全液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真分析

緩沖性能是車輛的重要性能之一。良好的制約性能是車輛安全駕駛的重要保障。目前,國(guó)內(nèi)車輛制動(dòng)系統(tǒng)多采用氣壓、氣頂液的結(jié)構(gòu)形式。近年來(lái),車輛也趨于采用全液壓制動(dòng)的方式,其主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的制動(dòng)壓力高,產(chǎn)生的制動(dòng)力矩大,制動(dòng)靈敏,且更便于實(shí)現(xiàn)電子控制。1全液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能分析1.1制動(dòng)執(zhí)行元件全液壓制動(dòng)系統(tǒng)一般是由供能裝置、傳動(dòng)裝置、控制裝置和制動(dòng)執(zhí)行元件4部分組成。供能裝置通過(guò)液壓泵、充液閥向蓄能器供油,積蓄能量;傳動(dòng)裝置將制動(dòng)踏板控制的動(dòng)力源傳遞給制動(dòng)執(zhí)行元件;控制裝置將駕駛員踩踏板的控制信號(hào)傳到控制閥上;制動(dòng)執(zhí)行元件是裝在車輪上的制動(dòng)器,它將傳動(dòng)裝置傳來(lái)的動(dòng)力變成摩擦力矩。圖1所示是典型的車輛全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的示意圖。制動(dòng)時(shí),駕駛員踩下制動(dòng)踏板,制動(dòng)油液在蓄能器壓力的作用下,進(jìn)入制動(dòng)缸,產(chǎn)生制動(dòng)效果。液壓制動(dòng)系統(tǒng)大多采用鉗盤(pán)式或全盤(pán)式制動(dòng)器。充液閥可以使蓄能器的內(nèi)壓保持在最低限度。當(dāng)蓄能器的內(nèi)壓低于最低限度時(shí),充液閥就會(huì)使泵向蓄能器充油,直至達(dá)到預(yù)置的壓力上限。1.2制動(dòng)盤(pán)的建立為便于分析,我們對(duì)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,如圖2所示。根據(jù)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程,可以將其分為兩個(gè)階段:活塞運(yùn)動(dòng)階段和制動(dòng)油壓建立階段。活塞運(yùn)動(dòng)階段:當(dāng)踩下踏板閥,油路接通。蓄能器中的油液進(jìn)入制動(dòng)液壓缸,推動(dòng)活塞移動(dòng),迅速消除制動(dòng)器的制動(dòng)間隙。整個(gè)運(yùn)動(dòng)階段由踩下制動(dòng)踏板開(kāi)始,到制動(dòng)襯塊接觸制動(dòng)盤(pán)為止。制動(dòng)油壓建立階段:制動(dòng)襯塊碰到制動(dòng)盤(pán)瞬間,會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)缸中油液沖擊,并引起瞬間的壓力升高。制動(dòng)缸中油壓在瞬間的壓力波動(dòng)之后,會(huì)迅速而平穩(wěn)的增加,直至油壓逐漸穩(wěn)定。2制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析在全液壓制動(dòng)系統(tǒng)中,液壓泵通過(guò)充液閥給蓄能器的充液過(guò)程很短,一般不超過(guò)2s。正常制動(dòng)時(shí),由蓄能器直接向制動(dòng)液壓缸供油,蓄能器充液完畢后能單獨(dú)為制動(dòng)系統(tǒng)提供近十一次的有效制動(dòng)。在對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí),我們將不分析液壓泵對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響。建模的假設(shè)和簡(jiǎn)化:(1)考慮到制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)液流量較小、液壓管路內(nèi)壁比較光滑,可以忽略管路的沿程壓力損失和局部壓力損失;(2)忽略制動(dòng)油管、液壓缸缸體的彈性變形;(3)不考慮外界對(duì)系統(tǒng)的影響;(4)不考慮制動(dòng)時(shí)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間,將緊急制動(dòng)時(shí),踏板閥閥芯的位移輸入看作是階躍信號(hào);(5)不考慮制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤(pán)接觸瞬間,制動(dòng)缸中油液的沖擊。2.1比合物壓的數(shù)學(xué)模型蓄能器的動(dòng)態(tài)方程可以描述成:式中:pa———蓄能器連接管口處壓強(qiáng)(Pa)ka———?dú)怏w的壓縮系數(shù)(m2/N)va———蓄能器內(nèi)氣體體積(m3)ωa———蓄能器的固有角頻率(rad/s)ρ———油液密度(kg/m3)l———蓄能器連接管的長(zhǎng)度(m)Aa———蓄能器連接短管截面積(m2)Ra———蓄能器連接短管的液阻(N·s/m5)式中:kq———流量放大系數(shù)(m2/s)kc———流量-壓力系數(shù)(m5/N·s)pL———踏板閥出口處的壓力(Pa)式中:Cd———流量系數(shù)A———閥芯的有效面積(m2)式中:m———液壓缸所驅(qū)動(dòng)的工作部件質(zhì)量(包括活塞、制動(dòng)襯塊等)(kg)kB———活塞密封圈對(duì)活塞的阻力系數(shù)(主要是彈性形變引起的)(N/m)Bp———活塞的粘性阻尼系數(shù)(N·s/m)Ap———活塞有效工作面積(m2)式(1)、(2)、(3)和(4)構(gòu)成了活塞運(yùn)動(dòng)階段的數(shù)學(xué)模型。2.2油液體積模量法制動(dòng)缸工作腔的流量連續(xù)方程:式中:kl———制動(dòng)缸工作腔泄漏系數(shù)(m3/Pa·s)K———油液體積模量(Pa)V———液壓缸工作腔及進(jìn)油管內(nèi)的油液體積(m3)式(1)、(2)、(3)、(5)和(6)構(gòu)成了油壓建立階段的數(shù)學(xué)模型。3動(dòng)態(tài)特性模擬在確定了全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后,運(yùn)用Matlab/Simulink仿真程序,對(duì)某叉車的全液壓制動(dòng)系進(jìn)行仿真求解。3.1制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析某叉車全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的各有關(guān)仿真參數(shù)如表1所示。由于制動(dòng)器的間隙很小,因此活塞運(yùn)動(dòng)階段的時(shí)間極短,一般液壓制動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間為0.015～0.035s。為較清楚地反映活塞運(yùn)動(dòng)階段活塞的速度和位移變化的趨勢(shì),我們先不考慮制動(dòng)器間隙大小的限制。圖3、圖4分別是活塞速度、位移的變化趨勢(shì)圖。圖3、圖4可以看出,該車的全液壓制動(dòng)系統(tǒng)在緊急制動(dòng)瞬間,活塞運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),沒(méi)有劇烈的振蕩,說(shuō)明此叉車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足要求。圖5是考慮了制動(dòng)器間隙大小限制的活塞位移變化曲線。圖中可以清楚地看出,該制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間為0.024s,時(shí)間極短。相對(duì)于氣壓和氣頂液制動(dòng)系統(tǒng),全液壓制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)更靈敏,能夠有效地減小制動(dòng)距離,提高行駛的安全性。受踏板閥響應(yīng)能力、制動(dòng)管路長(zhǎng)度和壓力波傳播速度等因素的影響,在踩下踏板閥時(shí),制動(dòng)液壓缸的活塞對(duì)控制指令的響應(yīng)存在一定的滯后。從圖5可以看出,踩下制動(dòng)的3ms以后,活塞才開(kāi)始運(yùn)動(dòng),踏板閥的切換滯后時(shí)間約為3ms。3.2持續(xù)制動(dòng)階段圖6是油壓建立階段液壓缸壓力變化曲線。圖中可以看出,制動(dòng)器作用時(shí)間約為0.22s,壓力建立的時(shí)間極短,且壓力增長(zhǎng)平穩(wěn)。正常的制動(dòng)壓力約為9.3MPa,因此在制動(dòng)時(shí)可以提供足夠的制動(dòng)力,以保證車輛的行駛安全。在持續(xù)制動(dòng)階段,雖然有液壓缸泄漏和油液壓縮等因素的影響,但壓力下降并不明顯,液壓缸壓力基本保持不變。制動(dòng)系統(tǒng)可以為車輛提供穩(wěn)定持久的制動(dòng)力。3.3泄漏系數(shù)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)特性的影響利用Matlab/Simulink仿真程序來(lái)考察系統(tǒng)參數(shù)對(duì)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響,為制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖7所示是工作腔泄漏系數(shù)變化對(duì)壓力建立的響應(yīng)特性。由圖中可以看出,當(dāng)泄漏系數(shù)較大時(shí)(kl=2×10-10m3/Pa·s),壓力建立的時(shí)間較短,但是穩(wěn)態(tài)的制動(dòng)壓力較小,不能夠提供足夠大的制動(dòng)壓力;當(dāng)泄漏系數(shù)較小時(shí)(kl=8×10-11m3/Pa·s),壓力建立的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),會(huì)影響制動(dòng)的反應(yīng)靈敏度。選擇合適的泄漏系數(shù)對(duì)于整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能有很大的影響。圖8所示是當(dāng)油液的體積模量不變時(shí),系統(tǒng)容積對(duì)壓力建立的響應(yīng)特性。當(dāng)容積越小時(shí),油壓的建立時(shí)間越短,所以在設(shè)計(jì)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)時(shí),在保障制動(dòng)力的前提下,液壓缸工作腔及進(jìn)油管內(nèi)油液體積應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)得小一些。但是當(dāng)容積過(guò)小時(shí)(V=3.15×10-4m3),油壓建立的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng),會(huì)影響制動(dòng)的效能。此外容積過(guò)小,也會(huì)給設(shè)計(jì)制造帶來(lái)困難。4制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性(1)本文闡述了全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的組成和工作原理,對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析,并在動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上,建立了全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。(2)基于數(shù)學(xué)模型對(duì)某叉車的全液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真,通過(guò)仿真曲線,我們對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有了一個(gè)較為直觀的認(rèn)識(shí),并且驗(yàn)證了之前動(dòng)態(tài)特性分析的正確性。(3)全液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)反應(yīng)靈敏,滯后時(shí)間短。制動(dòng)過(guò)程中,系統(tǒng)壓力高,制動(dòng)力增長(zhǎng)迅速、平穩(wěn),可以有效地縮短制動(dòng)距離。(4)運(yùn)用仿真程序分析了影響制動(dòng)性能的主要因素,為全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。工