全液压制动系统动态特性仿真分析

全液压制动系统动态特性仿真分析

缓冲性能是车辆的重要性能之一。良好的制约性能是车辆安全驾驶的重要保障。目前,国内车辆制动系统多采用气压、气顶液的结构形式。近年来,车辆也趋于采用全液压制动的方式,其主要优点是系统的制动压力高,产生的制动力矩大,制动灵敏,且更便于实现电子控制。1全液压制动系统性能分析1.1制动执行元件全液压制动系统一般是由供能装置、传动装置、控制装置和制动执行元件4部分组成。供能装置通过液压泵、充液阀向蓄能器供油,积蓄能量;传动装置将制动踏板控制的动力源传递给制动执行元件;控制装置将驾驶员踩踏板的控制信号传到控制阀上;制动执行元件是装在车轮上的制动器,它将传动装置传来的动力变成摩擦力矩。图1所示是典型的车辆全液压制动系统的示意图。制动时,驾驶员踩下制动踏板,制动油液在蓄能器压力的作用下,进入制动缸,产生制动效果。液压制动系统大多采用钳盘式或全盘式制动器。充液阀可以使蓄能器的内压保持在最低限度。当蓄能器的内压低于最低限度时,充液阀就会使泵向蓄能器充油,直至达到预置的压力上限。1.2制动盘的建立为便于分析,我们对全液压制动系统进行了简化,如图2所示。根据全液压制动系统工作过程,可以将其分为两个阶段:活塞运动阶段和制动油压建立阶段。活塞运动阶段:当踩下踏板阀,油路接通。蓄能器中的油液进入制动液压缸,推动活塞移动,迅速消除制动器的制动间隙。整个运动阶段由踩下制动踏板开始,到制动衬块接触制动盘为止。制动油压建立阶段:制动衬块碰到制动盘瞬间,会导致制动缸中油液冲击,并引起瞬间的压力升高。制动缸中油压在瞬间的压力波动之后,会迅速而平稳的增加,直至油压逐渐稳定。2制动系统动态分析在全液压制动系统中,液压泵通过充液阀给蓄能器的充液过程很短,一般不超过2s。正常制动时,由蓄能器直接向制动液压缸供油,蓄能器充液完毕后能单独为制动系统提供近十一次的有效制动。在对制动系统进行动态分析时,我们将不分析液压泵对制动系统的影响。建模的假设和简化:(1)考虑到制动过程中制动液流量较小、液压管路内壁比较光滑,可以忽略管路的沿程压力损失和局部压力损失;(2)忽略制动油管、液压缸缸体的弹性变形;(3)不考虑外界对系统的影响;(4)不考虑制动时驾驶员的反应时间,将紧急制动时,踏板阀阀芯的位移输入看作是阶跃信号;(5)不考虑制动衬块与制动盘接触瞬间,制动缸中油液的冲击。2.1比合物压的数学模型蓄能器的动态方程可以描述成:式中:pa———蓄能器连接管口处压强(Pa)ka———气体的压缩系数(m2/N)va———蓄能器内气体体积(m3)ωa———蓄能器的固有角频率(rad/s)ρ———油液密度(kg/m3)l———蓄能器连接管的长度(m)Aa———蓄能器连接短管截面积(m2)Ra———蓄能器连接短管的液阻(N·s/m5)式中:kq———流量放大系数(m2/s)kc———流量-压力系数(m5/N·s)pL———踏板阀出口处的压力(Pa)式中:Cd———流量系数A———阀芯的有效面积(m2)式中:m———液压缸所驱动的工作部件质量(包括活塞、制动衬块等)(kg)kB———活塞密封圈对活塞的阻力系数(主要是弹性形变引起的)(N/m)Bp———活塞的粘性阻尼系数(N·s/m)Ap———活塞有效工作面积(m2)式(1)、(2)、(3)和(4)构成了活塞运动阶段的数学模型。2.2油液体积模量法制动缸工作腔的流量连续方程:式中:kl———制动缸工作腔泄漏系数(m3/Pa·s)K———油液体积模量(Pa)V———液压缸工作腔及进油管内的油液体积(m3)式(1)、(2)、(3)、(5)和(6)构成了油压建立阶段的数学模型。3动态特性模拟在确定了全液压制动系统的数学模型后,运用Matlab/Simulink仿真程序,对某叉车的全液压制动系进行仿真求解。3.1制动系统动态响应分析某叉车全液压制动系统的各有关仿真参数如表1所示。由于制动器的间隙很小,因此活塞运动阶段的时间极短,一般液压制动系统的反应时间为0.015～0.035s。为较清楚地反映活塞运动阶段活塞的速度和位移变化的趋势,我们先不考虑制动器间隙大小的限制。图3、图4分别是活塞速度、位移的变化趋势图。图3、图4可以看出,该车的全液压制动系统在紧急制动瞬间,活塞运动平稳,没有剧烈的振荡,说明此叉车制动系统的设计满足要求。图5是考虑了制动器间隙大小限制的活塞位移变化曲线。图中可以清楚地看出,该制动系统反应时间为0.024s,时间极短。相对于气压和气顶液制动系统,全液压制动系统反应更灵敏,能够有效地减小制动距离,提高行驶的安全性。受踏板阀响应能力、制动管路长度和压力波传播速度等因素的影响,在踩下踏板阀时,制动液压缸的活塞对控制指令的响应存在一定的滞后。从图5可以看出,踩下制动的3ms以后,活塞才开始运动,踏板阀的切换滞后时间约为3ms。3.2持续制动阶段图6是油压建立阶段液压缸压力变化曲线。图中可以看出,制动器作用时间约为0.22s,压力建立的时间极短,且压力增长平稳。正常的制动压力约为9.3MPa,因此在制动时可以提供足够的制动力,以保证车辆的行驶安全。在持续制动阶段,虽然有液压缸泄漏和油液压缩等因素的影响,但压力下降并不明显,液压缸压力基本保持不变。制动系统可以为车辆提供稳定持久的制动力。3.3泄漏系数对制动系统制动特性的影响利用Matlab/Simulink仿真程序来考察系统参数对全液压制动系统动态特性的影响,为制动系统的设计提供依据。图7所示是工作腔泄漏系数变化对压力建立的响应特性。由图中可以看出,当泄漏系数较大时(kl=2×10-10m3/Pa·s),压力建立的时间较短,但是稳态的制动压力较小,不能够提供足够大的制动压力;当泄漏系数较小时(kl=8×10-11m3/Pa·s),压力建立的时间相对较长,会影响制动的反应灵敏度。选择合适的泄漏系数对于整个制动系统的制动性能有很大的影响。图8所示是当油液的体积模量不变时,系统容积对压力建立的响应特性。当容积越小时,油压的建立时间越短,所以在设计全液压制动系统时,在保障制动力的前提下,液压缸工作腔及进油管内油液体积应尽可能设计得小一些。但是当容积过小时(V=3.15×10-4m3),油压建立的过程中会产生压力波动,会影响制动的效能。此外容积过小,也会给设计制造带来困难。4制动系统动态特性(1)本文阐述了全液压制动系统的组成和工作原理,对其动态特性进行了分析,并在动态特性分析的基础上,建立了全液压制动系统的数学模型。(2)基于数学模型对某叉车的全液压制动系统进行了动态仿真,通过仿真曲线,我们对于制动系统的动态特性有了一个较为直观的认识,并且验证了之前动态特性分析的正确性。(3)全液压制动系统制动反应灵敏,滞后时间短。制动过程中,系统压力高,制动力增长迅速、平稳,可以有效地缩短制动距离。(4)运用仿真程序分析了影响制动性能的主要因素,为全液压制动系统的设计提供依据。工