廂式半掛車空氣懸架系統(tǒng)的Simulink仿真分析

一、動力學(xué)模型

　　研究分析的對象為整個(gè)廂式半掛車的掛車部分，其副車架為雙軸。由于車身振動較小，忽略其橫向水平振動，而著重考察對平順性影響較大的垂直振動和縱向角振動。掛車簧下質(zhì)量的振動是高頻振動，可以認(rèn)為左右車輪的輸入是獨(dú)立的，不考慮其相互影響。假設(shè)廂式半掛車車輛左右對稱且左右輪的路面激勵相同，并作如下假設(shè)：（1）將車身視為具有集中質(zhì)量的剛體；（2）牽引板與牽引座之間剛性連接，并用線性彈簧代替懸架，懸架剛度與阻尼分別是位移和速度的一次函數(shù)；（3）將牽引車后軸，副車架前后軸及車輪簡化為非簧載質(zhì)量，用線性彈簧代替彈性輪胎，建立6自由度（用z1～z6表示）半掛車空氣彈簧動力學(xué)模型，q1、q2、q3 表示路面激勵，如圖1所示。符號含義及具體使用參數(shù)見表1。

表1 半掛車的動力學(xué)簡化模型參數(shù)

　　計(jì)算中模型的懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼系數(shù)與輪胎剛度和阻尼系數(shù)均取左右兩側(cè)之和。

　　二、數(shù)學(xué)模型

　　（一）微分方程

　　根據(jù)給出的動力學(xué)模型，利用拉格朗日方程建立數(shù)學(xué)模型，其通式為

　　
式中L為拉格朗日函數(shù)，L=T-V，其中T為系統(tǒng)動能，V為系統(tǒng)勢能；D為系統(tǒng)的耗散能；Q為系統(tǒng)的廣義力。

　　具體各項(xiàng)的表達(dá)式如下：

　　副車架前懸架后支撐位移z22的計(jì)算要考慮懸架前支撐位移z21的影響和前懸架質(zhì)量塊m2位移z2的綜合影響，根據(jù)幾何關(guān)系有

　　同理可以得到副車架后懸架后支撐位移Z32。

　　將式（2）～式（4）代入式（1）得到

　　式中 分別為位移、速度和加速度列向量。
M、C、K分別為質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣。Q為路面激勵力的列向量，文中假設(shè)輪胎阻尼為0，則 。

　　（二）狀態(tài)方程

　　將微分方程轉(zhuǎn)換成狀態(tài)空間下的方程，即

　　式中x是半掛車的狀態(tài)向量，12個(gè)分量分別表示6個(gè)自由度處的位移和速度；u是輸入向量，表示車輛處的路面位移激勵；y為輸出向量，設(shè)置為6個(gè)自由度處的位移和速度；A為系統(tǒng)矩陣；C為輸出矩陣，設(shè)置為一個(gè)12階的單位矩陣；D為控制矩陣，由于沒有直接輸入對象，設(shè)置其為3×12階的O矩陣。

　　三、仿真模型

　　建立的微分方程及狀態(tài)方程要進(jìn)行多次計(jì)算并對結(jié)果進(jìn)行各項(xiàng)分析處理，工作量非常大。用Mat2lab所具有的功能，將其轉(zhuǎn)化到Matlab/Simulink/Dsp環(huán)境下，從而進(jìn)行直觀有效的分析。

　　在 Matlab/Simulink環(huán)境下，一般用基本方框圖的數(shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系連接系統(tǒng)的搭建。考慮到本模型狀態(tài)方程的特殊性，采用直接應(yīng)用狀態(tài)方程模塊的方法進(jìn)行仿真，只需將微分方程的參數(shù)代入，設(shè)置并添加必要的激勵和輸出顯示等環(huán)節(jié)即可仿真。為了體現(xiàn)計(jì)算的實(shí)時(shí)性，多數(shù)結(jié)果數(shù)據(jù)和曲線可以直接從實(shí)時(shí)仿真模型中看到，而無需再處理，具有很好的實(shí)時(shí)性。

　　為了便于與試驗(yàn)對比，以驗(yàn)證模型的正確性，將簧上質(zhì)量的垂直振動和縱向角振動轉(zhuǎn)化為前后軸上方底板處的垂直振動，同時(shí)對加速度信號求自功率譜密度及加速度均方根值，以便于研究分析。由于模型較大，建立了幾個(gè)子系統(tǒng)。

　　（一）時(shí)域輸入部分

　　用于隨機(jī)路面輸入的信號可以用兩種方法獲得，一種是根據(jù)有理函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)譜的輸入方法模擬時(shí)域信號，另一種是直接利用獲得的道路時(shí)間歷程信號。圖2、圖3中輸出 1、輸出2和輸出3分別作為牽引銷處、副車架前軸、副車架后軸處的時(shí)域輸入。兩種不同來源的信號輸出模塊的內(nèi)部處理結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。

　　實(shí)測得到的是加速度時(shí)間歷程，需要進(jìn)行二次積分并用高通濾波將趨勢消除，才能取得隨機(jī)位移。

　　濾波邊界頻率取0.5～1.0Hz，能夠獲得很好的效果。

　　（二）核心計(jì)算部分

　　核心計(jì)算部分模型如圖4所示。

圖4 核心計(jì)算部分

?

為了獲得加速度輸出信息，對輸出的速度進(jìn)行微分計(jì)算，并根據(jù)幾何關(guān)系換算對應(yīng)位置的量值。

　　零階保持器和單位延遲模塊主要是將連續(xù)系統(tǒng)的輸出結(jié)果離散化并進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)分析或者頻譜分析。

　　（三）最終模型

　　最終的分析系統(tǒng)模型如圖5所示。在整個(gè)模型建立中，主要使用Simulink庫中的Band2LimitedWhiteNoise、Sum、 Integrator、Gain、Transport Delay、Mux、State2Space、Demux、Derivative、Scope等模塊以及DSP block set庫中的Buffer、Rms、Yule Walker Method、Short Time Spectrum、Power Spectral Density等模塊。系統(tǒng)模型的外部模塊主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)加速度均方根值計(jì)算和PSD功率譜密度曲線在線輸出顯示等。

　　四、仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

　　（一）道路試驗(yàn)情況

　　試驗(yàn)在不同等級路面上進(jìn)行，車輛參數(shù)選取與仿真一致，為滿載20t的廂式半掛車。車輛勻速行駛過程中，采用LMSDIFA數(shù)據(jù)采集前端，實(shí)時(shí)提取粘貼在車架上的ICP加速度傳感器信號，最后用LMS Testlab測量分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和存儲。數(shù)據(jù)處理可以得到各級路面下的加速度均方根值等評價(jià)參數(shù)，為對比分析與設(shè)計(jì)提供有益的參考。

　　為使測量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于012，記錄的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)總長度需滿足平均次數(shù)Nd>25次的要求。

　　（二）結(jié)果對比

　　輸入滿載行駛時(shí)廂式半掛車的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)以及路面參數(shù)，通過Scope和Display模塊可以看出該車各個(gè)自由度處的垂直加速度時(shí)間歷程與均方根值。仿真選用與試驗(yàn)一致的參數(shù)，如表2所示。其中α為常數(shù)，是所選路面的空間頻率；ρ為常數(shù)；v為車速。

表2 路面參數(shù)

　　以C級路面下實(shí)車測試與仿真計(jì)算的加速度均方根值為例，給出結(jié)果如表3所示。

表3 隨機(jī)路面加速度輸出響應(yīng)

　　從表3結(jié)果來看，仿真模型響應(yīng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果比較接近，二者在誤差允許范圍內(nèi)是一致的，說明該模型作為初步的模擬和預(yù)估是可行的，應(yīng)由此可見路面的模擬也是切實(shí)有效的。產(chǎn)生誤差的重要原因是本模型自由度較少且空氣彈簧的非線性阻尼和剛度的影響較大，同時(shí)路面使用情況較為復(fù)雜，不完全符合等級要求。

　　五、結(jié)論

　　建立基于系統(tǒng)仿真軟件Matlab/Simulink/Dsp的廂式半掛車實(shí)時(shí)道路仿真模型，通過實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的可靠性。為空氣懸架等部件在半掛車設(shè)計(jì)與匹配中的應(yīng)用提供了有利的工具，并可作為脈沖輸入試驗(yàn)等其他動力學(xué)試驗(yàn)的仿真使用。

　　通過計(jì)算結(jié)果分析，設(shè)計(jì)者可以明確懸架參數(shù)對于廂式半掛車動態(tài)響應(yīng)的影響，改進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，以獲得更好的動態(tài)性能。利用可靠的仿真模型，重現(xiàn)相同條件下的仿真試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)并優(yōu)化空氣懸架等部件參數(shù)，從而縮短開發(fā)設(shè)計(jì)周期，節(jié)約成本。