工程车辆全动力制动系统液压管路建模与仿真.pdf

工程车辆全动力制动系统液压管路建模与仿真 毋 高成国 ， 林慕义 ， 侯金 平 。 1 ． 北京信息科技大学； 2 ． 山东五征集团 摘要 针对全动力液压制动系统管路布置对整车制动性能影响较大的问题， 用键合 图方法建立 了全液压制动系统液压管路的数学模型 ，在建模过程 中考虑了液压管路的动 态摩擦阻力。应用 Ma t l a b软件中的动态仿真工具 S i m u l i n k软件包对液压管路的动态特性 进行了仿真分析 ， 为研究和减小管路布置对全液压制动系统制动性能的影响提供了参考。 关键词 全液压制动系统； 管路布置； 功率键合图 全液压制动系统以其优越的性能及较高的可靠 性被国外工程车辆广泛采用。全液压制动系统与常 规制动系统存在一定差异 ，在设计应用中如果不加 以注意会造成一系列的问题 ，如车辆制动时存在制 动响应速度过快或过慢、制动踏板力与制动力矩作 用不同步等现象。这些问题部分源于制动阀等系统 元件的自身结构特性 ，其余大多是由于在系统设计 与管路布置中未考虑全液压制动系统 自身的特点 ， 而是按照常规液压制动系统的设计原则布置管路造 成的，所以科学地研究全液压制动系统管路 的动态 特f生是当前亟待解决的问题【 l 】 。 管路动态研究方法主 要有特征线法 、 频率法和分布参数键合图法闭 。本文 以功率键合图推导出的输入输出势模型为基础 ， 建 立了包含有动态摩擦项的液压管路分段集中参数模 型， 通过对模型的动态仿真， 可以清楚地了解整个管 路 中各部分压力和流量的变化情况以及他们之间的 相互影响关系。 1 管路模型的建立 1 ．1 包含有动态摩擦项的管路模型 传统的管路分段集中参数模型是把管路划分成 若干段集中的液容 、 液阻和液感。 而分段集 中参数法 适合于管路较短、 脉动频率较低时使用 ， 否则误差较 大 ，主要表现在脉动频率差异和波形衰减较慢两方 面 ， 如果加入了管路的动态摩擦影响 ， 可以使管路模 型更适合在工程实际中应用【3 J。 动态摩擦是由于管内 流体脉动引起的摩擦损失 ，是一个复杂的流体力学 问题 。传统 的分段集 中参数模型没有考虑这部分能 量损失 ， 所以在建立新 的分段集中参数模型时 ， 需要 引入动摩擦液阻。 包含有动态摩擦项管路模型的等效机械振动模 型如图 1 所示。管路中某段管路集中参数键合图模 型如图 2 所示 。图中质量块 m相 当于某段管路中液 A 珥翼 基金项 目 北京市教育科技计划项目 K M 2 0 0 9 1 0 7 7 2 0 0 2 作者简介 高成国 1 9 8 4 _ ， 男， 山东人， 在读硕士， 研究方向 车辆工程。 一 4 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 均 液感， ，弹簧刚度K的倒数相当于管路中液体 统液压管路部分的示意图。 在考虑了车辆的 结构、 布 I 唰 嘲 蟛 鼎 硎 珊 嘲 一 鳢 g 鼎 麟 震 鞋睡 髓 嘣 目 目 轷 搿 ∞ 鼎 捌 螋 赠 自 自g 目 耀 ∞ 目 睦 嘲 疆 疆 鞠 瞩 目 鞲 鼎 目 餮 日 自隧 鼎 夜 容C ， 静摩擦液阻R 相当于管壁对管内液体的 置位置和技术参数等要求后， 该车辆制动系统全部 { 察 。质量块m的速度 相当 于某段管路内流体的 采用普通液压软管且管路较长， 如从蓄能器到制动 I [ 二 ] 器 图液 路示意图 制 缸 d P c l 1 Q3 Q 。一Q 图 液压制动管路示意图 一 】 一 2 J 车薯千 R [P 广 R s-R ,t1 Q l 】 鬟 一 段 管 路 的 长 度 ； Q r Q 2 _ P c 2 ]L 3 液 压 在 ii l c 一液容 ， 线性表达式为 c ； Rs 静态摩擦液阻 ， 表达式为 R s ； r r d R 动态摩擦液阻 ， 表达式为 Rd l 3 0 4 ． 9 8 7 孕 m 。 【41； R 外部负载液阻 ； p 一流体密度； 一 K K b sE 式中 K 制动液的体积弹性模量； 软管直径； 6 软管壁厚 ； E软管材料的纵向弹性系数。 2 管路动态特性仿真与分析 - - - 43--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由全液压制动系统的示意简图，可分别建立蓄 能器、 制动阀、 制动轮缸的数学模型[61 。 再联合液压管 路的状态方程 ，可建立包含液压管路的全液压制动 系统的 S i m u l i n k仿真模型， 如图 5所示。 由于本文主 图 5 包含液压管路的制动系统仿真模型 要研究液压管路 的动态特性 ，将紧急制动工况下制 动阀的工作简化为制动阀芯的开闭过程 ，输入信号 为阀芯位移。 通过仿真计算 ， 分析了蓄能器出 口处与 制动阀人口处 、制动阀出口处与轮缸入 口处 的压力 变化和流量变化，然后在考虑了管路动态摩擦阻力 的情况下， 分别改变了等效弹性模量 软管与硬管 、 管路长度、 管路直径中的一个， 其他不变， 来考察管 路参数对建立制动轮缸内压力 的影响。图 6 ～图 1 0 为仿真结果。 由图 6 、图 7可 以看出制动管路使用硬管或软 管对轮缸 内压力 的建立影响很大，硬管时管路弹性 模量取 E 91 0 。 P a ，软管时管路等效 弹性模量取 E 6 1 0 P a 。从图 6 可以看出， 当制动阀打开后， 蓄 时间 t ／ s 图6 制动管路材质不同时， 管路 1两端的压力 一 4 4一 时间 t ／ s 图7 制动管路材质不同时。 管路2两端的压力 时问 t ／ s 图 8 制动管路长度不同时， 管路 1两端的压力 时间 t ／ s 图9 制动管路长度不同时， 管路2两端的压力 B d ＼ ∞ ￡ 】 追辩 ， 口苗霆 磊 ＼ I c ， 氆口 霹掩器 0 日豸椎 糨 B d ＼ ￡ d R 口通 ， 三 玎七 | 习霎蒋器 ＼ _I 魍 Ⅱ整蒋磊 ， _【 o d Ⅱ若稚 糨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 时间 t ／ s 图 1 0 制动管路直径不同时， 管路 1两端的压力 能器出口的压力 曲线 ， 一次制动压力下降不明显 ， 满 足设计要求。由制动 阀人 口压力变化 曲线可 以看 出， 随着制动阀的开启， 制动阀人口压力急剧下降。 通过 使用硬管和软管下压力变化曲线的比较，可知使用 制动软管时的压力补充时间要远大于制动硬管 ， 而 且制动硬管的压力损失要小。 从 图 7中可知， 使用制 动硬管时 ， 轮缸中压力建立速度要大于制动软管 ， 而 且管路 2两端的压力损失要少 。 图 8 、 图 9 为制动管路为4 in 和 6 m时， 制动管 路 1 ， 2 两端的压力变化曲线。从图中可以看出制动 管路增长时， 制动阀入 口压力急剧下降后 ， 压力补偿 时间增长 ， 压力损失增加 ； 制动阀出 口与轮缸入 口的 压力损失增加 ， 轮缸压力响应速度变慢。 图 l 0 、图 1 1为制动管路直径为 8 ra i n ， 1 2 m i l l 时间 t ／ s 图 l l 制动管路直径不同时， 管路 2两端的压力 时 ， 制动管路 l ， 2两端的压力变化 曲线。 从图中可以 看出， 当制动管路直径增加时 ， 制动 阀人 口压力急剧 下降后 ， 压力补偿时间减少 ， 蓄能器压力损失增加 ； 轮缸 内压力随着制动管路直径的增加 ，响应速度变 快 ， 压力损失相应减少。 3 结论 1 液压管路是全液压制动系统的重要组成部 分 ， 对系统的动态特性有重要 的影响 ， 在对系统建模 及实验研究时， 不能忽略。 2 以键合图理论为基础建立 了全液压制动系 统的管路仿真模型， 并考虑了管路的动态摩擦项， 仿 真结果与实际制动过程中的情况基本吻合 ，验证了 液压管路模型的有效性 。 3 仿真分析 了制动管路 的等效弹性模量 ， 长 度及直径的变化对全液压制动 系工作性能 的影响 ， 从而可以通过改变管路的形式 硬管或软管 、 长度、 管径等参数改善制动系统工作特性，为研究管路布 置对整车Jl生 能的影响及优化全液压制动系统的工作 特性提供了参考依据 。 参考文献 【 1 】林慕 义 ， 刘瑁 ． 全 液压制 动系统 管路布 置对车辆 制动 性能的影响【 J ] ． 工程机械， 2 0 0 9 ， 4 0 1 2 7 3 0 ． [ 2 ]石培吉， 施国标 ， 林逸． 电控液压动力转向系统液压管 路建模与特性【 J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 8 ， 3 9 1 0 1 7 4 1 7 7 ． [ 3 ]田树军，张宏． 液压管路动态特性的 S i mu l i n k仿真研 究【 J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 6 ， 1 8 5 1 1 3 6 1 1 3 8 ． 『 4 1李洪人 ，陈照弟． 新的液压管路分段集中参数键图模 型及其试验研究【 J 】 ． 机械工程学报， 2 0 0 0 ， 3 6 3 6 1 6 4 ． 【 5 ]陈宏伟． A u d i 盘式制动器防抱死制动动态特性分析【 D 】 ． 长春 吉林大学， 1 9 9 9 ． f 6 ]林慕义，张文明． 全动力液压制动系统的动态模拟与 实验叨． 北京科技 大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 1 7 0 7 5 ． 通信地址北京市海淀区清河小营东路北京信息科技大学 4 3号信箱 1 0 0 1 9 2 收稿 E t 期 2 0 0 9 0 8 1 2 鼬 4 5--- ＼ 【 口匿蒋器 ， _【 墨 龃Ⅱ吾雒 釉 日 d ＼ n Ⅱ 辩 ， Ⅱ习霹蒋霜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m