拖挂式病房制动仿真分析

拖挂式病房制动仿真分析

0拖挂式有效制动稳定性的仿真分析国外广泛使用这种倾斜车辆，可以进入国内市场。它的动力稳定吸引了人们的注意。众所周知,拖挂式房车在高速转弯制动的情况下容易发生折叠、侧滑、甩尾等危险的工况。在实际过程中很难用试验的方法来研究拖挂式房车的制动稳定性,因此,本文通过Matlab/Simulink仿真软件来实现对拖挂式房车制动稳定性的研究。根据电磁制动器的制动特性,建立了拖挂式房车的制动模型,并在此基础上进行了仿真计算,分析了转向角、转向角速度、房车制动力与房车横摆角速度之间的关系,目的在于寻求房车制动力与转向角、转向角速度等因素之间的关系,为提出拖挂式房车制动控制策略打下基础。1各轴载荷的表现拖挂式房车在制动过程中的受力如图1所示。建立拖挂式房车制动模型时进行如下假设:(1)忽略拖挂式房车以及主车转弯过程中的侧倾运动。(2)忽略拖挂式房车以及主车在制动过程中的俯仰运动。(3)忽略主车车轮的抱死问题。(4)拖挂式房车的制动力控制在车轮不抱死的范围内。(5)路面具有良好附着性能。利用牛顿力学原理分别建立了主车和房车建立动力学方程主车动力学方程拖挂式房车动力学方程式中,∑Fx、∑Fy分别为主车所受纵向力和横向力总和,N;∑xt、∑yt分别为房车所受纵向力和横向力总和,N;∑z、∑zt分别为主车和房车绕z轴方向力矩总和,N·m;Fxi、Fyi分别为主、房车铰接点处的纵向力和横向力,N;φ、ϕ分别为主车、房车前进方向(x轴)与地球坐标系X轴之间的夹角,(°);Ψ为折叠角,Ψ=φ-ϕ,(°);m、mt分别为主车、房车的质量,kg;Jz、Jzt分别为主车、房车绕z轴的转动惯量,kg·m2;vx、vxt分别为主车、房车前进方向的速度,m/s;vy、vyt分别为主车、房车侧向方向的速度,m/s;δ为转向轮的转向角,(°)。由于房车与主车之间是铰接的,所以房车的纵向速度和侧向速度可以通过主车来求得,即为根据运动学关系可以得出各轮胎的侧偏角分别为在拖挂式房车制动过程中,由于车辆重心的前移使得各轴的载荷发生了变化。对房车在制动过程中进行受力分析,可得到主车和房车各轴轴荷分别为主车前轴轴荷主车后轴轴荷其中,Fzi为铰接处的垂直反力房车轴轴荷式中,hg为主车质心高,m;hgt为房车质心高,m;h为主、房车铰接点离地高度,m;L为主车轴距,L=l1+l2,m;Lt为房车轴到铰接点的水平距离,m。轮胎模型采用了轮胎魔术公式(Magicformula)来描述,并利用了文献所采用的模型系数。2ubsystemx模块拖挂式房车仿真计算的实现是通过Matlab/Simulink软件来完成的。上述数学模型的仿真模型如图2所示。在仿真模型中SubsystemFx模块为仿真计算的输入模块,该模块中的房车制动力的大小、制动力的增长方式以及制动时间作为模块的输入量,Phidot(拖挂式房车横摆角速度)为仿真计算的输出。利用表1的车辆参数进行了仿真。仿真时车辆的制动初速度为vx=60km/h,转向角(转弯半径)及其转向角速度根据不同的仿真工况给定。主车的前、后轮制动力增长方式分别如图3和图4所示。3结果和分析(1)制动力仿真结果转向轮以5π/18rad·s-1的角速度进行转向(向左转向,下面工况同),不同转向角对房车横摆角速度有着显著影响。房车的制动时间滞后与转向角、转向速度之间存在着匹配关系,但在本文的研究中为了简化仿真分析,忽略了制动时间滞后对横摆角速度的影响,并在本工况的仿真过程中将房车的制动时间滞后设定为0.5s。房车车轮的制动力曲线如图5所示。房车横摆角速度的仿真结果如图6所示,由图可知:在转向角速度一定的情况下,转向角度对房车的横摆角速度的影响是相当明显的,转向角越大,房车的最大横摆角速度也越大,反之越小。但无论是小的转向角还是大的转向角,房车的横摆角速度随时间的变化趋势基本一致。仿真开始阶段,转向轮的急速转向使得房车横摆角速度产生急增,后由于房车制动力的作用使得房车的横摆角速度再次增加,直至房车制动力达到最大值后,才使得房车的横摆角速度逐渐减小趋于稳定直至为零(此时车辆速度趋于零)。从上面仿真结果可以看到,无论是转向角还是房车车轮的制动力都对房车的横摆角速度有着很大影响。因而,在转向速度一定情况下,可以考虑将转向角和房车的制动力作用时间两者有效结合起来,从而来降低房车横摆角速度。(2)主车车轮转向对车轮横摆角速度的影响转向轮以一定转向速度转向,并且转角为5°的情况下,房车车轮上加入和未加的制动力的仿真结果比较如图7所示。由图可知:在主车车轮转向的同时,房车的车轮上加了相应的制动力后有效的抑制房车横摆角速度的增加。以上的仿真工况都是建立在房车左右车轮制动力的大小相同的情况下进行的,然而左右车轮的不同制动力对房车的横摆角速度的影响才是至关重要的,因而又进行了以下两个工况的仿真计算。(3)最大横摆角速度仿真结果房车左轮最大制动力≥右轮最大制动力。整车以一定转向速度转向且转角分别为5°和8°情况下,改变房车左右车轮的最大制动力的差值,其差值分别为0、500、1000、1500N和2000N时,得到房车横摆角速度随时间变化关系的曲线,如图8(a)、(b)所示。由仿真结果可以看到,当房车的左轮最大制动力大于右轮的最大制动力时,随着左右车轮最大制动力差值的增加(与图中箭头方向相反),最大横摆角速度的值有增大趋势。在5°转向角情况下(图8(a)),左右车轮以不同制动力的制动对最大横摆角速度的影响不是很明显,然而在8°转向角情况下(图8(b)),采用左右车轮的不同制动力制动的影响显著。(4)不同最大制动力制动工况与工况3相反,房车左轮最大制动力≤右轮最大制动力。当整车以一定转向速度转向且转角分别为5°和8°情况下,改变房车左右车轮的最大制动力的差值,其值分别为0、500、1000、1500N和2000N时,得到房车横摆角速度随时间变化关系的曲线如图9(a)、(b)所示。由仿真结果可以看到,当房车的右轮最大制动力大于左轮的最大制动力时,随着左右车轮最大制动力差值的增加(沿着图中箭头方向),最大横摆角速度的值有减小趋势。在5°转角情况下(如图9(a)),左右车轮不同最大制动力制动对横摆角速度值的影响不是很明显,然而在8°转角情况下(如图9(b)),左右车轮采用不同最大制动力制动能够有效的减小制动过程的房车的横摆角速度。因此,在大转向角时,房车采用左右制动力不等的制动方式是有效的。4优化转向过程中,优化受制动力下的稳定条件通过以上的仿真,定性的分析了转向角速度、转向角和房车车轮制动力对房车横摆角速度的影响。转向角越大,房车的横摆角速度值也越大,房车趋于不稳定的状况,然而在房车上施加了一定的制动力后,使得房车的横摆角速度有了明显的减少。因而,优化转向过程中房车的制动力和制动时间可以减小房车的横摆角速度。尤其是在大转向角的情况下,房车左右车轮的差值制动,