拖掛式病房制動仿真分析

拖掛式病房制動仿真分析

0拖掛式有效制動穩(wěn)定性的仿真分析國外廣泛使用這種傾斜車輛，可以進入國內(nèi)市場。它的動力穩(wěn)定吸引了人們的注意。眾所周知,拖掛式房車在高速轉(zhuǎn)彎制動的情況下容易發(fā)生折疊、側(cè)滑、甩尾等危險的工況。在實際過程中很難用試驗的方法來研究拖掛式房車的制動穩(wěn)定性,因此,本文通過Matlab/Simulink仿真軟件來實現(xiàn)對拖掛式房車制動穩(wěn)定性的研究。根據(jù)電磁制動器的制動特性,建立了拖掛式房車的制動模型,并在此基礎(chǔ)上進行了仿真計算,分析了轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向角速度、房車制動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)拖掛式房車在制動過程中的受力如圖1所示。建立拖掛式房車制動模型時進行如下假設(shè):(1)忽略拖掛式房車以及主車轉(zhuǎn)彎過程中的側(cè)傾運動。(2)忽略拖掛式房車以及主車在制動過程中的俯仰運動。(3)忽略主車車輪的抱死問題。(4)拖掛式房車的制動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。利用牛頓力學原理分別建立了主車和房車建立動力學方程主車動力學方程拖掛式房車動力學方程式中,∑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分別為主車和房車繞z軸方向力矩總和,N·m;Fxi、Fyi分別為主、房車鉸接點處的縱向力和橫向力,N;φ、?分別為主車、房車前進方向(x軸)與地球坐標系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、房車繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;vx、vxt分別為主車、房車前進方向的速度,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)向速度可以通過主車來求得,即為根據(jù)運動學關(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過程中,由于車輛重心的前移使得各軸的載荷發(fā)生了變化。對房車在制動過程中進行受力分析,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、房車鉸接點離地高度,m;L為主車軸距,L=l1+l2,m;Lt為房車軸到鉸接點的水平距離,m。輪胎模型采用了輪胎魔術(shù)公式(Magicformula)來描述,并利用了文獻所采用的模型系數(shù)。2ubsystemx模塊拖掛式房車仿真計算的實現(xiàn)是通過Matlab/Simulink軟件來完成的。上述數(shù)學模型的仿真模型如圖2所示。在仿真模型中SubsystemFx模塊為仿真計算的輸入模塊,該模塊中的房車制動力的大小、制動力的增長方式以及制動時間作為模塊的輸入量,Phidot(拖掛式房車橫擺角速度)為仿真計算的輸出。利用表1的車輛參數(shù)進行了仿真。仿真時車輛的制動初速度為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、后輪制動力增長方式分別如圖3和圖4所示。3結(jié)果和分析(1)制動力仿真結(jié)果轉(zhuǎn)向輪以5π/18rad·s-1的角速度進行轉(zhuǎn)向(向左轉(zhuǎn)向,下面工況同),不同轉(zhuǎn)向角對房車橫擺角速度有著顯著影響。房車的制動時間滯后與轉(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化仿真分析,忽略了制動時間滯后對橫擺角速度的影響,并在本工況的仿真過程中將房車的制動時間滯后設(shè)定為0.5s。房車車輪的制動力曲線如圖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)向角度對房車的橫擺角速度的影響是相當明顯的,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間的變化趨勢基本一致。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,后由于房車制動力的作用使得房車的橫擺角速度再次增加,直至房車制動力達到最大值后,才使得房車的橫擺角速度逐漸減小趨于穩(wěn)定直至為零(此時車輛速度趨于零)。從上面仿真結(jié)果可以看到,無論是轉(zhuǎn)向角還是房車車輪的制動力都對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)向角和房車的制動力作用時間兩者有效結(jié)合起來,從而來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,房車的車輪上加了相應的制動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力的大小相同的情況下進行的,然而左右車輪的不同制動力對房車的橫擺角速度的影響才是至關(guān)重要的,因而又進行了以下兩個工況的仿真計算。(3)最大橫擺角速度仿真結(jié)果房車左輪最大制動力≥右輪最大制動力。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力的差值,其差值分別為0、500、1000、1500N和2000N時,得到房車橫擺角速度隨時間變化關(guān)系的曲線,如圖8(a)、(b)所示。由仿真結(jié)果可以看到,當房車的左輪最大制動力大于右輪的最大制動力時,隨著左右車輪最大制動力差值的增加(與圖中箭頭方向相反),最大橫擺角速度的值有增大趨勢。在5°轉(zhuǎn)向角情況下(圖8(a)),左右車輪以不同制動力的制動對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力制動的影響顯著。(4)不同最大制動力制動工況與工況3相反,房車左輪最大制動力≤右輪最大制動力。當整車以一定轉(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力的差值,其值分別為0、500、1000、1500N和2000N時,得到房車橫擺角速度隨時間變化關(guān)系的曲線如圖9(a)、(b)所示。由仿真結(jié)果可以看到,當房車的右輪最大制動力大于左輪的最大制動力時,隨著左右車輪最大制動力差值的增加(沿著圖中箭頭方向),最大橫擺角速度的值有減小趨勢。在5°轉(zhuǎn)角情況下(如圖9(a)),左右車輪不同最大制動力制動對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力制動能夠有效的減小制動過程的房車的橫擺角速度。因此,在大轉(zhuǎn)向角時,房車采用左右制動力不等的制動方式是有效的。4優(yōu)化轉(zhuǎn)向過程中,優(yōu)化受制動力下的穩(wěn)定條件通過以上的仿真,定性的分析了轉(zhuǎn)向角速度、轉(zhuǎn)向角和房車車輪制動力對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)向過程中房車的制動力和制動時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,