基于ADAMS和MATLAB主動(dòng)轉(zhuǎn)向式汽車列車轉(zhuǎn)向仿真研究

劉朝濤　王永偉　譚亞紅

摘 要：為了降低汽車列車轉(zhuǎn)彎半徑和行駛軌跡良好的跟隨性，可增加掛車的數(shù)量。基于汽車列彎路轉(zhuǎn)向理論，運(yùn)用ADAMS建立了列車運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用MATLABL建立了列車轉(zhuǎn)向控制模型，進(jìn)行了ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真，并對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車列車的可行性、優(yōu)越性進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：汽車列車；ADAMS；MATLAB；聯(lián)合仿真分析

中圖分類號(hào)：U469.5+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.009

主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車列車是通過(guò)在牽引車與掛車之間建立通訊網(wǎng)絡(luò)（牽引車與掛車、掛車與掛車之間由2根液壓桿連接），將牽引車的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，特別是轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到各個(gè)掛車，各個(gè)掛車根據(jù)這些參數(shù)控制2根液壓桿的伸縮長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)方式，能對(duì)牽引車的軌跡進(jìn)行跟蹤，從而提高列車掛車的追隨性。

目前，汽車列車的長(zhǎng)度較短，比如全掛汽車列車的掛車數(shù)一般不宜超過(guò)2輛，汽車列車都是由牽引車牽引和控制的，掛車被動(dòng)地跟隨牽引車運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)向時(shí)，掛車在牽引連接裝置的帶動(dòng)下被動(dòng)地跟隨牽引車轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致整車的轉(zhuǎn)向半徑過(guò)大，在狹窄路面轉(zhuǎn)彎和繞過(guò)障礙物時(shí)易發(fā)生刮碰事故，且掛車的追隨性差。

通過(guò)全掛汽車列車的轉(zhuǎn)向跟隨性和轉(zhuǎn)向特性，可得到列車轉(zhuǎn)彎時(shí)具有良好跟隨性的充分必要條件，并根據(jù)這一理論建立控制系統(tǒng)。本文運(yùn)用ADAMS建立主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車列車的虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用MATLAB建立控制系統(tǒng)，通過(guò)ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真分析研究主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車列車跟隨性和轉(zhuǎn)彎半徑方面的優(yōu)越性。

1 汽車列車的轉(zhuǎn)向分析

圖1 全掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性關(guān)系

由汽車列車轉(zhuǎn)向理論可知，影響汽車列車轉(zhuǎn)向追隨性的主要參數(shù)有轉(zhuǎn)向時(shí)的軌跡偏移距e和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比i，因此，可通過(guò)主動(dòng)控制e和i來(lái)減小汽車列車轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)向軌跡跟蹤性。下面通過(guò)圖1（常見全掛汽車列車將固定在車軸上的轉(zhuǎn)盤裝置用鉸鏈固定在車架上，掛車前軸隨著車轅繞著牽引鉤C點(diǎn)和掛車主銷D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)）研究e，i和全掛列車的轉(zhuǎn)向特性。

由偏移距的定義可知：

由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比定義可知：

全掛列車的轉(zhuǎn)向特性表達(dá)式為：

由于式（3）中的i只與列車本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，一旦列車結(jié)構(gòu)確定，則它為一定常數(shù)。因此，掛車具有良好的轉(zhuǎn)向跟隨性的必要充分條件為：e=0，即由式（1）可得R1=R2.

將式（4）代入式（3）可得到具有良好跟隨性全掛汽車列的轉(zhuǎn)向特性表達(dá)式： （6）

然而，當(dāng)列車轉(zhuǎn)彎時(shí)，掛車轉(zhuǎn)向角θ2會(huì)隨車轅與拉桿而變化，即：

. （7）

將式（6）代入式（7）可得到：

經(jīng)過(guò)上述推論可得到通過(guò)牽引車轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑，實(shí)時(shí)主動(dòng)改變?chǔ)聺M足式（9）就能得到列車轉(zhuǎn)彎時(shí)良好的跟隨性。主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車列車就是通過(guò)牽引車轉(zhuǎn)彎時(shí)的參數(shù)采用控制算法控制連接各個(gè)掛車的2根液壓桿伸縮變化，進(jìn)而主動(dòng)改變?chǔ)碌模罱K實(shí)現(xiàn)掛車隨牽引車主動(dòng)轉(zhuǎn)向。

2 主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車列車的控制算法

通過(guò)上述分析，只要汽車列車在轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑是固定的，通過(guò)控制系統(tǒng)改變?chǔ)拢蛊錆M足式（9），則能達(dá)到汽車列車轉(zhuǎn)彎時(shí)良好的跟隨性，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)彎半徑。牽引車轉(zhuǎn)彎半徑與轉(zhuǎn)向內(nèi)外輪速度差有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)傳感器測(cè)到列車轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向內(nèi)、外輪速度，可計(jì)算出速度差，并作為反饋值。將反饋值與給定輸入量比較，通過(guò)PID控制算法跟蹤輸入信號(hào)控制液壓桿的伸縮，從而達(dá)到主動(dòng)控制目的。

3 建立虛擬樣機(jī)模型和聯(lián)合仿真模型

在ADAMS中建立汽車列車虛擬樣機(jī)，在MATLAB 中建立控制模塊并進(jìn)行聯(lián)合仿真。

3.1 在ADAMS/View中建立汽車列車模型

根據(jù)《道路車輛外廓尺寸》（GB 1589—2004）創(chuàng)建三維幾何模型，簡(jiǎn)化后的幾何模型包括車廂、輪胎、懸架和鏈接液壓桿，主要參數(shù)如表1所示。

對(duì)模型添加約束：車輛與懸架之間添加固定副，車輪與車軸之間使用旋轉(zhuǎn)副，液壓桿與活塞桿之間使用滑移副，液壓桿與掛車之間使用球鉸副。為了便于研究，假定列車以某一恒定速度轉(zhuǎn)彎，忽略轉(zhuǎn)彎側(cè)滑現(xiàn)象，對(duì)牽引車施加牽引力函數(shù)STEP（time，0，0，2.5，4.9E+5）+STEP（time，2.5，4.9E+5，3.1，-4.835e+005），轉(zhuǎn)向力矩值2E+5.建立完成的主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車列車虛擬樣機(jī)如圖2所示。

3.2 控制系統(tǒng)建模分析

為了能及時(shí)反饋牽引車轉(zhuǎn)向特性參數(shù)，消除列車轉(zhuǎn)彎受到的干擾，采取了閉環(huán)控制系統(tǒng)。假定列車在恒定速度下轉(zhuǎn)彎時(shí)牽引車在某同一轉(zhuǎn)彎半徑下轉(zhuǎn)向內(nèi)外輪的速度差為定值，通過(guò)傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)內(nèi)、外輪的速度作為MATLAB/Simulink中控制系統(tǒng)的輸入值，以實(shí)現(xiàn)控制。

3.3 聯(lián)合仿真接口參數(shù)設(shè)置

分別創(chuàng)建液壓桿的伸縮速度為VL1、VR1、VL2、VR2，并作為輸入狀態(tài)變量，轉(zhuǎn)向輪左、右速度TIRL、TIRR為輸出狀態(tài)變量，使?fàn)顟B(tài)變量與模型相關(guān)并導(dǎo)入目標(biāo)軟件MATLAB。在MATLABL命令窗口輸入adams_sys生成adams_sub模塊，對(duì)該模塊添加已建立好的控制模塊。此時(shí)，控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)已聯(lián)合，如圖3所示。

4 仿真比較和結(jié)果分析

為了更好地說(shuō)明主動(dòng)轉(zhuǎn)向列車軌跡的跟隨性，在相同列車結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)參數(shù)下分別對(duì)普通（單鏈接牽引桿）和主

動(dòng)轉(zhuǎn)向列車（能伸縮雙液壓桿）進(jìn)行了仿真。選取車廂質(zhì)點(diǎn)（因每節(jié)車廂是尺寸相同的長(zhǎng)方體，即幾何中心與質(zhì)點(diǎn)重合）在行駛水平路面XY平面的運(yùn)動(dòng)軌跡為研究對(duì)象，得到的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4和圖5中橫軸為X軸、縱軸為Y軸。在同一轉(zhuǎn)彎速度下，主動(dòng)轉(zhuǎn)向列車掛車的跟隨性要比普通全掛列車的跟隨性強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析和仿真研究驗(yàn)證雙液壓桿牽引連接的主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車列車的可行性，并在列車轉(zhuǎn)向時(shí)掛車的跟隨性和減小列車的轉(zhuǎn)彎半徑方面的優(yōu)越性。

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〔編輯：張思楠〕