（机械制造及其自动化专业论文）无杆飞机牵引车制动性分析.pdf

哈尔滨t 秆大学硕十学付论文 摘要 无杆飞机牵引车是用于调度飞机的专用保障车辆，它作业时通过联机装置与飞机形 成牵引车一飞机一体系统。牵引车一飞机系统的制动性直接关系到系统的作业安全，论文 对牵引车及牵引车一飞机系统具备最优制动性能时的制动力分配进行研究，得出了牵引 车及牵引车一飞机系统具备最优制动性能时牵引车前后轮制动力分配及制动力分配与制 动减速度的关系。具体内容如下： 提出了牵引车及牵引车一飞机系统制动力分配方法。论文以车辆制动力分配理论为 基础建立了无杆牵引车及牵引车一飞机系统前后轮最大制动力公式。 建立了仿真模型。对牵引车及牵引车飞机系统的制动性分析需要以模型为基础， 应用多体动力学分析软件a d a m s 建立了具体的牵引车一飞机系统模型。 设计了仿真实验。无杆飞机牵引车及牵引车一飞机系统以各自的三个减速度制动， 对比它们在不同减速度下达到最优制动性能时的前后轮制动力，找出规律并加以验证。 仿真并对结果进行综合分析、验证发现：无杆牵引车单独制动时，当其后轮制动力 与总制动力的比值约为0 6 时就能达到最佳制动状态；牵引车一飞机系统制动时，当牵引 车后轮制动力约为牵引车总制动力的0 7 2 时，车一机系统具备较好的制动性能。无杆 牵引车与牵引车一飞机系统具备最优制动性能时的前后轮制动力分配与其制动时的制动 减速度无关。 关键词：牵引车一飞机系统；模型仿真；制动性；制动力分配 无杆飞机牵引车制动性建模分析 t h et o 、) l ，b a r l e s sa i r c r a rt r a c t r o r ( t l di sak i n do fs p e c i a ls u p p o r tv e h i c l eu s e df o r s c h e d u l i n ga i r c r a f t w h e nt h et o w i n go p e r a t i o ni sc a r r i e do u t , t h et r a c t o ra n dt h ea i r c r a f tf o r m at m c t o r - a i r c m f is y s t e mt h r o u g ht h eo n - l i n eu n i t t h eb r a k i n ga b i l i t yo ft m c t o r - a i r c m rs y s t e m i sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eo p e r a t i o n a ls a f e t yo ft h es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h eb r a k i n gf o r c e d i s t r i b u t i o no ft o w b a r l e s sa i r c m rt m c t m rw h e ni th a st h eo p t i m a lb r a k i n ga b i l i t yi ss t u d i e d a n dt h eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o no fa i r c r a f tt r a c t o r sf i o n t - r e a rt i r e sa n dt h er e h t i o n s h i p b e t w e e nb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o na n db m k i n gd e c e l e r a t i o nw h e nt h et r a c t o ra n dt h e t r a c t o r - a i r c r a t ts y s t e mh a v eo p t i m a lb r a k i n gp e r f o r m a n c ea r eo b t a i n e d t h ec o n t e m sa l ea s f o l l o w s ： t h em e a n sa b o u tt h eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o no ft h et o w b a r l e s sa i r c r a f tt m c t m ra n d t r a c t o r - a k c r a f ls y s t e mi sr e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ev e h i c l eb r a k i n gf o r c e d i s m b u t i o nt h e o r y , t h el a r g e s tb r a k i n gf o r c ef o r r m h sw e r ed e d u c e d s i m u l a t i o nm o d e l so ft h et o w b a r l e s sa i r c r a f tt r a c t r o ra n dt h et r a c t o r - a i r c r a f ts y s t e m w e r ee s t a b l i s h e db y 璐矗塔m u 蛐o d ys y s t e md y r l a m i c ss o f t w a r ea d a m s t h ee x p e r i m e n t ss i m u l a t i n gt h et o w b a r l e s sa i r c r a f tt r a c t r o ra n dt r a c t o r - a i r c r a f ts y s t e m r e s p e c t i v e l yb r a k i n gp r o c e s sw i t ht h r e ed i f f e r e n tb r a k i n gd e c e l e r a t i o n sa n dc o n t r a s t i n gt h e f r o n t - r e a rt i r e so f a k c r a f lt r a c e rb r a k i n gf o r c e sw e r ed e s i g n e d ，t h e n 时t of i n do u tt h er e g u l a r p a t t e r n sa n dv e r i f yt h e m i tw a sc o n c l u d e dt h a t ：t h eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o no fa i r c r a f tt r a c e r sf r o n t - r e a rt i r e s w h e nt h et m c t o ra n dt h et r a c t o r - a i r c r a f ts y s t e mh a v eo p t i m a lb r a k i n gp e r f o r m a n c eh a sn o r c l a t i o m h i pw i t hb r a k i n gd e c e l e r a t i o n ；t h et o w b a r l e s sa i r c r a f tt m c t r o rc a na c h i e v eo p t i m a l b r a k i n gp e r f o r m a n c ew h e nt h er a t i oo f b r a k i n gf o r c eo f t r a c t o r sr e a rt i r e st ot h et o t a lb r a k i n g f o r c ei sa b o u t0 6 ；t h et r a c t o r - a i r c r a f ts y s t e mh a v eo p t i m a lb r a k i n gp e r f o r m a n c ew h e nt h e r a t i oo fb r a k 吨f o r c eo ft r a c t o r sr e a rt 娩st ot h et l t st o t a lb r a k i n gf o r c ei sa b o u to 7 2 k e y w o r d s ：t h et r a c t o r - a i r c r a f ts y s t e m ；m o d e ls i m u l i t i o n ；b r a k i n gp e r f o r m a n c e ；b r a k i n gf o r c e d i s t r i b u t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 飞机牵引车是飞机重要的地面保障车辆，它经历了替代车辆、有杆飞机牵引车、无 杆飞机牵引车三个发展阶段。无杆飞机牵引车产生于上世纪7 0 年代，现在普遍应用于 地面机场及载机军舰旺1 。 无杆飞机牵引车与飞机的连接位置有以下三种：连接点位于牵引车前后轴之间， 见图1 1 德国k r a l l $ $ m a f f e i 公司生产的的p t s 1 型无杆飞机牵引车p 。：连接点位于牵 引车后轮之间的空档上：连接点位于牵引车前轮之间的窄档上。 图1 1p t s - 1 型无杆i s 机牵引车 无杆牵引车采用第种车机连接位置可以使飞机前轮所承受重量在牵引车作业时 由牵引车前后轮共同承载，保证牵引车前后轮受力均匀；采用第种连接位置是为了使 车机连接时牵引车后轮承载飞机前轮所承受的重量的全部，保证后轮地面附着力；采 用第种连接位置可以使牵引车作业时飞机前轮所承受的重量全部加载在牵引车的前 轮上，此时牵引车前轮只用作驱动轮，后轮起转向及辅助承载作用，保证转向的灵活方 便。 2 0 0 0 年以来我国的民用和军用飞机产业都得到了飞速的发展：支线客机及大飞机项 目都有了明显的进展，2 0 0 9 年我国民航飞机保有量在1 6 0 0 架左右，估计到2 0 2 5 年将达 到6 0 0 0 架；我国也正大力研制新式战机，自主研发的第三代战机歼1 0 已经列装，中巴 合作的枭龙战机已开始批量生产，歼1 5 舰载机正在试飞当中。放眼世界第一架空客a 3 8 0 已经交付使用，军用战机也在快速的更新换代，美国的第四代战机f 2 2 已经批量生产， 俄罗斯的第五代战机t - 5 0 也成功进行了试飞。 新式飞机在具备高性能的同时单价也很昂贵( 如f 2 2 单价超2 亿美元) 。无杆牵 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 引车在地面牵引飞机作业时稍有不慎就可能造成为巨大的损失。近几年发生的多起无杆 飞机牵引车牵引飞机作业事故多由无杆牵引车制动引起，使人们认识到研究牵引车- 飞 机系统作业的安全性尤其是车机系统制动性能的重要性。 1 2 课题的研究现状 无杆牵引车飞机系统是复杂的多体系统，对它建模要以多体系统动力学为基础。 多体系统( m u l t i b o d ys y s t e m ) 是指由多个刚体或柔体通过一定方式相互联结而构成 的复杂系统。根据系统构件的力学特性可将多体系统分为多刚体系统、多柔体系统和刚 柔耦合多体系统。刚柔耦合多体系统是多体系统中最一般的模型弘。 多体系统动力学理论是一门综合多门学科的交叉性理论，是应用力学的组成部分。 近年来多体系统动力学不仅在学术理论上促进了许多学科的相互渗透和进一步发展，而 且在车辆工程、机械系统、生物力学及航空和航天等工程领域受到广泛的应用。多体 系统动力学主要研究系统的运动规律，它包括建模方法和数值算法两个核心研究内容。 建模是将工程中的实际系统抽象成具体多体系统，对系统中有关物理量进行分析和描述， 然后利用相关的数学力学理论和方法推导出多体系统动力学方程的过程。数值算法就是 对建立的动力学方程进行求解的过程。多体系统动力学的研究经历了多刚体系统 ( s y s t e m so f m u l t i - r i g i db o d i e s ) 动力学和柔性多体系统( f l e x i b l em u l t 如o d ys y s t e m ) 动力学 两个阶段，现已形成相对完备的理论体系。 多刚体系统的理论研究已经非常成熟，应用于工程领域时有两种不同的建模方法即 拉格朗日方法和笛卡尔方法。以罗伯森维腾堡方法为代表拉格朗日方法是一种相对坐 标方法，由c h a c e 和h a u g 提出的笛卡尔方法是一种绝对坐标方法，在笛卡尔方法的基 础上又形成了完全笛卡尔方法。两种方法应用领域不同，拉格朗日方法主要应用在航天 领域，而笛卡尔方法侧蕈应用于机械工程领域“酊。对多刚体系统拉格朗日方法产生的动 力学数学模型的求解，通常采用符号数值相结合的方法或全数值的方法。符号数值方 法是先采用基于计算代数的符号计算方法，进行符号推导，得到多刚体系统拉格朗日模 型系数矩阵简化的数学模型，再用数值方法求解o d e 问题。 柔性多体系统动力学建模理论经历了运动弹性动力学( k e d ) 方法、传统混合坐标方 法和考虑了动力刚化效应的各种非线性理论三个阶段。柔性多体系统动力学建模理依据 是柔性多体系统动力学方程，系统数学模型推导方法目前大致有三类：牛顿欧拉 ( n e w t o n - e u l c r ) 向量力学法、以拉格朗 ( l a g r a n g c ) 方程为代表的分析力学方法、基于达 2 第1 章绪论 朗 刍( d a l e m b e r t ) 原理，引入偏速度、偏角速度导出的动力学方程即k a n e 方法。近年来 柔性多体系统动力学建模理论经历了长足的发展，已可以建立相对精确的模型，并能控 制误差，但相对于多刚体系统动力学，柔性多体系统在建模、数值计算方面的研究都还 未达到成熟的水平一。多柔体系统动力学数学模型的求解，可以借鉴多刚体系统数学模 型的求解方法，只是混合坐标中描述浮动坐标系运动的刚体坐标q 通常是慢变大幅值的 变量，而描述相对于浮动坐标系弹性变形的坐标a 却为快变微幅的变量，两类变量出现 在严重非线性与时变的耦合动力学方程中，其数值计算呈病态，将出现多刚体系统中见 不到的数值计算困难0 1 。 目前对多体系统动力学建模和求解已经有较成熟的商业化应用软件支持，如德国的 m e d y n a 软件，应用多体系统动力学建模软件可以高效地建立飞机牵引车飞机系统的 模型。 一直以来对牵引车的制动性研究均以车辆的制动性理论为基础来研究牵引车制动 性本身：研究具体牵引车的制动特性及牵引车液压制动系统的结构、参数对制动特性的 影响，鲜有研究牵引车结构与其制动性的关系。 、 牵引车的制动性受牵引车前后轮制动力的影响，牵引车前后轮的制动力分配受牵引 车的结构影响，而牵引车作业时形成的牵引车飞机系统的制动性受引车结构及车机连 接位置的影响。那么牵引车前后轮制动力怎样影响牵引车的制动性，牵引车的结构怎样 影响牵引车的制动性及牵引车在作业时牵引车结构和车机连接位置怎样影响牵引车飞 机系统的制动性就成了亟待解决的问题。概括的讲就是以无杆飞机牵引车飞机系统的 制动性为考量来研究牵引车结构及车机连接位置。解决这个问题要研究牵引车及车机 系统最佳制动性能时的牵引车前后轮制动力分配。 1 3 课题的目的及意义 本文以无杆牵引车及牵引车飞机系统模型为研究对象，其目的为确定使车机系统 具备最优制动性能时的牵引车前后轮制动力( 最佳制动力) ，主要研究意义在于： 提高牵引车制动性能 研究牵引车制动性主要研究确定牵引车最佳制动力分配及最佳制动力分配与制动 减速度有怎样的关系，明确了前两者就可以根据牵引车具体的制动情况合理的分配前后 轮制动力，使牵引车达到较好的制动性能。 提高牵引车飞机系统的制动性能 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 无杆牵引车是为了在地面牵引、顶推飞机而装备的辅助专用车辆，且无杆牵引车在 作业时与飞机形成车机一体系统，研究车一机系统制动时最优的制动力分配及最优的制 动力分配与减速度的关系就能在系统制动时合理分配制动力，保证系统制动性能，提高 牵引车作业的安全性。 以、为基础深入研究牵引车及车机系统最优制动性能与牵引车重心及车机 连接点纵向位置的关系，改进牵引车结构，提高牵引车作业时的效率及可靠性。 1 4 论文的主要内容及结构安排 为了研究牵引车及牵引车飞机系统具备最好制动性能时的牵引车前后轮制动力分 配，首先应明确牵引车及牵引车飞机系统的最大制动力公式，建立牵引车及系统制动 力分配理论；其次把牵引车飞机系统具体化，确定其拓扑结构及基本参数，建立牵引 车飞机系统模型；第三设计实验，仿真分析。 本论文共分为五章，具体章节安排如下： 第l 章：绪论部分，介绍课题研究的背景，阐述对牵引车制动性研究的必要性和意 义，综述该问题的国内外研究现状并概括论文的主要内容。 第2 章：以基本的制动力分配理论为基础，推导牵引车及牵引车飞机最大制动力 理论公式。 第3 章：建立牵引车、飞机模型及牵引车飞机系统模型，并对模型进行检验。 第4 章：设计仿真实验，设置仿真参数，对牵引车模型进行仿真、分析。 第5 章：对飞机牵引车飞机系统模型进行仿真、分析。 4 第2 章牵引车制动力配比分析 第2 章牵引车制动力配比分析 制动性是保证车辆安全行驶非常重要的能力及评价指标，研究牵引车的制动性要以 制动性理论为基础。 2 1 车辆制动性及评价 车辆制动是指使运行中的车辆降低速度或停止运行的动作，完整的制动过程包括驾 驶员作出制动动作、制动器起作用、持续制动和放松制动四个阶段。 车辆制动性是车辆在行驶时能短距离停车且维持行驶方向稳定性、在下坡的时能维 持一定车速及在一定坡道上能长时间停放的能力。 评价车辆制动性的指标主要有制动效能、制动方向稳定性及制动效能的恒定型三个 方面”1 2 1 ，见图2 1 。 孙 芝竺望堡 f 一 圈 矧 | 苣磊昌 臣型匦垂日 口圈 l 制动时的方向稳定性l l精倒滑鲐力l l 、璺 【、匝圜 槲 图2 i 车辆制动性评价指标 制动效能是指在良好路面上，车辆迅速降低车速直至停车的制动距离和制动减速度， 这是制动性能最基本的评价指标。制动距离是车辆从制动生效到车辆完全停住，这段时 间内所走的距离。 制动方向稳定性是指车辆在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力。制 动跑偏、侧滑、前轮失去转向能力是车辆制动方向不稳定的主要表现，也是制动方向稳 定性的评价指标。 前轮失去转向能力是指制动时车辆不再按原来弯道行驶而沿切线方向驶出，或者车 辆直线行驶时转动转向盘仍按直线行驶的现象；制动跑偏是指车辆在制动过程中自动向 左或向右偏驶的现象；制动侧滑是指制动时车辆的某轴或多轴发生横向移动的现象。严 5 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 重的跑偏必然侧滑，对侧滑敏感的车辆也有跑偏的趋势。 制动效能的恒定性包括抗水衰退性和抗热衰退性。抗水衰退性是指车辆涉水后对制 动性能的保持能力；抗热衰退性是指车辆高速制动、短时间重复制动或下长坡时连续制 动时制动效能的热稳定性即制动致制动器温度升高后车辆对制动性能的保持能力。 制动性是车辆在制动时体现的性能，直接关系到车辆工作行驶的安全性，是车辆主 动安全性能最重要的评价指标。统计显示重大的事故常与制动距离过长、紧急制动时发 生侧滑和失去转向能力等情况有关。 2 2 制动力配比理论 2 2 1 制动力配比概念 制动力配比：车辆在制动过程中确定前后轮制动力或前后轮制动力与总制动力的比 值。车辆( 尤其是高速行驶时) 紧急制动时前后轮制动力的分配情况会极人影响车辆制 动性能引。 当制动力使前轮抱死后轮不抱死时：前轮横向附着系数减为零( 见图2 3 ) h p 路面已不 能提供转向侧向力，车辆失去了转向操纵性，此时后轮并没有被抱死，车辆若受到外界 侧向力作用，车前轴中点速度将发生改变从而是车辆产生与侧向力方向相反惯性力，减 弱或抵消了侧向力的作用，使车辆在制动时仍有良好的横向稳定性。 当制动力使前轮不抱死后轮抱死时：后轮横向附着系数减为零，此时车辆若受到外 界侧向力作用，车后轴中点速度将发生改变从而是车辆产生与侧向力方向相同惯性力， 增强了侧向力的作用，车辆很容易产生甩尾或掉头现象，尽管车辆前轮没有被抱死，但 前轮的转向操纵已很难控制其行驶方向。该情况对行车安全是一个很大的威胁，应予以 避免。 当制动力使前轮后轮同时抱死时：车辆仍可能进行转向操纵且不产生甩动；不进行 转向操纵时，车辆全部车轮也可以保持直线滑移直至最后停车螂协h 嘲。 综上所述：前轮或后轮只一方抱死时车辆的转向操纵性都不能实现，但车辆只前轮 抱死时其仍能直线运动直至停止，而只后轮抱死时其在高速下极可能失控。最理想的设 计是使前后轮同时达到抱死状态，然而由于前后轮制动响应误差、轮胎路面附着系数 变化及制动载荷转移等因素的影响，前后轮同时制动抱死是很难实现的，现行的办法就 是通过车辆上主制动器的压力调整来合理分配前后轮制动力，以使其能达到良好的制动 状态。 6 第2 章牵引车制动力配比分析 2 2 2 制动力配比分析 1 假设条件 低速时空气阻力相对于路面提供的制动力很小且很随机，不可预知、控制，忽略 空气阻力；不计滚动阻力；路面平坦，车辆在制动过程中轮胎无径向跳动。 2 车轮与路面的作用力 车辆与路面的作用就是车轮与路面的作用，在制动过程中主要表现为路面对车轮的 阻力即路面制动力。广义的制动力是指使车辆制动的一切力，包括路面制动力、空气阻 力、滚动阻力等；车辆的制动过程是人为控制过程，车辆的制动也主要是通过路面对轮 胎的阻力来实现，故通常把路面制动力称为制动力即狭义的制动力7 1 。在分析整车制动 受力之前应先分析一下车轮与路面的作用力。如图2 2 所示，车辆以车速y 向前运动， 以减速度口制动。 矿 一 矿 1 i _ 历弋! 一l ： 一 i ， 横 纵 v 向 附 着 系 数 轮胎滑移率 久 图2 2 车轮制动受力图2 3 附着( 制动) 系数与滑移率的关系 图2 2 中：车辆作用到车轮上的力，n ；e 一路面制动力，n ；一地面对车轮 支持力，n ；卜车辆制动时制动器对车轴( 车轮) 产生摩擦力矩，n m m 车辆以减速度n 制动时，制动器对车轴( 车轮) 的摩擦力矩为疋，疋是路面制动力 产生的来源，也是制动过程中的控制源。定义制动器制动力e ，且e = 疋r ，显然制动 器制动力取决于力矩l 及车轮半径。足相当于车辆制动时把汽车架离地面促动制动装置 后，在车轮周缘沿切线方向推动车轮直至能转动所需要的力；丁为制动器与车轴( 车轮) 间实际作用力矩，当制动器与车轴问有相对转动时，t = l ，当制动器与车轴间无相对 转动时，7 取决于外界作用力矩即r = 兀r ；兄为路面附着力即车轮与路面间摩擦力( 在 汽车工程中将车轮与路面间的摩擦称为附着) ，五= w 肛；p 为附着系数( 又称制动系 数) 即车轮与路面间摩擦系数：轮胎与路面的摩擦主要表现为表面附着和弹性迟滞，在 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 确定的轮胎和路面的情况下，附着系数还与轮胎滑移率有关，如图2 3 所示；滑移率是 接触区域滑动速度与前进速度的比值即滑移率入= i ，一c o r v 1 0 0 。b 为路面制动力， 它由路面附着力和制动器制动力决定：q = m i n ( f z ，昂) ，局与气及艺的关系见图2 4 。 注：m i n ( x ，) 为取小值函数，意为取两者中小者。 定义作用力与反作用力f 7 、f ”，且f = e 。t 7 为f 与e 的力偶，t = r r ：此时 车轮等效于受到一个与行驶方向相反的作用力f 及合力矩r 一丁，其中f = b ，合力矩 大小为i 丁一r i ，方向与r ，7 中大者一致。 由图2 4 可知：局是踏板力易的函数。当踏板力昂不大于。时，五，b = 五， 制动器与车轴问有相对转动，t = e r ，则合力矩i 丁一t i = 0 ，则此时车轮等效于受 到作用于车轮心的制动力f = 艺= t r ：当踏板力昂不小于昂1 时，五，b = 气， 制动器与车轴间无相对转动，t = 五r ，则合力矩i 丁一t l = 0 ，则此时车轮等效于受 到作用于车轮心的制动力f 7 = 兀= w 。 f l f u f p l龄板撕p 图2 4 路面制动力 。综上知：车辆在制动过程中，车轮等效于受到一个作用在车轮中心，大小和方向均 与路面制动力相同的力，且该力大小不超过路面附着力。 3 整车制动力分配 制动力分配即整车前后轮制动力分配。分析车辆制动时车轮受力就是为了分析整车 受力，整车基本参数如图2 5 所示。 第2 章 牵引车制动力配比分析 图2 5 制动时整车受力 图2 5 中：广车辆前轮受到的路面支持力，n ；t - 车辆后轮受到的路面支持力， n ；一车辆重力，n ；l 一车辆车轴距离，m m ；l a 一飞机牵引车前轮距重心距离，m m ； l 广飞机牵引车后轮距重心距离，l l l n ；，l _ 车辆重心距地面的距离，m m ；t r 、耳一车 辆制动时制动器对前后车轮产生摩擦力矩n m m 。 ( 1 ) 车辆处于静止状态( n = 0 ) n r s = w k f ln n s = w ( 2 ) 车辆以减速度n 制动( a = c ) n f = w l b l + w a h l g = n f s 七n d n r = w l a l _ w 。a h f l 9 = n r s n d 式中：，。一车辆静止时前轮受到的路面支持力，n r 。一车辆静止时后轮受到的路面支持力，n d 一车辆制动时的惯性力( 或称为动态转移载荷) ，n 此时牵引车前轮可达到的最大制动力为l ， = 厂。u p = ( 厂s + d ) t l p = ( w 吧b l + w 吨目) t l p ( 2 - 1 ) 此时牵引车后轮可达到的最大制动力为露r 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 f m r = r u p - - - - - ( r , - n d ) u p = a l _ w a 日卜( 2 - 2 ) 式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 中，唯有口为变量，、均是口的函数，f m 厂、与口关系见图 2 6 。 当牵引车前轮达到最大制动力时 口= + ( 2 - 3 ) 将式( 2 3 ) 代x 至u ( 2 1 ) 式得： = h u p ( l 卉u p ) 旷ku 吮巾u p ) ( 2 4 ) 当牵引车后轮达到最大制动力时 口= + 吩m ( 2 - 5 ) 将式( 2 5 ) 代入到( 2 2 ) 式得： = v 矿l a u p ( l u p ) 一u 吮朴h p ) 吩 ( 2 _ 6 ) f l t 式( 2 4 ) 、( 2 6 ) 知、f m r 分别为耳、吩的函数，以吩为横坐标，为纵坐标将式 ( 2 - 4 ) 、( 2 6 ) 的曲线整合到一张图上，见图2 7 。由图2 7 可知：当后轮制动器制动力耳犬 于图中后轮最大制动力时，后轮将抱死；当前轮制动器制动力吩大于前轮最大制动 力时，前轮将抱死；对确定的减速度n = c ，则吩+ 辱= 仇n ，其前后轮制动力对( 弓，耳) 应在图2 7 所示的线段上选取嘲。 f m 前 后 轮 最 人 制 动 力 d 减述j 叟 图2 6 前后轮制动力与减速度关系 f r 后 轮 最 大 v 制 动 ) 、 口 d 前轮( 最人) 制动力疗 图2 7 前后轮最大制动力合成图 1 0 第2 章牵引车制动力配比分析 2 3 牵引车一飞机系统制动力分配 由2 2 节知：车辆的制动力分配就是在确定前后轮最大制动力的函数关系后，在不 抱死区域选择前后轮制动力对( 吩，r r ) 。研究无杆牵引车制动性，当牵引车处于非作 业状态时，应分析牵引车的制动性；当牵引车在作业状态时，牵引车成为飞机的一部分， 形成车机一体系统，此时车机一体系统的制动性直接关系到飞机安全，研究车机系统 制动性的更为重要。 图2 7 制动时军引车乜机系统受力 图2 7 中：n 1 厂独立飞机牵引车前轮受到的支持力，n ；n 。r 一独立飞机牵引车后 轮受到的支持力，n ；嵋一飞机牵引车重力，n ；上，广飞机牵引车轴距，m m ；l 1 厂聿 引车前轮距重心距离，f i l m ；l l r 牵引车后轮距重心距离，m m ；h i 一飞机牵引车重心 距地面的距离，i i l m ；2 ，一独立飞机前轮受到的支持力，n ；n 2 r 一飞机后轮受到的支 持力，n ；啦一飞机重力，n ；l 厂飞机轴距，m m | 2 厂飞机前轮距飞机重心距离， m i l l ；l 2 r - - - - 琶机后轮距飞机重心距离，m m ；h 2 一飞机重心距地面的距离，r a m ：l a 牵 引车飞机牵引点距牵引车前轮距离，m m ；l 一引车飞机牵引点距牵引车后轮距离， m l t l ；啤引车飞机牵引点距地面的距离，m m ；耳牵引车前轮制动力，n ；b 牵 引车后轮制动力，n ：虬一飞机后轮滚动阻力，n 2 3 1牵引车制动力分配 1 牵引车处于静止状态时 n l f 。= l x r l 。：y 1 r n 。= m 么。 ， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 n l z f - m 。l 1 r l 1 = n i 玎w i l i r = 式中：n 1 ，厂飞机牵引车静止时前轮受到的支持力，n l 体一飞机牵引车静止时后轮受到的支持力，n 把厂飞机牵引车前轮受到的支持力，n j 1 z r 一飞机牵引车后轮受到的支持力，n 2 牵引车以减速度n 制动时 n 1 z f = 嵋。l 1 r l 1 + 嵋。a h 1 l 1 日= n l f s + m 口h 吮1 日= n l f s + j 1 d k r = 嵋。工1 么。一嵋。口。 1 l 1 g = ，r s 一嵋。口。h 1 l 1 g = ，r s 一1 d 式中：n 1 d 一机牵引车在制动时的惯性力( 又称动态转移载荷) ，n 牵引车前轮可以达到最大制动力为 = n l z ，。u p = ( n 1 加+ n 1 d ) 。 p 口= + 。 式中：m 广飞机牵引车的质量，k g 将式( 2 - 8 ) 带入式( 2 - 7 ) 得： ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 哳= h i 。u p ( l 。一 ，u p ) 耳+ w 1 。l l r 。l 卫p ( l ，一h ，u p ) ( 2 - 9 ) 牵引车后轮可达到最大制动力为 = n 1 z r 。u p = ( 1 r s n 1 d ) u p ( 2 - 1 0 ) 口：吩+ m ， ( 2 1 1 ) 将式( 2 11 ) 带入式( 2 1 0 ) 得： f m r = w x l l f u p ( l 1 + p ) 一h i u 呢，+ i 。) 吩 ( 2 - 1 2 ) 本小节对无杆牵引车前后轮最大制动力公式推导中未计滚动阻力：因为前后轮的滚 动阻力与前后轮制动时的路面附着力相比很小，且前后轮的的滚动阻力是减速度的函数， 第2 蕈牵引千制动力配比分析 考虑滚动阻力对结果影响很小，但却使公式变得复杂。 2 3 2 车一机系统制动力分配 研究无杆牵引车作业时的制动性就是研究车机系统的制动性，对车机系统的制动 性分析首先要对系统进行受力分析，确定牵引车前后轮最大制动力曲线，明确前后轮制 动力选取范围口。 1 牵引车一飞机系统处于静止状态时 n l f - n l f $ = 嵋。l 1 r l 1 ；n l r - - n i = w x l v l 1 n 2 f - n 2 f s - l z r l 2 ；n 2 r = n 2 一鹕呜么2 n 2 l 厂= 吨2 r 吧吮2 l 1 - n 2 f 吃以1 ；n 2 1 r = w 2 吒2 r 吒吮z l i = n z f l 以l 牵引车前后轮支持力 1 巧= 嘶l l r l 1 + l 2 r l 2 l 1 = j v l 厂+ 2 1 ， 。打= m 屹1 么1 + l z r l a l z l 1 = j 1 r + 2 1 r 式中：2 1 ，一由飞机作用到牵引车上引起的牵引车前轮受力，n n 2 l ，一由飞机作用到牵引车上引起的牵引车后轮受力，n 2 牵引车一飞机系统以减速度a 制动时 埘= l x r + m i 。a h 1 ) l 1 + ( p v 2 l 2 r4 m 2 。a h 2 ) l b l 2 l 1 + m 2 a 1 1 玎= n l f + n 2 1 f + 岛1 ，玎= 。l l f - m i a h 1 ) l j r ( l z r + m z a h z ) 一a 。m 2 a h l ， n 1 z r = n 1 r + n 2 1 r g 2 1 式中：乞，一制动时由飞机惯性力引起的牵引车转移载荷，n 牵引车前轮制动力达到的最大制动力f m ，时 = n 1 z ，。u p = ( n 1 厂+ 2 1 ，+ g 2 1 ) 。t l p ( 2 - 1 3 ) 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 口= f m ，+ i i i t h ( 2 1 4 ) 口= ”， ji z i 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 3 ) 得： 式( 2 1 5 ) 中： 哳= 兰弓+ 最 甄= t n l 。 1 。l 2 + m 2 2 l b + m 2 。h l 2 ) u p l 2 l 1 m c ，码- + 吮。) 式中：m 一车一机系统总质量，l ( g 牵引车后轮达到的最大制动力为时 昂l r = 1 打u p = ( 1 r + 2 1 t - 一g 2 1 ) u p 将( 2 17 ) 其代入式( 2 - l6 ) 得 式( 2 - 1 8 ) q ： 伍= 1 1 f 撇| m ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) = 轰吩+ 彘( 2 - 1 8 ) 如= m 2 咄2 _ m 1 飞也- m 2 垤心) 。1 叽： m c z 码n l r s - k n 2 f s l 吮。) 式( 2 1 5 ) 、( 2 - 1 8 ) 为车- 机系统前后轮最大制动力公式 2 4 本章小结 本章详细分析无杆牵引车及牵引车飞机系统的制动力分配。第一节介绍了车辆制 动性的基本概念及制动性客观评价指标，对无杆牵引车及车机系统同样适用；第二节 概述了车辆制动力分配的基本概念并分析了制动力分配的基本理论，车辆制动力分配理 论是以两轴车为基础进行分析的，对于多轴车辆，通过取各轴合力作用点的方式简化为 单轴车辆处理。第三节以前两节为基础分析飞机牵引车及车机系统制动时的制动力分 配，并推导了牵引车前后轮最大制动力公式。 1 4 第3 章系统模型的建市 第3 章系统模型的建立 对无杆牵引车制动性进行仿真研究需要仿真载体即车机系统仿真模型。对牵引车 系统建模是指通过对牵引车零部件几何模型施加运动学约束、驱动约束、力元和外力矩 等要素形成表达系统动力学特性的物理模型的过程。 3 1 建模工具选择 随着计算机技术的快速发展计算多体系统运动学理论( c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c so f m u l t i b o d y s y s t e m s 简称计算动力学) 成为了多体动力学的一个新的发展方向。计算动力 学的最终日标是开发大型通用仿真软件以解决实际的工程任务，多国企业及研究人员在 该领域做了大量研究工作，并产生了以m a d y m o 、r e c u r d y n 、s i m p a c k 、c a d a m b 及a d a m s 等为代表的多种大型软件。这些软件有些是专业软件，有些是通用软件，涵 盖了很多工程应用领域，也取得了很大的商业成功。 m a d o 是2 0 世纪7 0 年代年由荷兰的t n o 公路汽车研究会开发、致力于汽车 碰撞安全性研究的一款专业软件，它可以对汽车上安装的所有的保证驾驶员安全装置如 安全带、安全气囊等进行模拟。 r e c 珊d y n ( r e c w s i v ed y n a m i c ) 是2 0 世纪7 0 年代山韩国f u n t i o n b a y 公司开发的一 款通用商业软件，该软件采用相对坐标方法建模和递归技术，求解速度块，可以处理多 变形和碰撞等问题。 s i m p a c k 是2 0 世纪8 0 年代由德国宇航局动力学计算研究室开发，现由s i m p a c k a g ( 原i n t e cg m b h ) 公司负责商业化开发的一款模块化的机械、机电系统运动学和动力 学仿真分析的多体动力学软件，它采用相对坐标方法建模和递归方式进行推导计算，可 应用于汽车，轨道，航天等工程领域。 c a d a m b 是1 9 8 6 年由我国上海交大洪嘉振教授根据柔性多体系统动力学单向递推 组集建模理论和计算方法开发的柔性多体系统动力学通用的计算机辅助分析软件。现在 该软件采用一次近似模型，并引入了并行计算方法，提高了建模和计算效率。c a d a m b 软件可对任意拓扑构型的柔性多体系统进行运动学、动力学分析，并可处理变拓扑构型 的多体系统，具有很强的通用性和完善的辅助分析功能。 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m l 软件是由美国m d i 公司 ( 已并入m s c ) 开发的机械系统动力学仿真分析软件。a d a m s 软件功能强大，可实现 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 对复杂机械系统进行静力学、运动学及动力学性能的仿真分析，也可进行碰撞检测。现 已成功应用于航空航天，车辆工程等许多领域。另外a d a m s 软件商业化非常成功，在 世界机械系统动力学建模仿真领域占有一半以上的份额心2 “矧。另外该软件具有以下特点： a d a m s 软件采用模块化设计，可根据需要快捷选用模块建模、仿真。a d a m s 软件由基本模块、专业模块及嵌入模块组成2 扪。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和建模要素库：零件库、力库、约束库创建完 全参数化的模型啦6 1 。 a d a m s 可以与c a d 、s o l i d w o r k s 、u g 及p r o e 等二维三维建模软件通过图形 格式文件相互交换，实现快速建模。 a d a m s 软件实现了计算动力学的建模、求解、结果输出这三个基本要求：a d a m s 软件具有交互式图形环境和集成的建模要素库，用户可以方便快捷地创建参数化的机械 系统物理模型并能自动将物理模型转变为数学模型；a d a m s 软件的求解器可以对建立 的模型精确求解；a d a m s 软件可以图形，曲线，视频等方式直观的呈现给用户仿真结 果，便于用户对机械系统的性能、参数等进行分析、优化。 经过认真试用对比，决定使用a d a m s 软件对牵引车飞机系统进行建模、制动性 仿真分析。 3 2 牵引车一飞机系统建模 建立无杆牵引车及牵引车飞机多体系统的模型，不仅要理清系统的拓扑结构，还 需分析系统中零部件的相互关系。建立可靠车机系统模型的重点难点就是建立高精度 的系统零部件模型及正确的系统零部件相互关系。 3 2 1 无杆牵引车模型 1 无杆牵引车总体结构 牵引车包括有杆牵引车和无杆牵引车，相对于有杆牵引车无杆牵引车具有以下优点： 牵重比( 可安全牵引的飞机重量与牵引车自身的重量的比值) 大。有杆牵引车的牵重 比多在5 1 0 之间( t - 般不大于1 0 ) ，无杆牵引车作业时夹持飞机前轮放置在车架上， 承载了部分飞机重量，增加了牵引车驱动轮的负载，其牵重比多在1 0 - - - 2 0 之间，有些 甚至大于2 0 ，这就说明牵引相l 一质量的飞机，无杆式牵引车的自重比有杆牵引车的自重 要小得多。无杆牵引车牵引飞机时取消了牵引杆，通过自身夹持提升装置牵引飞机， 即牵引车飞机形成“两位一体”，相对于有杆牵引车，简化了工作程序，缩短了纵向 1 6 第3 章系统模型的建立 长度，且车机一体，具有良好的操纵性和车机结合性，保证飞机运行的轨迹。用无杆牵 引车牵引军用飞机，可使飞机快速的定位到起飞点上，缩短飞机起飞准备时间，增强飞 机的快速反应能力，满足灵活机动的要求嘲嘲1 ，见图3 1 。 网3 1 尢杆乖j l 牟绎：i j l 乍用匕机 飞机牵引车自身质量较小，为了增大牵引系数( 最大牵引力与车重之比) 、获得较 大的牵熏比，提高作业时牵引车的性能，多采用4 轮驱动。如金轮坤天公司开发的一款 无杆牵引车可根据作业、非作业工况通过自由轮阀的开闭实现两轮驱动和四轮驱动的转 换：作业时自由轮阀打开，四轮驱动：非作业时自由轮阀关闭，前轮驱动。综上论文巾 牵引车为无杆四轮驱动牵引车忙9 1 m 1 。 无杆飞机牵引车按结构可以分为发动机、底盘、车身、电气设备、联机装置五部分， 见图3 2 。按功能飞机牵引车包括四个主要的功能系统即行驶系统，实现夹持举升作业 的工作系统，转向