（机械电子工程专业论文）基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 平板车是一种运输重型设备和构件的专用车辆，普遍用于运输大型船舶分段、工业 主机设备等重载场合。转向系统作为平板车的重要组成部分，对整个车辆的运载性能和 行驶安全性有至关重要的作用。 平板车是多桥全转向布置，转向系统是典型的机电液复杂系统。在运载和转向过程 中需要多桥、多轮组有良好的协同性，各个轮组要求有快速的瞬态响应。本文应用三维 实体建模工具p r o e 建立单桥实体模型，通过接口程序m e c h p r o 将模型导入大型动力学 仿真软件a d a m s ，根据实际载荷情况，应用a d a m s t i r e 模块对平板车转向阻力进行 动态分析，确定转向液压缸的最大推力，为转向液压系统的设计及优化奠定基础。 伺服阀控制液压缸是转向轮组液压系统的核心机构。本文应用a d a m s h y d r a u l i c 模块建立转向系统液压回路。在液压转向系统建模过程中，以液压原理图为原始模型， 完成对各液压元件参数的设置及函数的定义。根据液压元件性能参数及其物理方程，编 制了仿真函数，设置了各元件初始状态和工作状态下的性能参数。对构建的机械及液压 模型进行联合仿真，通过对仿真步长及仿真时间的设置，可以精确地观察仿真曲线变化 规律，诸如油缸运行速度、系统压力等。 在机、液联合仿真的基础上，应用a d a m s c o n t r o l 模块实现a d a m s 与 m a t l a b s i m u l i n k 的联合控制，应用s i m u l i n k 功能模块建立了控制系统框图，通过p i d 控制，实现机、电、液联合仿真。运行仿真并调整控制参数，获得理想的响应特性和控 制精度。 关键词：平板车；转向；联合仿真；a d a m s ；s i m u l i n k 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 t h er e s e a r c ho np l a t f o r mv e h i c l es t e e r i n gs y s t e m s i m u l a t i o nb a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p e a b s tr a c t p l a t f o t i nv e h i c l ei sas p e c i a lk i n do fv e h i c l e sf o rt r a n s i t i n gh e a v ye q u i p m e n ta n d c o m p o n e n t s ，i ti sw i d e l yu s e di nt h eo v e rl o a d i n ga r e a s ，s u c ha sc o n v e y i n gp a r to fb i gs h i p ， i n d u s t r i a lm a i n f r a m ea n de r e a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ep l a t f o r mv e h i c l e ，t h es t e e r i n gw h e e l g r o u ph y d r a u l i cs y s t e mp l a y sak e yr o l ei nt h ea s p e c to fc a r r y i n gp e r f o r m a n c ea n d r o a ds a f t y a p l a t f o r mv e h i c l ei sa r r a n g e dm o r eb r i d g e sa n dw h o l es t e e r i n g ，s t e e rs y s t e mi sat y p i c a l c o m p l e xs y s t e mw i t hm e c h a n i c a l ，e l e c t r i c i t ya n dh y d r a u l i c d u r i n gt h ec o u i s co fc a r r y i n ga n d s t e e r i n g , t h ed i f f e r e n tb r i d g e sa n dw h e e lg r o u p ss h o u l dc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e r , a n d r e s p o n df r e q u e n t l y i nt h i sp a p e r , t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l i n gt o o lp r o ei su s e dt o b u i l dt h es i n g l e - e n t i t ym o d e lo ft h eb r i d g e ，t h r o u g ht h ep r o g r a mi n t e r f a c em e c h p r o ，t h e m o d e li si m p o r t e dt ol a r g e s c a l ed y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，o nt h eb a s i so fa c t u a l l o a d ，ad y n a m i cs t e e r i n gr e s i s t a n c eo fap l a t f o r mv e h i c l ei sa n a l y z e db yu s i n gt h e a d a m s t i r em o d u l e ，t h em a x i m u mt h r u s to fs t e e r i n gh y d r a u l i cc y l i n d e r si sc o n f i r m e d ， w h i c hl a yaf o u n d a t i o nf o rt h eh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e md e s i g na n do p t i m i z a t i o n t h eo r g a n i z a t i o no fs e r v oc o n t r o l l e dh y d r a u l i cc y l i n d e ri st h ec o r ep a r to ft h ec y c l i c a l h y d r a u l i cs y s t e m i nt h i sp a p e r , a d a m s h y d r a u l i cm o d u l ei su s e di nt h ee s t a b l i s h m e n to f h y d r a u l i cc i r c u i ts y s t e m i nt h eh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mm o d e l i n g ，u s i n gh y d r a u l i cp r i n c i p l e m a p a st h eo r i g i n a lm o d e l ，t h ep a r a m e t e r ss e t t i n ga n df u n c t i o n sd e f i n i t i o no ft h eh y d r a u l i c c o m p o n e n t si sc o m p l e t e d a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dp h y s i c a le q u a t i o no f t h eh y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，s i m u l m i o nf u n c t i o ni se s t a b l i s h e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o ft h ei n i t i a ls t a t ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ec o m p o n e n t sa r ei n t e r c a l a t e d j o i n ts i m u l a t i o n i sp e r f o r m e do nt h em e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cm o d e l t h r o u g hs e t t i n gs i m u l a t i o ns t e ps i z ea n d t i m e ，t h ea c c u r a t ev a r i a t i o nr u l eo fs i m u l a t i o nc u r v e ，s u c ha st h eh y d r a u l i cc y l i n d e r ss p e e d ， s y s t e m sp r e s s u r ea n ds oo n ，c a nb eo b t a i n e d o nt h eb a s i so fm e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cj o i n ts i m u l a t i o n ，j o i n tc o n t r o li si m p l e m e n t e d b yu s i n ga d a m s c o n t r o l sm o d u l ea n dm a t l a b s i m u l i n kf u n c t i o nm o d u l e s ，t h e a p p l i c a t i o nh a se s t a b l i s h e dc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m ，t h r o u g hp i d ，t h ej o i n ts i m u l a t i o no f m e c h a n i c a l ，e l e c t r i c i t ya n dh y d r a u l i ci si m p l e m e n t e d b yr u n n i n gs i m u l a t i o na n da d j u s tt h e c o n t r o lp a r a m e t e r s ，t h ed e s i r e dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e c i s i o na r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：p l a t f o r mv e h i c l e ；s t e e r ；j o i n ts i m u l a t i o n ；a d a m s ；s i m u l i n k 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：2 竺壁年二三月l 生日 日期：三! ! 重年旦月上生日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 平板车转向系统概述 平板运输车是“机一电一液 一体化产品。全车采用液压驱动、液压悬挂、全轮独 立转向和车架液压调平等技术。该车的转向通过由微控制器控制的液压系统驱动转向机 构来实现，所以液压系统、机构参数、控制算法等因素对转向系统的性能起决定性作用。 转向轮组液压系统作为平板车的重要组成部分，对整车运行起到至关重要的作用。 图1 1 为单个转向轮组简图，图1 2 为转向机构简图。当系统发出转向指令后，液压缸 通过伸缩，推动回转支撑旋转，实现车轮的转弯【l 捌。升降液压缸一般不与转向液压缸 同时动作，当平板车驶进货架后，整车处于静止状态，开肩升降系统，整个平板车车架 被提升，托起载荷，锁定升降液压缸；平板车驶出货架后，停住车辆，使升降液压缸回 归原位，完成载荷的装载；卸载过程可以与上述过程相反，或直接借助起重机完成。 图1 1 转向轮组简图 f i g 1 1s t e e r i n gw h e e lg r o u pd i a g r a m 1 ) 升降臂2 ) 升降支架3 ) 升降液压缸4 ) 车轮5 ) 制动汽缸 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 ， 一m 矿l) 土翻耻一胖 = ，p 7 二 、j 七 o 八 一 毁4 。 k j j 一，夕 |； ) 图1 2 转向机构简图 f i g 1 2s t e e r i n gm a c h i n ed i a g r a m 1 ) 转向液压缸2 ) 回转臂3 ) 摇臂 平板车在运输载荷过程中可能需要实现诸如直行、斜行、横向蟹行、圆行等运动模 式，上述模式主要是通过操纵室内的方向盘和控制面板发出指令信号来控制转向轮组液 压系统完成。 国外从二十世纪三十年代开始研制重型平板车，并着手于液压转向系统的研发。经 过几十年的研究，目前的大型平板车均采用全轮液压伺服转向系统，具有高度自动调节、 全液压转向、计算机控制等特点，其中电子液压转向系统是整车控制系统的核心。平板 车制造商，如意大利的c o m e t t o 公司、德国的k a m a g 和s c h e u e r l e 公司，都采 用这种转向系统【3 - 4 。s c h e u e r l e 的s h t 系列平板车的全方位电子转向系统s a d e s s 是一个功能强大的高精度转向系统，有两个液压缸直接作用于每根轴轮组的两个转盘， 实现高精度的角度控制；每根轴的转向角为1 6 5 。，可转到3 6 0 。内的任意角度；转向 程序，如标准、横行、斜行和旋转，以及绕车辆内外某点旋转，都可以通过模式选择预 先设定；各编组车辆间的转向协同距离可达到1 0 0 m 。k a m a g 公司在1 9 9 4 年2 月研制 的自升式平板车在有效转向的情况下，创造了1 0 0 0 0 吨有效载荷运输的记录。 2 大连理工大学硕士学位论文 图13k a m a g 】0 0 0 t 平板车 f i g1ik a m a g1 0 0 0 tp l a t f o r mv e h i c l e 随着我国造船工业的迅速发展，各大船厂陆续从国外引进一些大型的平板车，咀解 决船体分段及大型设备陆上运输和平移问题，这为国产平板车的研发奠定了市场需求的 基础。1 9 9 6 年上海7 0 4 研究所对原进口的尼古拉斯大型平板车转向系统进行全面改造， 并取得成功。这标志着国内对平板车的研发踏上了一个新的台阶。 近年来，国内的一些生产厂家在积极探索平板车的设计研发途径，但由于国外在关 键技术上的垄断，我国的平板车的研制工作较国外的先进水平仍存在较大的差距，关键 零部件仍需要购买国外的产品。 虚拟样机技术的日臻完善，为进平板车自主技术的研发提供了条件。国内对平板车 转向系统等机、电、液混合领域关键技术的研究将进入崭新的发展阶段。 未来的平板车的转向系统在自动驾驶、障碍物避碰、自动导航引路等功能方面都可 以实现仿真。这将大大节省人力、物力提高设备的安全件，体现人机工程的完美结合。 1 2 选题背景和意义 在当今的工程机械行业中，重型运输设备越来越发挥着不可替代的作用。近年来， 随着平板车运载能力的不断提高，作用在转向台车上的载荷进一步增大，导致轮胎的转 向阻力增大。对于机、电、液集成运用的平板车转向系统来说，转向阻力的确定更成为 关系到整车转向、运载能力的关键。传统的转向阻力计算，人们还在依据理论公式的推 导和经验计算，只限于静态的理论计算，无法考虑转向过程中转向速度、路面情况等动 态因素对轮胎实际转向阻力的影响。在实际的设计中，往往选取较大的设计余量，进而 保证系统有足够的转向驱动力。这种处理办法使驱动设各的规模和负担增大，导致资源 的浪费。 虚拟样机技术的不断发展，为此项工作提供了很好的研究手段。该技术将各种不同 学科门类的技术集于一体，在计算机上进行整体系统的完整数字化分析，并提供各种可 能的数据分析结果。随着计算机技术和现代设计方法的不断改进和完善，使得建立平板 3 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 车转向系统的虚拟样机具备了硬件和软件的条件。对于平板车转向系统这样机、电、液 集成系统，在研究和分析的基础上，根据实际的转向系统结构，利用联合仿真的方法， 借助c a e 软件a d 蝴s ，p r o e ，建立平板车转向系统的虚拟样机模型，并通过 m a t l a b s i m u l i n k 建立闭环控制模型，最终实现系统的联合仿真。 1 3 论文的主要工作内容和技术路线 本文通过a d a m s t i r e 模块的应用，对平板车的转向阻力进行了动态分析；通过 a d a m s h y d r a u l i c 、a d a m s c o n t r o l s 及s i m u l i n k 的联合应用，建立了机、电、液联合 系统的整机模型，通过仿真得到系统的影响因素及动态性能。 ( 1 ) 利用p r o e 建立平板车转向系统的三维实体模型，并通m e c h p r o 创建刚体导入 a d a m s ： ( 2 ) 利用a d a m s t i r e 模块为转向系统添加轮胎，按照实际轮胎参数配置轮胎文件及 路面谱文件，运行仿真，获取动态转向阻力数据； ( 3 ) 利用a d a m s h y d r a u l i c 建立液压系统模型，运行仿真并调试，获得液压系统各组 件的参数配置； ( 4 ) 利用a d a m s c o n t r o l 将机械、液压系统封装为a d a m s s u b 块，并导入控制程序 m a t l a b s i m u l i n k ； ( 5 ) 利用s i m u l i n k 模块建立闭环反馈控制系统，引入p i d 算法，以一种简单有效的方 法调节系统； ( 6 ) 运行机、电、液联合仿真，配置仿真参数，进行结果分析。 4 大连理工大学硕士学位论文 2 轮组转向系统阻力计算 在港口、船厂等场合广泛使用的平板运由于车身较长，作业时转向频繁，使用空间 小，要求转向半径小，转向灵活。重型平板车采用的是全轮转向的方式，采用液压驱动 系统，具有转向半径小，控制性能好、结构紧凑、便于布置等优点，可实现直行、斜行、 横向蟹行、圆行等转向模式，保证了作业时的机动性。 作为典型的重载运输车辆，平板车转向阻力的计算对整车的设计都起着至关重要的 作用，直接决定液压传动及控制系统的参数和性能。准确而全面的考虑转向过程中的阻 力变化情况对整机的机动及运载性能有着重要的意义。 2 1 平板车转向阻力理论计算 目前国内对平板车研究较少，设计时还没有完整的理论依据可以参考。在设计和评 价平板车转弯性能时，一般都是参考国外同类车辆，利用经验公式进行近似计算【_ 7 1 。 本节对平板车原地转弯运动进行了系统分析，在吸收经验公式的基础上利用微单元 积分法和平面几何法，根据相对运动理论研究了平板车转弯的过程，分析了转弯能力的 评价指标和设计时必须考虑的因素。提出了平板车转弯阻力矩的理论算法，为进一步的 设计和计算提供了理论依据。 2 1 ：1 转向原理 平板车的车架是具有足够承载能力的钢架结构。其它部件都直接或间接安装在车架 上，每根半轴都是一个能够作转向运动的独立轮组，液压举升油缸用于控制轮组的支撑 高度，转向油缸推动回转盘运动可以使轮组在正反两个方向自由旋转，这些独立轮组的 组合是平板车实现复杂转弯运动的机械基础。 平板车的转向运动可根据预选转向模式来决定转向轮组的运动，大致有以下几种转 向模式： ( 1 ) 圆形转向模式：车体绕车身中心旋转； ( 2 ) 一般转向模式：所有的车轮绕一个共同的中心旋转，最小的内转弯半径为零； ( 3 ) 斜行行驶模式：每个车轮转角可以从0 。到1 0 0 。在两个方向( + 1 0 0 。1 0 0 。1 上进行旋转。 。电气系统中的计算机通过控制伺服阀调整每个车轮组上的转向液压缸位移，转向装 置的运动将通过转向轮上的增量传感器反馈给计算机，进而实现转角的闭环控制。液压 缸位移通过一个带旋转杆的中间杆传递到轮组转盘上。这种形式简单可靠、维修方便， 转向运动灵活且无级可调。通过控制装在转向柱上的电气制动器，实现方向盘制动，进 而保证及时地控制方向盘相对轴的位置。 5 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 当出现一个轮旋转错误时，在驾驶室监控制台上指示灯发出警报。每一个轴都能进 行独立控制，当误差值大于8 。时，行驶驱动装置就自动切断。当一个车轮出现故障时， 造成方向盘制动器开关失效，这时可用手动模拟直接给损坏的轴提供一个转向脉冲量。 这个转向装置是设计成满载静止不动时也可旋转的。 对平板车来说，除了在由直线改为弯道行驶时必须将各轮组与地面作相对偏转外， 在某些工况还要求在非行驶状态下偏转轮组以调整车辆的运动方向，即原地转向。一般 都是平板车先制动停下，然后每个轮组按照转向程序的设计规则转到相应的位置，然后 整车绕转弯瞬心转动，实现精确灵活转向。 由于克服原地转弯时所需的阻力转矩大约是行驶过程转弯的3 倍左右【8 】，所以在平 板车设计过程中原地转向阻力的校核是选择发动机功率、各传动部件的重要因素，以原 地转弯时的阻转矩作为计算转矩能保证平板车在不利的条件下进行转向。 对平板车原地转弯阻力矩的计算可分为两种情况，一是在非行驶状态下各轮组转至 预定位置时所需的阻力矩；一种是行驶状态转变下车辆所需的阻力矩。 2 1 2 原地转向阻力矩 数学模型是实物现象的特征或本质的数学表现，可以把它看成是用抽象符号来表示 系统实物的各种物理、几何、时间动态过程中各主要因素间内在联系的关系式。正确建 立数学模型，也就是把握住了它的内在联系和解决这一问题的方法。 ( 1 ) 塔布莱克简化公式法 塔布莱克法是比较流行的计算车辆原地转弯阻力矩的方法，在不能通过实测获得精 确结果的情况下，该法在设计阶段可以对设计起到参考价值。 如图2 1 所示，充气轮胎在轮压z i 作用下，塔布莱克假定轮胎与地面之间的接触面 积为以轮胎宽度b 为直径的圆面积( 图中阴影线所示) 。在非行驶状态，车轮绕轮组中心 o 在地面滚转，所需克服的摩擦阻转矩，可假定为一集中摩擦阻力绕o 所形成的摩擦阻 转矩。 则单个车轮绕轮组中心点滚转的摩擦阻转矩为： 坂，= z i 磊厢 ( 2 1 ) 其中 弓轮组中心0 点到车轮接地面积几何中心o i 的距离，i n m ； 善i 综合摩擦阻力系数； 6 大连理工大学硕士学位论文 图2 i 塔布莱克计算简图 f i g 。2 i t a b l a k cc a l c u l a t i o nd i a g r a m 一当量半径ck 2 = 鲁一：筹，彳= 警山为轮胎赫吣 图2 2 轮胎载荷分布图 f i g 2 2 t i r el o a dd i s t r i b u t i o nd i a g r a m 图2 2 为在附着系数为0 7 的干混凝土路面上，孝随e b 变化的曲线，e = 0 时， 善= ：o 7 ，随着e b 的增加孝减小。当e 增大到一定程度后，继续增大e 值对f 影响不 大。系数孝综合考虑了车轮与地面的滑动摩擦引起的阻力转矩与另一部分绕o 转动时轮 胎滚动阻力引起的阻力转矩，该参数可以作为设计参考，整车的转弯阻力矩即为m m i 塔布莱克简化公式假设轮胎接地压力均匀，计算简单，对小型车辆的设计确实能起 到一定的参考作用，但对于类似平板车这样的运输吨位达到几百吨、上万吨的超重机械， 7 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 轮压分布不可能是均匀的，而且在纵向变化很大，假设轮压均匀将使理论阻力转矩与实 际阻力转矩之间存在巨大偏差。 ( 2 ) 微积分法 轮胎载荷在地面上的分布，无论横向和纵向都是不均匀的，在计算轮胎转弯阻力时， 为便于分析，可适当做以下假定： 在标准气压与负载时，轮胎接地产生如图2 3 剖面线所示的接地印痕。 图2 3 轮组计算简图 f i g 2 3 w h e e lg r o u pc a l c u l a t i o nd i a g r a m 不考虑轮胎花纹沟槽对实际接地面积的影响，接地宽度为轮胎的宽度2 b ，接 地弦长2 1 = 2z i ( q 万b ) ( q 为轮胎内压) 。 轮胎接地压力的分布可近似认为横向是均匀的，纵向接近于抛物线状如图2 4 ， 轮组所受压力的中心与轮组几何中心重合。抛物线方程： 其中 p = m ( t 2 一y 2 ) m = 3 z i ( 8 9 b 1 ) ( 2 2 ) 当作用在轮组上的力的中心在地面上的投影与0 点重合时，地面作用在车轮上的轮 压呈抛物线状分布，如图所示。作用在每个车轮上的垂直力为z i ，车轮的轮压方程 为式2 2 ，车轮上任意微小单元对地面的正压力为p i d x d y 。整机原地转弯阻力系数为u ， 则车轮与地面接触面内任意微小单元对。点的阻力矩为p i d x d y0 可， 每个轮组 原地转弯阻力矩是该轮组所有车轮转弯阻力矩之和，即 8 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 呈抛物线状分布的轮胎接地压力 f i g ，2 4p a r a b o l a - s h a p e dd i s t r i b u t i o no fg r o u n dt i r ep r e s s u r e m m i = x l 耻p i 厢出a y = 2 、酗p i 厢d x 毋 眨， d i d 2 其中 口= ( x ，y ) b i - b z 忍+ 6 历娜厢仁， 由数学分析知识可知，在椭圆区域上的积分不可能用初等函数来表示。在工程应 用中，建议采用复杂性适中、精度高的复合s i m p s o n 公式对式2 3 进行数值积分。m m i 即为整机的转弯阻力矩。 2 1 3 行驶状态阻力矩 理论上，只要所有车轮都绕转向瞬心d 转动，则所有车轮都处于无侧滑的滚动状态， 当轮组以转向半径r j 绕瞬心d 在地面上滚动时，轮组中每个车轮应该有不同的滚动速 度。但实际上，同一轮组只能以同一速度( 轮组中心速度) 转动，因而车轮轮胎和地面的 接触面上的各点将产生滑动。这种相对滑动，将引起地面对轮胎的切向反力( 阻力) ，并 形成转向行驶时的阻力矩。如图4 所示，同一轮组上各个车轮的速度皆不同，如o 点 速度v t = t r i ，则各车轮的速度分别为： vt i = t ( r j + 1 3 2 ) = vt + t b 2 vt 2 = t ( r i + b i ) = v t + t b i v3 3 = t ( r i b i ) = v t 一t b i v1 4 = dt ( r j 一1 3 2 ) = vt 一6 0t b 2 9 ( 2 4 ) 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 式中广无滑移时，轮组中心o 绕转向瞬心d 的转动角速度按照相对运动原理，车 轮绕转向瞬心d 的运动可以看成以下2 种运动的合成：一种是以速度vt 的移动； 一 种是以角速度6 2 t 绕d 。的转动，这就意味着转向时轮胎支撑面与接地面之间存在着相 对滑动。轮组以角速度( ) t 绕。转动，每个车轮相对地面的滑动速度= t b i ， 另外，车辆在行驶过程中，轮胎与地面必然存在着相对滑转，滑转率6 = vt i ， 此时车轮接地中心点的切向滑动速度为： 6 = v , i = 6vt i = 8 r r i ( 2 5 ) 滑转率6 值应根据试验测定，估算时可取6 ：o 0 2 。在有速度损失的情况下，o 点实际 速度为： v = v t - k = r io r ( 1 8 ) ( 2 6 ) 轮组几何中心o 绕转向瞬心d 转动的角速度( i ) = v r i = t ( 卜6 ) ；轮组以角速度绕d 。转 动，其内外侧车轮相对于地面的滑动速度为： 屹卿= - - - - - b i ( 1 ) t ( 1 6 ) ( 2 7 ) 从以上分析可以看出，外侧接地点相对地面的滑移是向前的，地面给外侧车轮的 滑动摩擦阻力是向后的，而给内侧车轮的滑动摩擦阻力是向前的，也就是说地面相对 轮胎接地面作用了一个与车轮偏转方向相反的摩擦阻力矩。轮组间距愈大，摩擦阻力 矩也愈大，此力矩试图使车轮回到直线行驶的方向。因此计算摩擦阻力矩时必须考虑 车轮滑移因素的影响。 轮胎滑动速度分布为梯形a b c d 女i ：i 图2 5 所示，假如地面的切向反力与滑移距离成 正比，则切向反力的分布与梯形a b c d 相似， 切向反力的合力f 必定通过梯形的形 心。这样该轮组转向行驶时的阻力矩： 其中 m m i - r ea i = z f z a i f 滚动阻力系数： a i 梯形形心与轮组中心的距离( i = l ，2 ) 。 1 0 ( 2 8 ) 大连理工大学硕士学位论文 il - 2 i t 。 f参 p p t 墨r勿 ， ob t 乎 。 a 毯 p 龟毖 0 ， d 黎 苦墨 晒 图2 5 梯形形心计算简图 f i g 2 5 t r a l ) e z o i d - s h a p e x ih e a r tc a l c u l a t i o nd i a g r a m a=攀l b 1 ( v 8 3 - - v 8 2 ) 3 ( + 2 )3 皿 呸= 瓦b 1 ( v 8 4 而- v s l ) = 等 z 3 ( + 1 )3 职 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 根据几何关系可以分别算出每个轮组的转向半径r ，再由式2 8 求出每个轮组的阻 力矩，继而求出整机转弯阻力矩，即m = m m i 。 2 2 平板车转向阻力仿真分析 由于轮胎与地面间的阻力很难通过实验测得，以往的计算只能依赖于经验公式或理 论推导结果，这不仅使计算结果的准确性无法保证，更主要的是这些算法还无法计入动 态因素的影响。分析表明动态参数的变化对转向阻力影响很大。 大型动态系统仿真工具a d a m s 集成了轮胎模块t i r e ，配合对应路面文件可实现对轮 胎转向过程的动态仿真模拟，为轮胎转向阻力这一复杂问题的研究提供了方便。 2 2 1 转向系统三维实体建模 ( 1 ) p r o e 几何建模 针对某型平板车二维几何模型，应用三维实体建模工具p r o e 建立转向系统同桥 双台车模型如图2 6 所示。 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 圈2 6 转向系统实体模型 f i g26s t e e r s n gs y s t e ms o l i dm o d e l 平板车由多个台车支撑，每个台车上都设有能够实现转向运动的独立轮组，这些 独立轮组是平板车实现复杂转弯运动的基础。 三维实体部分包括车架整体结构、回转支撑、支撑液压缸，回转驱动液压缸及升降 臂如图28 ，在转向过程中，回转油缸接收电控系统的转向信号，执行伸缩动作，通过 回转机构如图27 驱动回转支撑转动，进而带动升降臂和升降支架，驱动轮桥实现转向 动作。 图27 回转机构 f i 9 27r o t a t i n g m a c h i n e 圈2 8 升降机构 f i 9 28l i t t i n g m a c h i n e 三维实体建模的完成为多体动力学仿真建立了基本框架，在p r o e 建模过程中， 应用默认单位制m m k s 这在实现与a d a m s 的导入时会出现错误，因此，在完成几何建 模后，要将组件及零件的单位制统一修改为i n k s 。为了保证仿真的精确性，在建模结束 后，通过设置材料密度，将实体的属性设置为钢。此项参数也可通过a d a m s 中的选项 进行修改，至此完成了三维几何模型的建立。 ( 2 ) 接口程序m e c h a n i s m p r o m e c h a n i s m ，p r o 是m d i 公司开发的连接三维实体建模软件p r o e 与机械系统动 1 2 大连理工大学硕士学位论文 力学仿真分析软件a d a m s 的接口模块，二者采用无缝连接的方式即不需要退出 p r o e 应用环境，就可以将装配完毕的总成根据其运动关系定义为机械系统模型进行 系统的运动学或动力学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算约束副的作 用力等等：使用它还可咀在p r o e 中定义刚体和施加约束后，将模型传送到a d a m s 中， 以便进行全面的动力学分析。 正确安装接口软件m e e h p r o ，配置路径信息，实现p r o e 与a d a m s 问的无缝连 接。正确安装接口后，在p r o e 的装配模式下出现菜单选项，如图2 9 所示。 c r e a t e m o s j f y i n f o 图2 9 接口程序菜单 f i g29i n t e r f a c e p m g r 衄m o i b 通过s e t u p m e c h a n i s m 选项( 如图) 创建刚体，在这个过程中，需要注意几个问题， 首先通过p r o e 建立的装配体零件需要有不同的零件名，否则在导入a d a m s 的过程 中会出现错误信息：在进行装配的过程中，有相对运动的零件要分别进行转配，不能以 一个装配体的形式在m e c h p r o 中创建刚体，否则这些零件之间将不能定义约束，而是 成为一个刚体。建议在装配的过程中，以某个零件作为装配基准，将其余零件分别装配 到这个基准上，这样，就可以在任何零件之间添加约束，定义相对运动。 在m e e h p r o 中可以实现约束的添加，其中集成了常用的约束类型，约束的添加在 a d a m s 中也可以实现，两者的功能是完全等效的。m a r k e r 点的创建可以在m e c h p r o 中实现，同样也可以在a d a m s 中完成，需视情况而定，在某些情况下，前者的定义过 程简单高效，这样可以更快捷的为仿真做准各。最终m e c h p r o 会生成c m d 文件，供 a d a m s 调用。 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 2 2 2a d a m s t ir e 模块 a d a m s 厂r h 是研究轮胎道路相互作用的建模可选模块，利用该模块，工程师可以 更方便的计算侧向力、自动回正力矩及由于路面不平而产生的力，进而装备不同轮胎的 整车在各种路面条件下的多组道路试验。 a d 蝴s t i r e 可以计算轮胎为克服滚动阻力而受到的垂向、纵向和侧向载荷；仿真 研究车辆在制动、转向、加速、滑行、滑移等大变形工况下的动力学特性；研究车辆的 稳定性，计算汽车的偏转、俯仰和侧倾特性；其输出力和加速度数据可以作为有限元软 件包的输入载荷进行相应的应力和疲劳特性研究。 a d a m s t i r e 模型的数据输入形式多样，既可以是轮胎特性，也可以是试验数据表。 ( 1 ) 轮胎模型 a d a m s v i e w 提供了5 种轮胎模型【9 】：f i a l a 轮胎模型，u a 轮胎模型，d e l f t 轮胎 模型，s m i t h e r s 轮胎模型和u s e rd e f i n e d ( 用户自定义) 轮胎模型。其中f i a l a 轮胎模型、 u a 轮胎模型和u s e rd e f i n e d ( 用户自定义) 轮胎模型为解析模型，d e l f t 轮胎模型、s m i t h e r s 轮胎模型为试验模型。 f i a l a 轮胎模型是f i a l a 在1 9 5 4 年由简化的轮胎理论模型导出的无量纲解析式。这种 模型比较简单，回正力矩误差较大，在不把内倾角作为主要因素并且把纵向滑移和横向 滑移分开对待的情况下，对于简单的操纵性分析可以得到合理的结果。 u a 轮胎模型是在1 9 8 8 年由美国a r i z o n a 大学的n i k r a v e s h 和g i m 等人研制开发的 一种更精确的轮胎模型，它使用摩擦圆概念计算由侧偏角、滑移率、外倾角及垂直方向 变形等综合影响下的力和力矩，在计算中，该模型考虑了纵向和横向综合滑移的情况。 解析轮胎模型的轮胎特性文件需要1 1 个参数，它们是m o d e l ( 模型类型) ，r 1 ( 自由半 径) ，r 2 ( 胎冠半径) ，c n o r m a l ( 径向刚度) ，c a l p h a ( 侧偏刚度) ，c g a m m a ( 夕 - 倾刚 度) ，e r r ( 滚动阻力矩系数) ，n o r ( 径向相对阻尼系数) ，u o ( 静摩擦系数) 和u 1 ( 动摩擦 系数) 。 s m i t h e r s 模型使用来自s m i t h e r ss c i e n t i f i cs e r v i e c e s 的数据计算侧向力和回正力矩， 使用f i a l a 模型计算其余的力和力矩。这种模型的计算精度比较高，但是必须使用 s m i t h e r s 公司提供的轮胎的试验数据的前提下才能使用。 d e l f t 模型又称为m a g i cf o r m u l a 模型，是世界上著名的轮胎模型，其函数表达式和 数据格式与其他的轮胎模型不同，该模型所有的函数、公式只用正弦和余弦这两个三角 函数来表达。a d a m s 软件中的d e l f t 模型中的数据文件由1 1 块组成，每一块确定轮胎 的一种特征属性。 在a d a m s 中建立轮胎模型时，需要提供相应的轮胎特性文件，其中包括的轮胎特 性参数有：轮胎自由半径、轮胎径向刚度、纵向滑移刚度、侧偏刚度、外倾刚度、径向相 1 4 大连理工大学硕士学位论文 对阻尼系数、滚动阻力系数、静摩擦系数、动摩擦系数，以及任一时刻轮胎相对于路面 的运动产生的轮胎变形和侧偏角等运动信息。对于不同的轮胎模型，a d a m s t i r e 模块 根据运动信息和轮胎特性参数，采用相应的计算公式计算各时刻轮胎接地点处的六个作 用力。 本文轮胎模型采用f i a l a 轮胎模型，各轮胎采用同样的特性参数。它使用摩擦圆概 念计算由侧偏角、滑移率、外倾角及垂直方向变形等综合影响下的力和力矩，根据轮胎 特性参数，可以编制在a d a m s v i e w 中的轮胎特性文件t i r e t p f 中。 表2 1 为五钟轮胎模型的轮胎特性文件所需的输入参数和每种轮胎的应用范围。 表2 1a d a m s 轮胎类型概述 t a b 2 1s u m m a r i z eo fa d a m s t i r e ( 2 ) 地面谱 地面谱的编制要满足轮胎的要求：一、地面谱的位置要处于轮胎的下方；二、地面 谱向上的方向要指向轮胎所处的一侧；三、地面谱的大小要根据仿真的需要确定。 本文使用的是一块尺寸为1 6 m * 8 m 的水平地面，地面数据文件编制完成后，将其保 存在工作目录中，保存类型为r p f 文件。 2 2 3f iala 模型 ( 1 ) f i a l a 轮胎模型的假设 f i a l a 模型的背景是物理轮胎模型，其中，胎体被模拟为在侧向弹性基上的梁，弹性 刷单元提供胎体与路面之间的接触。根据这些假设，可以得出稳定状态滑移特点的解析 表达式，这是a d a m s 计算纵向和侧向力的基础。 基于虚拟样机的平板车转向系统仿真研究 图2 1 0 轮胎受力情况 f i g21 0 t i r e f o r c e 矩形接触区域； 压力分布在接触区域均匀； 不考虑轮胎松弛效应： 外倾角的轮胎力没有影响。 f 2 ) f i a l a 轮胎模型的输入 f i a l a 模型的输入主要由两方面组成： 轮胎模型( t i r ) 所需要的参数，如轮胎的无偏转半径； 轮胎的运动学状态，如滑移角( 口) 。 ( 3 ) f i a l a 轮胎模型的力学评价 f i a l a 轮胎模型的力学评价围绕三个方向进行，分别是轮胎在实际工况下与路面之间 相互作用产生的径向力f z 、纵向力f ，、侧向力f ，如图21 0 所示。 径向力 路面作用与轮胎上的径向力在s e a 坐标系( + z 向下) 下总是负值( 方向向上) ，镜像力 为： f = m i n ( 00 ， 巳+ 巴】) ( 21 1 ) 其中 f n 为由垂直刚度( u ) 产生的径向力： f 。为由垂向阻尼( v 0 产生的径向力； f d = 一u o p e n ( p e n 为轮胎变形) ；