拖掛式病房制動(dòng)仿真分析

拖掛式病房制動(dòng)仿真分析

0拖掛式有效制動(dòng)穩(wěn)定性的仿真分析國(guó)外廣泛使用這種傾斜車輛，可以進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。它的動(dòng)力穩(wěn)定吸引了人們的注意。眾所周知,拖掛式房車在高速轉(zhuǎn)彎制動(dòng)的情況下容易發(fā)生折疊、側(cè)滑、甩尾等危險(xiǎn)的工況。在實(shí)際過(guò)程中很難用試驗(yàn)的方法來(lái)研究拖掛式房車的制動(dòng)穩(wěn)定性,因此,本文通過(guò)Matlab/Simulink仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)拖掛式房車制動(dòng)穩(wěn)定性的研究。根據(jù)電磁制動(dòng)器的制動(dòng)特性,建立了拖掛式房車的制動(dòng)模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真計(jì)算,分析了轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向角速度、房車制動(dòng)力與房車橫擺角速度之間的關(guān)系,目的在于尋求房車制動(dòng)力與轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向角速度等因素之間的關(guān)系,為提出拖掛式房車制動(dòng)控制策略打下基礎(chǔ)。1各軸載荷的表現(xiàn)拖掛式房車在制動(dòng)過(guò)程中的受力如圖1所示。建立拖掛式房車制動(dòng)模型時(shí)進(jìn)行如下假設(shè):(1)忽略拖掛式房車以及主車轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。(2)忽略拖掛式房車以及主車在制動(dòng)過(guò)程中的俯仰運(yùn)動(dòng)。(3)忽略主車車輪的抱死問題。(4)拖掛式房車的制動(dòng)力控制在車輪不抱死的范圍內(nèi)。(5)路面具有良好附著性能。利用牛頓力學(xué)原理分別建立了主車和房車建立動(dòng)力學(xué)方程主車動(dòng)力學(xué)方程拖掛式房車動(dòng)力學(xué)方程式中,∑Fx、∑Fy分別為主車所受縱向力和橫向力總和,N;∑xt、∑yt分別為房車所受縱向力和橫向力總和,N;∑z、∑zt分別為主車和房車?yán)@z軸方向力矩總和,N·m;Fxi、Fyi分別為主、房車鉸接點(diǎn)處的縱向力和橫向力,N;φ、?分別為主車、房車前進(jìn)方向(x軸)與地球坐標(biāo)系X軸之間的夾角,(°);Ψ為折疊角,Ψ=φ-?,(°);m、mt分別為主車、房車的質(zhì)量,kg;Jz、Jzt分別為主車、房車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;vx、vxt分別為主車、房車前進(jìn)方向的速度,m/s;vy、vyt分別為主車、房車側(cè)向方向的速度,m/s;δ為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角,(°)。由于房車與主車之間是鉸接的,所以房車的縱向速度和側(cè)向速度可以通過(guò)主車來(lái)求得,即為根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可以得出各輪胎的側(cè)偏角分別為在拖掛式房車制動(dòng)過(guò)程中,由于車輛重心的前移使得各軸的載荷發(fā)生了變化。對(duì)房車在制動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行受力分析,可得到主車和房車各軸軸荷分別為主車前軸軸荷主車后軸軸荷其中,Fzi為鉸接處的垂直反力房車軸軸荷式中,hg為主車質(zhì)心高,m;hgt為房車質(zhì)心高,m;h為主、房車鉸接點(diǎn)離地高度,m;L為主車軸距,L=l1+l2,m;Lt為房車軸到鉸接點(diǎn)的水平距離,m。輪胎模型采用了輪胎魔術(shù)公式(Magicformula)來(lái)描述,并利用了文獻(xiàn)所采用的模型系數(shù)。2ubsystemx模塊拖掛式房車仿真計(jì)算的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)Matlab/Simulink軟件來(lái)完成的。上述數(shù)學(xué)模型的仿真模型如圖2所示。在仿真模型中SubsystemFx模塊為仿真計(jì)算的輸入模塊,該模塊中的房車制動(dòng)力的大小、制動(dòng)力的增長(zhǎng)方式以及制動(dòng)時(shí)間作為模塊的輸入量,Phidot(拖掛式房車橫擺角速度)為仿真計(jì)算的輸出。利用表1的車輛參數(shù)進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)車輛的制動(dòng)初速度為vx=60km/h,轉(zhuǎn)向角(轉(zhuǎn)彎半徑)及其轉(zhuǎn)向角速度根據(jù)不同的仿真工況給定。主車的前、后輪制動(dòng)力增長(zhǎng)方式分別如圖3和圖4所示。3結(jié)果和分析(1)制動(dòng)力仿真結(jié)果轉(zhuǎn)向輪以5π/18rad·s-1的角速度進(jìn)行轉(zhuǎn)向(向左轉(zhuǎn)向,下面工況同),不同轉(zhuǎn)向角對(duì)房車橫擺角速度有著顯著影響。房車的制動(dòng)時(shí)間滯后與轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度之間存在著匹配關(guān)系,但在本文的研究中為了簡(jiǎn)化仿真分析,忽略了制動(dòng)時(shí)間滯后對(duì)橫擺角速度的影響,并在本工況的仿真過(guò)程中將房車的制動(dòng)時(shí)間滯后設(shè)定為0.5s。房車車輪的制動(dòng)力曲線如圖5所示。房車橫擺角速度的仿真結(jié)果如圖6所示,由圖可知:在轉(zhuǎn)向角速度一定的情況下,轉(zhuǎn)向角度對(duì)房車的橫擺角速度的影響是相當(dāng)明顯的,轉(zhuǎn)向角越大,房車的最大橫擺角速度也越大,反之越小。但無(wú)論是小的轉(zhuǎn)向角還是大的轉(zhuǎn)向角,房車的橫擺角速度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。仿真開始階段,轉(zhuǎn)向輪的急速轉(zhuǎn)向使得房車橫擺角速度產(chǎn)生急增,后由于房車制動(dòng)力的作用使得房車的橫擺角速度再次增加,直至房車制動(dòng)力達(dá)到最大值后,才使得房車的橫擺角速度逐漸減小趨于穩(wěn)定直至為零(此時(shí)車輛速度趨于零)。從上面仿真結(jié)果可以看到,無(wú)論是轉(zhuǎn)向角還是房車車輪的制動(dòng)力都對(duì)房車的橫擺角速度有著很大影響。因而,在轉(zhuǎn)向速度一定情況下,可以考慮將轉(zhuǎn)向角和房車的制動(dòng)力作用時(shí)間兩者有效結(jié)合起來(lái),從而來(lái)降低房車橫擺角速度。(2)主車車輪轉(zhuǎn)向?qū)囕啓M擺角速度的影響轉(zhuǎn)向輪以一定轉(zhuǎn)向速度轉(zhuǎn)向,并且轉(zhuǎn)角為5°的情況下,房車車輪上加入和未加的制動(dòng)力的仿真結(jié)果比較如圖7所示。由圖可知:在主車車輪轉(zhuǎn)向的同時(shí),房車的車輪上加了相應(yīng)的制動(dòng)力后有效的抑制房車橫擺角速度的增加。以上的仿真工況都是建立在房車左右車輪制動(dòng)力的大小相同的情況下進(jìn)行的,然而左右車輪的不同制動(dòng)力對(duì)房車的橫擺角速度的影響才是至關(guān)重要的,因而又進(jìn)行了以下兩個(gè)工況的仿真計(jì)算。(3)最大橫擺角速度仿真結(jié)果房車左輪最大制動(dòng)力≥右輪最大制動(dòng)力。整車以一定轉(zhuǎn)向速度轉(zhuǎn)向且轉(zhuǎn)角分別為5°和8°情況下,改變房車左右車輪的最大制動(dòng)力的差值,其差值分別為0、500、1000、1500N和2000N時(shí),得到房車橫擺角速度隨時(shí)間變化關(guān)系的曲線,如圖8(a)、(b)所示。由仿真結(jié)果可以看到,當(dāng)房車的左輪最大制動(dòng)力大于右輪的最大制動(dòng)力時(shí),隨著左右車輪最大制動(dòng)力差值的增加(與圖中箭頭方向相反),最大橫擺角速度的值有增大趨勢(shì)。在5°轉(zhuǎn)向角情況下(圖8(a)),左右車輪以不同制動(dòng)力的制動(dòng)對(duì)最大橫擺角速度的影響不是很明顯,然而在8°轉(zhuǎn)向角情況下(圖8(b)),采用左右車輪的不同制動(dòng)力制動(dòng)的影響顯著。(4)不同最大制動(dòng)力制動(dòng)工況與工況3相反,房車左輪最大制動(dòng)力≤右輪最大制動(dòng)力。當(dāng)整車以一定轉(zhuǎn)向速度轉(zhuǎn)向且轉(zhuǎn)角分別為5°和8°情況下,改變房車左右車輪的最大制動(dòng)力的差值,其值分別為0、500、1000、1500N和2000N時(shí),得到房車橫擺角速度隨時(shí)間變化關(guān)系的曲線如圖9(a)、(b)所示。由仿真結(jié)果可以看到,當(dāng)房車的右輪最大制動(dòng)力大于左輪的最大制動(dòng)力時(shí),隨著左右車輪最大制動(dòng)力差值的增加(沿著圖中箭頭方向),最大橫擺角速度的值有減小趨勢(shì)。在5°轉(zhuǎn)角情況下(如圖9(a)),左右車輪不同最大制動(dòng)力制動(dòng)對(duì)橫擺角速度值的影響不是很明顯,然而在8°轉(zhuǎn)角情況下(如圖9(b)),左右車輪采用不同最大制動(dòng)力制動(dòng)能夠有效的減小制動(dòng)過(guò)程的房車的橫擺角速度。因此,在大轉(zhuǎn)向角時(shí),房車采用左右制動(dòng)力不等的制動(dòng)方式是有效的。4優(yōu)化轉(zhuǎn)向過(guò)程中,優(yōu)化受制動(dòng)力下的穩(wěn)定條件通過(guò)以上的仿真,定性的分析了轉(zhuǎn)向角速度、轉(zhuǎn)向角和房車車輪制動(dòng)力對(duì)房車橫擺角速度的影響。轉(zhuǎn)向角越大,房車的橫擺角速度值也越大,房車趨于不穩(wěn)定的狀況,然而在房車上施加了一定的制動(dòng)力后,使得房車的橫擺角速度有了明顯的減少。因而,優(yōu)化轉(zhuǎn)向過(guò)程中房車的制動(dòng)力和制動(dòng)時(shí)間可以減小房車的橫擺角速度。尤其是在大轉(zhuǎn)向角的情況下,房車左右車輪的差值制動(dòng),