基于AMESim的轮式装载机动力总成匹配仿真分析_王峰

基于AMESim的轮式装载机动力总成匹配仿真分析王峰，王迎波，张军，郝鹏飞，刘海鹏（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261205）摘要：以AMESim仿真软件为平台，建立了包括发动机、液力变矩器、变速箱和液压泵等轮式装载机整车模型，设置了主要的参数，在AMESim环境下进行了整机的动力性和燃油经济性仿真分析计算，并采用实验的方法对仿真模型进行改进和参数的修正。

通过与实验结果的对比分析，表明仿真结果的误差在7%以内，因此形成了一套实用高效的研究装载机动力总成匹配优化的方法。

同时，在评价柴油机与液力变矩器共同工作性能方面有指导性的建议，对优化装载机动力匹配，提高装载机的动力性和经济性有着突出的作用。

关键词：仿真软件；动力性；经济性；动力总成；匹配优化中图分类号：TH243；TP391．9文献标志码：B文章编号：1671-5276（2015）03-0120-03Simulation and Anslysis of Powertrain Matching of Wheel Loader Based on AMESim WANG Feng，WANG Ying-bo，ZHANG jun，HAO Peng-fei，LIU Hai-peng（Weichai Power Co．，Ltd．，Weifang261205，China）Abstract：Based on the AMESim simulation software，this paper builds the whole vehicle model of the wheel loader，including en-gine，torque converter，gear box and hydraulic pump．The main parameters are set up．The duration and fuel economy of the ma-chine are simulated by the software of AMESim．And the experimental method is also used in the improvement of the parameters of the simulation model．By comparison with experimental results，the error of simulation results is with in7%．So it is a set of practical and efficient loader powertrain matching optimization method．At the same time，a suggestion on evaluation of diesel engine and hy-draulic torque converter working performance is offered．This suggestion plays a prominent role in optimization of lader power matc-hing and improvement of the duration and economy of the loader．Keywords：simulation software；duration；economy；powertrain matching；optimum matching0引言动力性和经济性是评价装载机的主要性能指标，而这些主要取决于整车的动力系统和传动系统的合理匹配［1］。

实际统计结果发现：目前虽然装载机普遍采用效率高、经济性较好的柴油机，但由于未实现与传动系统的合理匹配，因而导致装载机工况远离发动机理想工作区域，出现油耗高、动力性差的现象。

因而有必要建立一种方便的装载机动力总成匹配仿真计算模型，减少实验成本，合理匹配，充分发挥柴油机和传动系统的优势，使整个系统尽可能的达到燃油经济性好、动力性强的最佳输出。

目前国内关于装载机动力总成匹配计算软件，都只是一些特定工况下的匹配，并且都没有建立一套完整的整车模型，不能够评价各个系统共同工作时的输出特性。

而多学科领域系统仿真平台LMS Imagine．Lab AMESim具备了涵盖发动机、传动、车辆动力学、驾驶控制、液压、机电、机械等多个学科领域的应用库和专业库，可以在单个平台中对包含发动机在内的工程机械整车系统性能进行完整的数值分析［2］。

利用AMESim分析软件，以ZL50装载机为例，建立了包含动力、传动、车体和液压泵等整车模型，设置了主要的参数，并对整机的动力性和燃油经济性进行了仿真计算，通过实验的方式验证了模型的正确性，对加快装载机整机优化匹配具有深远意义。

1ZL50装载机仿真模型的建立图1为AMESim环境下搭建的ZL50装载机模型，主要包括发动机、液力变矩器、变速箱、液压泵和车体等。

由于实验时测量的是工作泵、转向泵和变速泵的出口压力，因此简化了装载机的液压系统，将测量的压力值直接作为泵的出口压力进行仿真，保证了各种泵的负载消耗的正确性。

同时，发动机其他附属装置（风扇、发电机等）的消耗通过计算，并转换成消耗的发动机扭矩，施加在发动机的输出端。

与传统模型相比，该模型的优势在于：1）考虑了动力系统和传动系统共同工作特性；2）考虑了整车参数对性能的影响；3）实现了根据实际工况进行整车运行控制。

1．1模型主要模块理论简介及参数设定AMESim中每个图形模块都会对应一个或几个数学模型（Submodel），当选择了一个图形模块，并对应确定了一个数学模型后，就确定了该模型所对应的输入参数以作者简介：王峰（1980－），男，山东淄博人，硕士，主要从事有限元仿真、动力系统匹配分析计算、NVH测试及仿真工作。

1—发动机模块；2—车体模块；3—传动系统；4—液压系统图1ZL50装载机AMESim模型及输出变量［3］。

由于篇幅原因，只对模型中比较重要的模块进行说明。

1）发动机模块采用的是基于台架实验数据的发动机模型，模型中发动机输出扭矩计算公式：T shaft =TBMEP－TFMEP其中：Tshaft 为发动机输出的扭矩；TBMEP是模型从BMEP．data文件中读取的数据，该文件为发动机均值制动压力随负荷率及转速的变化关系；TFMEP是模型从FMEP．data文件中读取的数据，该文件为均值摩擦压力随水温或油温及转速的变化关系。

试验车采用潍柴WP10发动机，利用AMESim提供的数表编辑器，把发动机台架实验数据（油耗、扭矩、功率等）编译成模型参数文件BMEP．data和FMEP．data等，实现建模。

2）液力变矩器模块AMESim提供了液力变矩器模型，和发动机模型一样，将液力变矩器的特性参数通过数表编辑器内置到模型中，建立液力变矩器模型，计算变矩器的特性。

计算公式如下：T泵轮=MP2000（SＲ）ˑN泵轮()20002T涡轮=T泵轮ˑTＲ其中：T泵轮为变矩器泵轮输入扭矩；T涡轮为变矩器涡轮输出扭矩；TＲ为变矩器变矩比；MP2000（SＲ）是根据液力变矩器的实验数据生成的模型参数表torq_sr_mp2200．txt。

3）变速器模块在变速器模块中可以定义前进挡和倒车档，定义各档的传动比、传动效率。

根据实验车的变矩器参数见表1所示。

表1变速箱参数表变速箱传动比主传动轮边减速总传动比效率前进Ⅰ挡2．54959．280．8前进Ⅱ挡0．6834．45．285715．880．79后退挡1．86443．350．84）整车模块采用的整车参数：车重：16．5t；载重：5t；滚动阻力：0．035；滚动半径：740mm；不考虑风阻。

5）发动机附件及液压泵模块：该模块主要目的就是模拟实际运行中发动机的各种消耗。

因此根据各个泵出口压力的实验值以及附件的计算值，转换成发动机消耗的扭矩施加在发动机的输出端，保证仿真结果的精度。

具体参数见表2所示。

表2系统消耗扭矩表消耗扭矩/N·m工作泵14转向泵22变速泵35发动机附件（风扇等）712实验与仿真计算结果对比分析在采用AMESim 软件建模时，是通过设置模块中的参数设定来完成的，因此模型的正确性必须加以验证，文中分别从动力性（最高车速、最大牵引力）和燃油经济性（怠速油耗、百米行走油耗）两方面实验来对模型进行验证。

2．1动力性仿真与实验验证1）最高车速仿真验证实验时，实验跑道长度为100m ，实验跑道前预留足够的距离可以让装载机在最高档位和最大油门时加速至最高车速，记录通过测试跑道的时间，计算出最高车速；AMESim 模型中控制变速箱档位为2档，全加速模式运行，结果如图2所示；实验数据对比见表3所示。

图2最高车速与时间关系图表3最高车速实验仿真对比表%实验最高车速/（km /h ）仿真高车速/（km /h ）误差136．838．5044．623941．27025．8337．840．26496．52）最大牵引力仿真验证实验时保持车辆最大油门，并且保证轮胎不打滑，直至液力变矩器失速，测量最大牵引力。

AMESim 模型根据实际参数进行仿真计算，结果如图3所示。

实验数据对比见表4所示。

图3最大牵引力、速度与时间关系图表4最大牵引力实验与仿真对比表%实验牵引力/kN仿真牵引力/kN误差1144139．63．12157151．43．63160153．83．9从表3和表4中可以看出，搭建的ZL50装载机在动力性计算方面误差均＜7%，满足工程计算的要求，计算模型较为准确。

2．2经济性仿真与实验验证1）怠速油耗仿真验证实验时，让整车在水平路面上，发动机稳定在零复核最低转速上进行测试；AMESim 模型中控制发动机转速与实测值一样，并保证不加任何负载进行仿真分析计算。

计算结果如图4所示。

实验数据对比见表5所示。

图4怠速油耗与时间关系图表5怠速油耗实验与仿真对比表%实验测量值/（mg /s ）仿真计算值/（mg /s ）误差怠速油耗509．96509．785－0．032）百米行走油耗仿真验证测试时，以一档起步，并迅速换成二档，使用全油门通过测试的距离（100m ），测试时分别给装载机加载3．44t 、4．25t 和5．01t 的负载进行测试；仿真模型通过一定的控制方式模拟相同的过程进行计算对比，计算结果如图5－图7所示。

实验数据对比如表6所示。

图5百米行走油耗、位移与时间关系图（3．44t ）（下转第154页）·电气与自动化·张伟，等·基于AＲM 和FPGA 的嵌入式伺服压力机控制系统设计统运行环境、人机界面以及主要控制模块的选择和设计，构建了一个功能完善、实时性强的伺服压力机控制系统。