中压力损失、管道动态和外泄漏流量,则液压缸流量连续性方程简化为
qL=Apx・
p+CtppL+
Vt
4βe
p・
L（4
式中:
Ap为液压缸活塞有效面积;xp=xt-xs;Ctp为
液压缸总泄漏系数;Vt为总压缩体积;βe为有效体积弹性模量.
忽略了活塞质量和库仑摩擦等非线性负载后,液压缸和负载的力平衡方程为
AppL=ms¨xp+Bpx・
p+FL
（5
式中Bp为活塞及负载的粘性阻尼系数.
将FL=AppL-ms¨xp-Bpx・
p代人式（1和（2得
ms¨xt=-ksxs+Bpx・s+ksxt-Bpx・
t+ApPL
（6 ms¨xs=ksxs+
Bpx・s-（kt+ksxt+Bpx・
t+
（ms-mt¨xt+ktxr
（7
由式（6和式（7得
ms¨xsmtksms
xs-mtBpms
x・
s-mkms
+kxt+
mtBpms
x・
t+ktxr
（8
合并式（3和式（4得
Vt
4βe
p・
L+kcepL+Ap（x・t-kx・
s-kqxv=0
（9
式中kce为总流量-压力系数,k=kc+Ctp.
=（xtsxtT作为状态变量,U,T
6、
（8、（9写出X+BU,则
A00100000
10mtksm2
s
-ms
mkms+k-mtBpm2
smtBpm2
s
0-
kms
kms
Bms
-BmsAms
00
4ApβeVt
-
4Apβe
Vt
-
4kceVt
B0
0kt
000
k式中:
A为系数矩阵;B为控制矩阵.
选择Y=（¨xs,xt-xs,xr-xtT
作为系统的输出
变量,其中:
¨xs为车身垂直加速度;（xt-xs为轮胎动变形;（xr-xt为悬架动挠度.输出方程为Y=CK+DU,由式（8得
C=
mtks
m2
s
-
ms
mtks
ms
+k-
mtBpm2
s
mtBpm2
s
-11000
-1
00
Dkt
1
式中:
C为输出矩阵;D为直接传递矩阵.
如果对系统的调平功能进行分析,则主要关心的是车身ms的运动状态,这时可以选择Y′=（¨xs,
xsT
作为系统的输出变量,其中xs为车身位移.输
出矩阵C′和直接传递矩阵D′为
C′=
mtks
m2
s
-
ms
mtks
ms
+kt-
mtBpm2
s
mtBpm2
s
1000
5
7第29卷第1期
刘仕平等:
基于AMESim的工程车辆液压悬架系统仿真
D′=
kt0
2 系统仿真
2.1 仿真平台简介
近年来,国外尤其是欧洲陆续开发出一系列实用的液压机械仿真软件,AMESim就是其中之一.AMESim是法国IMAGINE公司于1995
年推出的液压与机械系统建模仿真及动力学分析软件,全称为工程系统仿真高级建模环境.模型库丰富,包括机械库、计库（HCD、,力、型库中的基本模型单元构造仿真模型和自定义模型,达到迅速建模仿真的最终目标.同时AMESim具有与其他软件包的丰富接口,便于用户使用它们进行联合仿真.并且,AMESim为用户提供了标准化、规范化和图形化的二次开发平台,用户可以开发自定义模型.2.2 建模仿真及结果分析利用AMESim软件建模,需要依次完成它的草图模式（SketchMode、子模型模式（SubmodelMode、参
数模式（ParameterMode、运行模式（RunMode[4]
.
首先,在草图模式,根据车辆液压悬架系统的简化结构,选择AMESim模型库中元件子模型构建如图3所示的系统模型.
图3 系统AMESim模型
其次,在子模型模式下,为搭建好的系统元件选择理想模型.
接着,在参数模式中为元件设定系统参数:
恒定供油压力P=23MPa;液压缸活塞直径12mm;液压缸活塞杆直径4mm;
控制增益k为300.具体见表1至表3.
表1 以下是三位四通伺服阀主要设置参数
Title
ValueportsPtoAflowrate
0.6L/minportsPtoAcorrespondingpressuredrop0.075barportsBtoTfl
owrate
0.6L/minportsBtoTcorrespondingpressuredrop0.25barportsPtoBflowrate
0.1L/minportsPtoBcorrespondingpressuredrop0.45barportsAtoTflowrate
0.1L/minportsAtoTcorrespondingpdrop0.45barPtoflowrate
0.8L/minPoop0.45bar40mA100Hz表2 车身及悬架刚度设置参数
mass
300kginclination-90°springrate
8000N/m表3 轮胎及其刚度设置参数
Title
Valuemass
30kginclination
-90°springforcewithbothdisplacementszero2000Nspring
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