（机械设计及理论专业论文）重型越野车防抱死制动系统的动力学仿真.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = ： 捅萋 重型越野车作为_ 种运输重要设备的载体，其工作条件决定了它必须具备优良的 制动性能。本文以中国三江航天集团“九五”预研课题“重型越野车制动防抱死系统 ( a b s ) 应用研究”为背景，对一种四轴重型越野车a b s 制动系统的动力学特性进行 深入研究，通过两种仿真方法的对比分析，得到了系统输出响应的动态特性，为提高 a b s 的控制质量，改善制动性能提供了有价值的依据。 本文根据制动系统执行机构的物理模型，建立了气液混合型压力驱动回路中主要 元件的数学模型，给出了一种制动器弹性模型，并将这些模型有机结合起来形成了系 统的数学模型。同时，引入先进的虚拟样机技术，建立了制动系统执行机构的a d a m s 虚拟样机模型，实现了柔性介质驱动回路和刚性制动器的联合仿真。 通过a d a m s 样机模型完成了系统从建压过程到降压过程的动态仿真，得到了系 统在这两个过程中的压力变化的动态特性。针对建压过程，与他人的研究成果l 进行了 比较验证了本文所建制动系统的数学模型和虚拟样机模型的正确性。 制动力矩的是制动系统最终的输出结果，它直接关系到制动的效率。本文建立了 该车单轮制动器制动力矩的数学模型，进行了相应的效能计算。并且利用a d a m s 单 轮制动器样机模型完成了蹄片和制动鼓之间非线性接触力的仿真求解，得到t n 动力 矩随轮缸压力变化的规律。依据相关理论对两种模型进行了验证，结果表明了两种模 型和理论的一致性。 本文在两种模型对比分析的基础上，获得了一些比较合理的分析结果。这种在同 一系统中采用不同仿真方式的对比分析方法，有助于提高复杂机械系统的设计质量和 性能预测的可信度。l 一 关键词： 制动系统，边查壁性，虚拟样机模型，对比分析 _ 一+ ，一一，_ 一一 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = # = = = ；= ；= = = = ；= ；= = 。= = = = = = = = = = = 一：= a b s t r a c t t h eg o o d b r a k i n gp e r f o r m a n c eo f t h eh e a v yo f f - r o a dv e h i c l e ，w h i c hi su s e dt ot r a n s p o r t s o m ei m p o r t a n te q u i p m e n t ，i sd e t e r m i n e db yi t sw o r k i n gc o n d i t i o n s o nt h eb a c k g r o u n do f t h ec h i n as a n j i a n gs p a c eg r o u p s n i n ef i v e r e s e a r c h p r o j e c t “a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho f a n t i l o c k b r a k i n gs y s t e m ( a b s ) o nh e a v y o f f - r o a d v e h i c l e ”，t h i s t h e s i sl u c u b r a t e si n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o ft h e b r a k i n gs y s t e m o nak i n do ff o u r - a x l eo f f r o a dh e a v y v e h i c l e ，a n df i n d st h eo u t p u tr e s p o n s eo ft h es y s t e mb yt w od i f f e r e n ts i m u l a t i o nm e t h o d s t h es t u d yp r o v i d e ss o m ei m p o r t a n tp r o o ff o ri m p r o v i n gc o n t r o l l i n gq u a l i t yo fa b sa n d b r a k i n gp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt o t h ep h y s i c sm o d e lo ft h eb r a k i n gs y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f m a i n c o m p o n e n t s o ft h e p n e u m a t i c - h y d r a u l i cd r i v i n g c i r c u i ta r ee s t a b l i s h e d ，a n da n e l a s t i c i t y m o d e lo ft h eb r a k ei sp u tf o r w a r d ，t h e na l lm o d e l sa r ej o i n e di no r d e rt of o r mam a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h es y s t e mi nt h ep a p e r s i m u l t a n e i t y , a na d a m s v i r t u a l - p r o t o t y p e - m o d e lo f t h e s y s t e m i ss e t u pb ya d v a n c e v i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h e u n i t e ds i m u l a t i o ni s c o m p l e t e dw i t hb r a k ev i r t u a l p r o t o t y p e m o d e l a n dt r a n s f e r r i n gp r e s s u r em o d e l ，w h i c hi s m a d e u p o ff l e x i b l em a t e r i a l d y n a m i cs i m u l a t i o no f t h ep r o c e s sf r o mi n c r e a s i n gp r e s s u r et or e d u c i n gp r e s s u r ei s c o m p l e t e dw i t h t h ea d a m s v i r t u a l p r o t o t y p e m o d e l ，a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f t h et w o d r o c e s s e si sf o u n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h et w od i f f e r e n tm o d e l sd u r i n gt h ep r o c e s so f t h e i n c r e a s i n gp r e s s u r ea r ec o m p a r e dw i t ho t h e ri n v e s t i g a t o r s r e s e a r c hr e s u l t ，a n dt h e a r i a l y t i c a lc o m p a r i s o nv e r i f i e st h ev a l i d a t i o no f t h e t w om o d e l s a st h ef i n a lo u t p u to ft h es y s t e m ，t h eb r a k i n gt o r q u ea f f e c t st h ee f f i c i e n c yo f t h eb r a k e am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb r a k et o r q u ei sb r o u g h tu pi n t h ep a p e r , a n dt h ee f f i c i e n c y f a c t o ro ft h eb r a k ei sc a l c u l a t e dw i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h en o n l i n e a rc o n t a c tf o r c e b e t w e e nt h eb r a k e d r u ma n df r i c t i o n l i n i n g i ss i m u l a t e db yt h e v i r t u a l p r o t o t y p e s u b s e q u e n t l v t h er e l a t i o nb e t w e e n t h eb r a k i n gt o r q u ea n dw h e e lc y l i n d e rp r e s s u r ed u r i n g t h e i n c r e a s i n gp r e s s u r ei sf o u n d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t w om o d e l sa r ep r o v e dt ob e i d e n t i c a lw i t ht h et h e o r y 0 nt h eb a s eo fa n a l y t i c a lc o m p a r i s o nb e t w e e nt w om o d e l s ，t h ep a p e r g e t 3 s o m 。 r e l a t i v e l vr e a s o n a b l e r e s u l t so ft h ea n a l y s i s t h em e t h o d ， w h i c hi n t r o d u c e s d i f f e r e n t t i 华中科技大学硕士学位论文 = ；= ；= ；= = = 2 = # = = = = 一= s i m u l a t i o nm e t h o d si n t oas y s t e mt o a n a l y z et h er e s u l ti nc o m p a r i s o n h e l p st o i m p r o v e d e s i g nq u a l i t ya n dp r e d i c t i o nr e l i a b i l i t yo ft h ep e r f o r m a n c eo fs o m ec o m p l e xm e c h a n i c a l s y s t e m s k e yw o r d s ：b r a k i n gs y s t e m ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，v i r t u a l p r o t o t y p e m o d e l ，a n a l y t i c a l c o m p a r i s o n i i i 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = = = = = ；= = = = = = = = 一一 1 1 课题背景 1 绪论 随着汽车工业的发展，社会对汽车的安全可靠性提出了更高的要求，引入防抱死 制动系统a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 技术已经成为一种趋势。它是制动时防止车轮抱 死，以期待得到最大有效的制动效率和制动操作的稳定性，从而尽可能避免交通事故 的发生和减轻事故造成的危害的一种机电一体化装置。其关键技术是在传统的制动系 统的基础上采用电子控制，使得制动过程中车轮处于非抱死状态，这样不仅可以防止 制动过程中后轮抱死而失去方向的稳定性，同时可以防止前轮抱死而丧失转向的能力， 提高车辆躲避前方障碍物的操纵性，和弯道制动时的轨迹保持能力，而且最终的制动 距离也比同类车型不装a b s 的车辆的制动距离要短。作为用来运输精密仪器和一些特 殊用途的设备的专用重型越野车，其制动性能的好坏直接关系到这些仪器和设备能否 萨常使用。如何改进和提高特种重型越野车的制动性能，是当前摆在研究人员面前必 须解决的一项重大课题。a b s 的引进是对传统制动系统的一次革新，与其它工程车辆 一样，特种越野车上安装a b s 是改进和提高其制动性能的重要举措。 国外重型越野车发展较早，从二十世纪的六十年代以来，4 w d 的越野车辆日益普 及，多轴驱动的特种重型越野车也形成了系列化产品，如自俄罗斯的m a z 系列、俄罗 斯的明斯克车辆厂、德国的m a n 系列、美国的m 系列。长期以来，它们都经历了实地 检验，越野、制动等各方面的性能是相当出众的。一个重要的原因就是a b s 广泛的应 用。二十世纪八十年代以后，a b s 技术得到很大的发展，在美国汽车的a b s 装车率已 超过5 0 。鉴于重型车、大客车的重要作用，欧洲和美国在相应法规的要求下，其装车 率达扣j 9 0 以上。 长期以来在计划经济形式下，我国重型汽车发展缓慢，现有的特种重型越野车主 要有b j 2 1 2 、n j 2 2 i b 、w s 等系列，整体性能和国外的有较大的差距。近几年b j 2 1 2 根据引进的切诺基的技术，作了一些改进，然而在山区、丘陵、沙漠、冰雪、泥沼等 极其恶劣的路面条件下，其越野和制动性能还是不能令人满意，引入a b s 、提高其控 制席量璐存必行【2 】【3 】【4 】【5 】【6 1 。 本课题主要通过对特种重型越野车a b s 的应用技术研究，从而对多轴重型越野车 a b s 应用技术有所突破。要最终能在多轴重型越野车上实现a b s 系统，必须对系统的 压力传递装置中的输入( 制动气源压力) 和输出( 轮缸压力) 之间的对应关系有一个 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = ；= 深刻把握，因为a b s 系统的实现也离不开对制动系统管路压力的有效、精确控制，所 以研究防抱死制动系统执行机构的力学特性意义重大。 1 ，2 问题的提出 重型专用汽车是指载重质量1 3 吨以上，在特定条件下完成专门的运输任务或专门 的作业任务的重型汽车，重型专用汽车由于其产品品种多、覆盖面大，适应性强的特 点，因此大部分工业发达国家的重型专用汽车在重型汽车中的比重，达到7 0 以上， 重型汽车的发展在很大程度上，取决于重型专用汽车的发展【6 1 。 重型越野车作为种重型专用汽车，其工作条件决定了它在安全性，快速机动性 等方面比一般车辆要求更高，而制动性能就是这些要求的得以实现的根本保障，所以 有关这个领域的技术研究无疑是一个非常重要的课题。为保证制动系统的可靠性，应 付一些突发事件，制动系设有行车制动，紧急制动，驻车制动三种，其中紧急制动是 行车制动的备用制动系统，与a b s 系统有关的是行车制动系统。本重型越野车行车制 动采用气顶油双管路鼓式制动型式，由制动液在放大的压力作用下，进入各制动轮缸， 从而推动蹄片，将制动压力传到每个车轮。 车辆的制动大体可分为三个阶段。第一阶段是制动系统的滞后，主要是压力在管 路中的传递，轮缸中的压力变化很小。第二阶段，轮缸压力上升，_ 丌始制动，车轮边 滚边滑直至抱死，制动距离主要决定制动器制动力的增长率，地面附着力的大小和前 后制动力的分配等情况。第三阶段从车轮抱死拖滑直至汽车停止，这一阶段制动力基 本不变，制动距离主要由地面附着系数决定。制动过程的这三个过程从动力学的观点 来看，第一阶段是稳态过程，第三阶段是动态的但是制动减速度基本不变，也就是达 到了稳态。而第二阶段是第一阶段向第三阶段的过渡过程，该阶段比较复杂，影响因 素多，实际上汽车的制动性和制动稳定性主要决定于这个阶段的情况，本文的工作主 要是对这一阶段进行研究。同时，降压特性对解除制动抱死，防止车辆失控也起到非 常重要的作用，所以它也是影响制动系统性能的一个重要方面，在建压的基础上，本 丈对它也作一些研究。 整车制动系统包括制动压力的传递机构和制动器两个部分。a b s 主要是针对制动 压力的传递机构进行控制。防抱死制动系统从功能上分为：控制回路和执行回路。本 文不是以控制回路的控制规律的实现为研究对象，而是从a b s 制动系统的执行回路入 手，找出a b s 制动系统执行机构的动态特性，主要是研究从气源压力的输入到制动器 丌始工作的这段时间中回路中的一些动力学特性问题。本课题所涉及到的四轴军用重 型越野车a b s 执行机构的性能分析和实体仿真的目的是：性能预测分析，找出a b s 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = ；= = ；_ = 自；= 自= = = ；= = = = = = ；= = 执行机构的精确特性，实现制动器从静止到接触制动时的动念模拟，完成力学模型的 求解。为以后a b s 的控制规律的模拟实现提供了一个虚拟样机载体，从而为a b s 系 统提供可靠的评价依据，达到缩短开发时间，降低开发成本，提高产品质量的目的。 本文研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 研究制动系统的管路元件特性。确定各主要单元的输入与输出之间的精确关系，从 而找出系统最初的激励和最终的响应之间的对应关系。 2 ) 研究管路压力的变化规律。用计算机仿真及a d a m s 虚拟样机仿真的方法对系统进 行研究，分析了建压过程和降压过程中压力的变化趋势及原因：制动滞后性的影响 因素：中间单元的属性对系统输出的影响。 3 ) 在建立的数学模型和样机模型的基础上，对单轮制动器的力学特性进行研究。 总之，主要运用两种方法，结合具体的过程，对系统的动态特性进行分析。 1 3 问题的解决方案 制动系车轮制动轮缸的制动特性主要由以下因素决定：轮缸压力的建压和降压的 响应时问；系统稳定时的最大压力值；轮缸压力在建压和降压过程中的变化趋势。每 个车轮在实际制动过程中的差异也主要体现在这几个方面。从本车制动系统的原理结 构图2 1 可知，在同一个压力源的作用下，单轮轮缸压力的差异是由于每个轮缸的局部 管路造成的。因此，为了对系统有一个全面深刻的认识采用先主后次的研究策略， 也就是先抓住主要的矛盾进行研究，然后解决局部矛盾。具体而言，结合到制动系统 的结构特点，按照从一般到个体的步骤进行研究。 首先建立共性研究模型，也就是暂时忽略局部管路造成的单轮建压的时问差异， 选取其中的一个车轮为研究对象，建立一个一般性的单轮模型( 包括数学模型和 a d a m s 实体模型) ，进行一些共性研究。在上述单轮模型的基础上，考虑到局部管路 的影响建立了多轮样机实体模型。主要对单轮之间建压时间的差异和滞后性，压力的 变化趋势的差异等作一些研究。 有了研究的策略，下一步必须按照一定的方法进行实施。从理论上来讲，该车型 的制动系统是一种机一电一液一气一体化装置，是一个小型系统，它的运行有自己规 律，为了找到这种规律，采用两种不同的方法来进行研究。 数学模型是描述系统的最本质特性的最直接的方法，它有着试验数据无法取代的 优点，它是进行产品设计和性能预测分析的理论基础。汽车制动过程动力学仿真是一 个由多种因素综合作用的复杂工况过程，其时间历程极短。其间各种运动参数发生急 剧变化，并且极易受外界环境及主观因素的干扰，表现出一定的随机性和较差的重复 华中科技大学硕士学位论文 性i 7 1 1 8 1 9 1o 其实验研究般采用统计的方法，对制动过程进行理论分析时，必须忽略一些 次要因素和作必要的简化。要对这样的个系统进行分析或仿真，首先必须建立其理 论模型，以便对其动态性能进行有效的分析和预测。结合本系统实际情况，用传统的 方法对制动系统各组成单元：气源、控带4 阀、制动总缸、制动轮缸、制动器等独立分 析，抓住主要的矛盾进行简化，根据力学模型建立相应的数学模型。建模时，要综合 考虑到元器件工作介质( 气或液) 的特性、元件本身的结构特点以及元件的工作过程， 确定单个元件的状态方程，得出元件的输入输出之间的动态关系。 联立上述元件的数学模型，进行系统数值仿真。通过仿真结果结合已知正确的结 果和其他仿真结果对模型进行验证。这种方法就是用理想化的或是某种经过简化、假 设而得到的物理模型和数学模型去逼近它，通过对这种模型仿真分析达到对实际系统 性能的理解。 随着计算机技术的广泛应用，虚拟技术给我们提供了一个新的途径。由于虚拟产 品丌发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到大量应用，许多数字化虚拟 样机技术缩短产品的研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量【i o j 】。本文 采用了在机械系统的虚拟样机技术领域中比较著名仿真软件a d a m s ，在它的应用基 础上建立了包括气动，液压，刚体接触等在内的复杂多体动力学虚拟样机模型，它有 效的实现了柔性介质( 气、液) 和刚体( 弹性制动器) 之间的联合仿真，结合已知的 成果验证仿真结果，从而确定了样机模型的正确性，在此基础上，通过样机虚拟试验， 对系统建压和降压过程中的一些动态特性，系统输出的制动力矩和管路压力的关系， 制动器的效能等进行研究。 由于影向a b s 制动系执行机构性能的因素很多，为了对系统的性能有全面的认识 和i - e 确的把握，本文主要通过两种模型的仿真研究来完成。结合两个模型的自身特点， 在它们对比分析的基础上，对仿真结果进行合理的分析评价，从它们仿真结果的共性 特征中，得出了系统的动态特性。 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = 一 2 基于气液混合型制动系执行机构的数学建模 2 i 模型的简化及研究对象的确定 制动系统按照传递的介质分为纯液，纯气，气液混合型。通常中小型车辆大多数 使用纯液制动系，大多数大型客车，重型货车采用纯气制动系统。由于多轴重型越野 车的使用特殊性决定了它在兼取气体和液体传动优点的基础上，采用气液混合型制动 系统，所以其结构比较复杂，目前有关这方面的研究较岁2 6 1 1 ”1 。 汽车防抱死制动( a b s ) 技术是一全面提高汽车制动性能和改善制动时汽车操纵 性的新技术。作为一种控制技术，仍需通过制动执行机构调节制动蹄压力，从而控制 车轮运动状态，所以要有效地进行a b s 的研究和使用，就应深入考虑制动执行机构的 动态性能对制动过程的影响。 从制动执行机构的结构而言，有a b s 和无a b s 的区别仅在于执行机构中有无a b s 调节器( 这罩是气压电磁阀) 。但从整个制动过程而言，对有a b s 的制动执行机构的 动态性能的要求要高得多。从本车型w s 2 4 0 0 的制动系统原理图2 1 中，由于仅对a b s 制动执行机构特性研究，故不考虑控制的气动控制回路影响，抽取关键的物理模型， 确定研究的对象为：贮气筒，继动阀，制动总缸，制动轮缸，制动器等主要元件。对 它们组成的系统的动态性能进行研究，主要包括两个过程：系统在建压过程中从贮气 简到制动总缸的气动特性，以及从制动总缸到制动轮缸的液压特性。将主要的元件组 成研究的系统物理模型，如图2 - 2 所示。 轮3轮4 图2 1 系统原理图 轮l ，-一1ij。一一曲 涮一 华中科技大学硕士学位论文 ；= = ；= = 自= # ；= = = = 自= ；= = ；= = = 图2 2 物理模型图 2 2 数学模型的建立 由于本文不以a b s 控制规律及其实现为研究对象，并且实际制动过程中控制回路 仅造成执行回路的启动延时，它对执行回路的气液压力和流量影响很小，考虑到a b s 的气压电磁阀的换向过程的时间非常短，故不考虑a b s 的气压电磁阀动态响应过程， 只对执行回路中各元件和制动器进行建模。根据图2 2 所示，因为局部管路的影响，轮 1 和轮2 的轮缸压力略有不同( 时间的滞后) ，但本章是以系统主要管路为研究对象， 所以忽略了这种局部管路的影响，将轮2 制动情况看作和轮l 相同，以轮1 为研究对 象，建立了相应的数学模型。将图2 2 进一步简化，得到建模示意图，如图2 3 所示。 继动阀总缸轮缸 首路 图2 3 建模示意图 从图2 3 可知，制动总缸的充放气过程可以通过建立相应的数学方程来求解，这一 过程用气体状态方程和气体连续性方程来描述，通过气体流量方程求出总缸气室的气 体质量，再利用气压状态方程解出相应的压力，这就是制动压力的增压过程，放气过 6 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = = = = = = = = ；= = 自= = = = ；= ；= = = = = = = ： 程也是如此。充放气过程由于时间短速度快，可以将整个过程看成绝热过程。从贮气 简到制动总缸的气体传动涉及到气动元件( 管路，阀) 的流量特性和气缸的充放气特 性。所谓流量特性具体来说是指元件两端的压力降和通过该元件的流量之间的关系。 为简化计算，将从贮气筒到制动总缸的继动阀和管件组成的管道系统抽象成一个等效 的节流小孔来计算，然后作适当修正 1 2 i t 9 j 。在进行总缸气室气压的分析之前，需要做 一些假定：在动作过程中，气缸腔室内气体和外界无热交换；气源压力恒定，且 温度不变：气室内外泄漏忽略不计。建模之前，需要说明本文物理量的量纲均以国 际单位为标准，如果有例外，就单独在文中注明。 已知制动总缸的初始气室压力为 ，贮气筒的压力为n ，如果二者之比小于 o5 2 8 ，这时等效节流4 , t l 的的出口截面的流速已是声速，以声速传播的压力扰动波不 能达到和穿越出口截面取影响孔内的流动，因此小孔出口的压力与，一相等，流量恒定。 此时进入总缸气室的质量流量为i l 2 j l l 9 】： 加肿。焉去，赫幽知z s p t ， 当二者之比大于o 5 2 8 时，等效节流小孔中的气流为亚声速流，这时以声速传播的 外界压力扰动波能到达和穿透小孔截面去影响孔内的气流，此时流量为： 9 t = m p 。j 2 k ( 尝) 一( 昙) 警班r 丁。( 足一1 ) 】k g ，s 鲁：0 5 2 8 ( 2 2 ) 式中a 。是表示从气源到总缸之间的管路和继动阀等元件等效的截流小孔有效面积，本 系统中的a 。，由试验测得；p o 一气源的压力；a 一总缸气室压力；k 一气体绝热指数； r 一气体常数：丁。一气体绝对温度。 气缸充放气过程为一变质量系统的热力学过程，在上述假定条件下，对气室由恒 定压力气源向有限容积绝热充气的能量方程【1 2 】： k r t 。d m 。= y a p + 印d 矿和q m l = 删，d t 可得 亟一竺互鳊一丝亟 珧 ke d t 式中： k ；x ( x 。+ x ) ，a 一活塞作用面积，x 一活塞移动位移，五一活塞起始位 移，代入上式，得到气室压力变化方程： 印1 d t 塑翌! 一旦一d x a ( x o + x 、x b + xd t ( 2 - 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 = = 。自= = = = = = = = 自= = # = ；= = = 2 = ；= = = = = 一一 出气源对气室内的绝热充气方程可以分析出，当孥：0 时，为定容充气，当坚 d|dl 0 时，为变容充气，两种方式交替对容积压力产生影响。 当气室压力达到足够推动活塞运动时，由图2 2 中总缸结构对活塞出牛顿运动定律 得到： m i 害胡a i - p , a 2 - k 弘b l 譬娟 ( 2 _ 4 ) 出：出 ”。 m t 一总缸活塞的质量；p 2 一总缸液室的压力；a 、a ，分别为总缸气室和液室的有效 活塞面积：世，一作用在总缸活塞上的恢复弹簧的等效刚度系数；置一活塞运动的粘性 阻尼系数；f ，一作用在活塞上的力负载( 包括活塞运动时所受到的摩擦力和弹簧预紧 力) 。 制动总缸液室通过管路和轮缸液室相连，由于管路容量和液室容量相比很小，内 壁光滑，管路较短，故不考虑管路压力损失，忽略管路和缸体弹性变形，总缸液室压 力动态特性方程为： 警= 志 q l - q 2 - 局( b 他) 】 p 5 ) 式中：一液压油的有效容积弹性模量；县一油路压力；矿( x ) 一液压油的体积；q 油路中流入的流量；q 一总缸液室中流出的流量；肠一缸体泄漏系数( 这m i r y oo ) 。 p l ：爿，d x d t v ( x ) = v o l a 2 z l 一总缸液室的初始体积。 由于中间管路是细长小孔( 形 4 ) ，管路中流态视为层流，所以其流量为1 ： 一2 8 彬) i 二式中卜一管长；d 一管径；玎一动力粘度。 同理建立轮缸中液室压力变化动态特性方程： 百d p 32 南【q 2 。也- k i ( 只叩j 】 ( 2 咱) v ( y ) = v 0 2 + 8 a 3 y 只一轮缸液室压力；g o ：一轮缸初始容积；y 一轮缸活塞的位移；a 3 一轮缸的有效 活塞面积。 华中科技大学硕士学位论文 霉掌；嗣= 皇篇= 皇葛盲盘= 鲁宣= 昌= 皇= 毒= = 皇= = = = 掌= = = = 譬= = = 霉= 式中：q o ：o ，= 8 a ，等。 随着轮缸中压力的增大，必然推动活塞杆的运动，活塞杆推制动蹄转动，在摩擦 片接触制动鼓之前，活塞杆的运动方程是： p 3 a f m 2 祭咄塑一脚一f 2 ( 2 - 7 ) adf二t 式中：肘：一轮缸活塞等效质量；k z 一制动器上复位弹簧力换算到轮缸活塞上所对应 的弹性刚度系数；f ：一作用在轮缸活塞上所对应的等效恒力( 包括活塞运动时所受到的 摩擦力、弹簧预紧力) ：b z 活塞运动的粘性阻尼系数。 当摩擦片接触制动鼓后，活塞杆的受力中增加了制动鼓的弹性反力。这种力的计 算涉及到制动器的动态子模型的分析，即活塞杆的推力和位移的关系，这方面的研究 较少【2 7 j 【3 6 1 。下文根据材料力学和接触力学的有关理论，对蹄端推力和位移的关系作一 些研究。在此之前作一些假定：制动蹄都是刚性的，所有的变形发生在摩擦片和制动 鼓上。制动蹄上的摩擦片分布在同一个圆柱面上。摩擦片和制动鼓的接触可以看作是 轴线平行的圆柱体和圆柱凹面的接触，摩擦片和制动鼓的接触合力和接触变形发生在 摩擦衬片张开角的平分线上。如图2 4 所示，在宽度方向上均布压力p 的作用下，接触 面半宽3 】： a = 愿焉亭弓= 厨 ( 2 - 8 ) 式中：b 一两圆柱面的接触面半宽；p 一等效作用在圆心处宽度方向的线性均布力：尺。、 r 两圆柱面的半径，实际值分别为制动鼓和摩擦片所在柱面对应的半径：d 一摩擦 片的宽度；t 、, u 2 一两接触材料的泊松比( 分别对应制动鼓和摩擦片的泊松比) ；e l 、e 2 一两材料的接触弹性模量( 分别对应制动鼓和摩擦片的弹性模量) 。在两圆心连线的径向 方向上，最大挤压变形深度为f ，由图2 4 知，两圆柱中心移近的距离在某种程度上也 可看作t t 3 5 1 ，由几何关系： ( r ，一，) 2 + 6 2 = 矗? ，b 2 - 2 r i t + t 2 = 0 ，得到： e = 瓜万= 厨j t 一壶 脚删俐压小者将模型简惝u 9 ( 2 - 9 ) 华中科技大学硕士学位论文 6 = 腼一乒夕缸平方得到： b 2 = 2 r 卜“杀= k p ( 2 1 0 ) 1 8 r 。 p 即压力p 是关于，的多项式。 又力f 端点处的位移s 和接触处的变形，满足： s 2 ( 2 1 1 ) cf 、7 领蹄对o 取矩：p ：旦；同理，对从蹄：p ：旦，对于本制动器来说两端 。一f 十 作用力相等，所以取： j d ：譬( 上+ 士) ( 2 - 1 2 ) 砧一摩擦系数，将2 一1 1 ，2 - 1 2 二式代入2 一l o ，化简得 ，= k 2 s 一丘3 j2 + 足4 s 3 由于：j = y - s o 因此：f = k 2 ( y 一氐) 一 j ( y - s o ) 2 + k 4 ( y - s o ) 3 舯耻蕊c 警+ 半， k ，：型! ：二坐：2 南2 k ， 耻； 耻篙筹； & 一活塞端间隙量。 ( 2 1 3 ) f 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) xj 吐i o 时，对机构进行动力学分析，即分析其运动是由于保守力和非保守力的 作用而引起的，并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给定的运动规律。它 又包括静力学分析、准静力学分析和瞬态动力学分析。动力学的运动方程就是机构中 运动的拉格朗目乘子微分方程和约束方程组成的方程组。 当d o f 0 时，属于超静定问题，a d a m s 无法解决。 a d a m s 数值计算的数据流程可分成以下几个部分：数据的输入；( 2 ) 数据的检 查：( 3 ) 机构的装配及过约束的消除；( 4 ) 运运方程的自动形成；( 5 ) 积分迭代运算 过程；( 6 ) 运算过程中错误检查和信息输出：( 7 ) 结果的输出。整个a d a m s 工作流 程非常复杂，如图3 1 所示。 运动学、静力学分析需要求解一系列的非线性代数方程。a d a m s 采用了修萨的 n e w t o nr a p h s o n 迭代算法迅速准确地求解，对动力学微分方程，根据机械系统的特性。 可选择不同的积分算法：对剐性系统采用变系数的b d f ( b a c k w a r d sd i f i e r e n t i a t i o n f o r m u l a ) 刚性积分程序，它是自动变阶、变步长的预估校正法( p e c e ， p r e d i c t e v a l u a t e c o r r e c t - e v a l u a t e ) ，在积分的每一步采用了修正的n e w t o n r a p h o n 迭代 算法；对高频系统( h i g h f r e q u e n c i e s ) ，采用坐标分配法( c o o r d i n a t e p a r t i t i o n e de q u a t i o n ) 和a d a m s b a s h f o r t h a d a m s m o u l t o n 方法。 与之相对应，a d a m s s o l v e r 包括了3 个功能强大的求解器：( - 4o d e 求解器( 求 解微分方程) ，采用刚性积分法；非线性求解器( 求解代数方程) ，采用了 n e w t o nr a p h s o n 迭代算法；线性求解器( 求解线性方程) ，采用稀疏矩阵技术以提 高效率。其求解过程的数据流程如图3 2 所汞7 1 8 1 。 华中科技大学硕士学位论文 图3 1a d a m s 工作流程 五函习掣 1 一上转化为代数方程组转化为线性方程坦 代数方程 1 积分拜 ( g s t i f f & 曰, s - , r i f f ) 翟e 罂竺r _ 1 高斯消 脚噱o n ii 壳 选代卜叫 时龟i _ i _ 求解代数方程组 求解线性方程组 l 输出文件l 图3 2a d a m s 数据流程图 1 8 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = ；= = = = = = g = = = = = 目= = = # = = = ；一一 3 t 3 制动系统动力学模型在a d a m s 中的实现 3 3 1 样机模型建立的策略及流程 本文中的模型涉及到气，液，机等在内的多体动力学问题，系统的模型结构如图 2 2 所示，气源的压力经过制动总缸的增压，经管路传到传到各制动轮缸，各轮缸之间 压力增长响应的差别由管路的结构和制动液在管路中的阻尼所造成的。为了对制动系 统特性有一个深刻的理解，采用从一般到特殊的研究方向，首先忽略了局部次要因素， 建立个一般性的实体模型，也就是说先暂时将局部管路的影响忽略，以其中的一个 单轮为原型，建立了仅有一个制动器的制动系执行机构模型，即单轮制动器系统模型， 对它进行仿真研究，主要针对一些共性的问题如：管路中的一些参数对轮缸压力的影 响，制动接触力的求解等。在完成这部共性工作后，进入个性问题研究。考虑到管路 的影响，建立多轮制动器系统模型，进一步研究每个制动器轮缸的建压的时间的差异， 管路主要的回路的气体，液压压力特性等。 本系统实体模型的建立流程如下文所示： 单轮制动器建模：几何建模，施加运动副，施加约束施加载荷。 进行模型验证，自由度验证，构件间关系验证。 建立气液驱动回路( 包括总缸模型) ，将回路和单轮制动器连接起来，使回路驱动单 轮制动器中的轮缸活塞运动，从而驱动制动蹄转动，完成制动的初步动作。 建立多轮制动器和回路中相应的元件，定义参数，添加摩擦，施加载荷。 将回路和多轮实体对应连接，进行系统验证。 进行仿真分析，回放仿真结果，绘制仿真曲线。将仿真结果同f 确结果对比，如果 相近，则进行后面的仿真试验研究，否则回到步。 3 _ 3 2 单轮制动系统a d a m s 虚拟样机模型的建立 本节研究的着眼点是忽略局部管路对每个单轮制动器的影响，研究其共性的问题， 以轮1 为研究对象进行建模，结合系统特点和a d a m s 软件建模的方法，将模型分为 实体模型和流体回路驱动模型。实体模型的建模原则就是：以实际设计尺寸，设计要 求和材料的本身属性参数为依据，使得仿真构件的几何形体的质量，质心位置，惯性 矩，惯性积与实际构件相同。按照实际构件的运动自由度要求及其受力情况，对模型 旌加运动副约束( 指定约束方向) ，接触约束，运动约束。流体回路模型的创建要先确 定回路的元件及其连接关系，然后依据实际元件的属性参数选取或者重新建立对应的 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = 目= = 自= j = ；= = = # = = = 目= = 流体介质和元件，保证回路中执行元件缸体的运动约束、运动方向和实体模型中的缸 体一致。 3 3 3 样机的实体元件及其连接约束说明 整个模型由单轮制动器模型，气液驱动回路模型组成。系统中的气源提供制动恒 定主力。继动阀是一种控制阀，其开口孔径对应从气源到制动总缸之问管路上各种阀 的等效的截流通径，以其等效的体积流量表示它的这种流通能力。在仿真过程中，软 件依据控制阀两端的压差，在一定的算法下结合阀的流通特性完成气室的冲气、放气 过程。制动总缸是一个气顶液型的增压缸，它由三部分组成：左边的气室，中间的不 等截面活塞连杼和右边的液压腔室，如原理图2 2 所示。本文中建立的制动总缸模型同 原气液增压总缸相比，结构不同但功能相同，所以是一功能性模型。它利用两个腔室 的截面积之比来进行压力的缩放，同时考虑到作用在活塞上的摩擦力，将气源气压转 化成为放大的液压油的压力。其增压原理具体如下文所述。 假定缸体的两个腔体中的活塞杆直径分别设 为o f 对应气室中的活塞杆径) 和d ( 对应液压室中 活塞杆径) 。设气室压力为只，液室压力为只，活 塞截面积为s ，在建压过程中，活塞平衡时应满 足：只s = p ( s 一0 2 5 蒯2 ) ，可见只要设定好d 值 就吲以使得只只= 尼，七值为制动总缸所要求 图3 3 总缸实体模型 达到的压力放大倍数。总缸实体模型如图3 3 所示。同时为了使总缸样机模型真实的模 拟实际冲气、放气过程，必须按实际情况设好入1 3 的孔径大小。 制动器模型是一个复杂的力学模型，它包括：制动鼓，制动蹄，制动衬片，制动 轮缸，复位弹簧等部件。建立其实体模型时，各元件的主要属性参数，相关尺寸，各 种约束和外力，均按实际值来确定。其中碰撞函数的属性最为关键，它包括摩擦衬片 和制动鼓的综合弹性摸量，粘滞阻尼系数，最大变形深度，静摩擦系数，动摩擦系数 等量的确定。制动时，制动轮缸中的压力上升，推动制动蹄转动，引起蹄上的摩擦衬 片接触制动鼓，丌始制动。轮缸中的液压油腔室和总缸液压由腔室通过管路相连，其 r 医力变化受总缸压力控制。本文所建的单轮制动器模型能很好的解决摩擦衬片和制动 鼓碰撞变形及接触力的计算，摩擦片和制动轮鼓之间的作用力( 不同时刻不同接触点的 摩攘力和法向力) 可以求出，进而求出整个轮子在制动时间内的制动力矩。蹄片建模过 程比较复杂，所建立的制动蹄如图3 4 所示，蹄片结构如图3 5 所示，它以转动副 2 0 华中科技大学硕士学位论文 程比较复杂，所建立的制动蹄如图3 4 所示，蹄片结构如图3 5 所示，它以转动副 ( r e v o l u t e ) 和固定的设计点角接，两制动蹄之间以复位弹簧相连。该鼓式制动器摩擦 片共有1 2 块，对称分布在制动蹄的柱面上，由固定副( f i x e d ) 相连。由上到下各摩擦 片与水平轴的夹角分别为：5 3 。，2 9 。，8 。，一8 。，一3 2 。，一5 3 。，摩擦衬片的包角1 2 。 图3 4 制动蹄实体图图3 5 蹄片结构实体图 制动轮缸由缸体和两端的活塞组成，活塞和缸体 l 倒是圆柱副( c y l i n d r i c a l ) 连接。结构如图3 6 所示。 轮缸活塞的端部以平面副( i n p l a n e ) 与制动蹄的指定 部位相连，它将活塞端水平运动