拖挂式房车列车操纵稳定性研究

论文摘要

拖挂式房车列车是汽车列车的一种型式,在欧美等国家已经相当普遍。其操纵稳定性性能决定了拖挂式房车列车的安全性能,是该领域研究的重点和热点。为研究拖挂式房车列车的操纵稳定性,本文首先根据刚体动力学原理,利用MATLAB软件编制相关的程序,使刚体微分方程的推导程序化,建立了拖挂式房车列车的力学模型,同时根据所建的力学模型,用MATLAB/SIMULINK搭建了仿真模型,并对仿真模型进行试验验证,结果表明仿真结果和试验结果具有良好的一致性,证明了仿真模型建立的合理性和正确性,为研究牵引车与房车之间的匹配与连接提供相应的研究平台。运用根轨迹法研究拖挂式房车列车使用和结构参数对其操纵稳定性的影响,为解决牵引车与房车之间的匹配和连接提供理论依据;并对根轨迹法进行拓展,将稳定性因数与自动控制工程中的根轨迹法有机地结合,使根轨迹法能方便的分析车辆的稳定性能和动态性能,既能直观的判断汽车操纵稳定性的优劣,还可以分析影响汽车操纵稳定性的主要因素,为汽车操纵稳定性的研究探索了一条新路。高速摆振是汽车列车一个重大的事故隐患。本文通过采用降阶的方法,将高阶的拖挂式房车列车系统降为二阶系统,并建立车速与系统阻尼比的关系,揭示了拖挂式房车列车高速摆振的原因,并对房车结构参数对系统阻尼比的影响进行研究。车辆行驶稳定性控制是提高汽车操纵稳定性的有效方法。通过采用滑模变结构控制方法对拖挂式房车列车操纵稳定性进行仿真研究,并利用LabVIEW虚拟技术,对拖挂式房车列车高速摆振控制进行试验研究,结果表明控制策略是有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 汽车操纵稳定性研究的现状
• 1.3 汽车列车操纵稳定性的研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 拖挂式房车列车动力学模型的建立
• 2.1 刚体动力学
• 2.1.1 刚体上任意一点加速度的确定
• 2.1.2 刚体绕其质心的动量矩
• 2.1.3 刚体对任意点的动量矩
• 2.1.4 刚体对任意点的惯性力矩
• 2.1.5 刚体运动微分方程式
• 2.1.6 刚体运动微分方程式的MATLAB实现
• 2.2 车辆坐标系
• 2.3 车身五自由度汽车的运动微分方程式
• 2.3.1 沿x轴的惯性力
• 2.3.2 沿y轴的惯性力
• 2.3.3 悬挂质量对x轴的惯性力矩
• 2.3.4 悬挂质量对y轴的惯性力矩
• 2.3.5 整车对z轴的惯性力矩
• 2.4 拖挂式房车列车的运动微分方程
• 2.5 拖挂式房车列车系统受力分析
• 2.5.1 拖挂式房车列车铰接力
• 2.5.2 轮胎受力和轮胎模型
• 2.5.3 车轮动力学微分方程及制动力传递模型
• 2.5.4 拖挂式房车列车力平衡方程
• 2.6 拖挂式房车列车运动过程中的载荷转移
• 2.6.1 俯仰时垂直载荷在各车轮上的重新分配
• 2.6.2 侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮上的重新分配
• 2.6.3 车身有俯仰和侧倾时各车轮垂直载荷
• 2.7 小结
• 第三章 仿真分析与试验验证
• 3.1 试验样车和试验条件
• 3.1.1 试验样车的研制
• 3.1.2 试验条件
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 测试系统
• 3.2.2 试验项目、试验规范及方法
• 3.3 样车试验现场
• 3.4 仿真结果与试验结果比较
• 3.4.1 侧向稳定性仿真结果与试验结果的比较
• 3.4.2 制动稳定性仿真结果与试验结果的比较
• 3.5 小结
• 第四章 拖挂式房车列车稳态转向特性研究
• 4.1 动力学模型的建立
• 4.2 拖挂式房车列车稳态转向特性
• 4.3 小结
• 第五章 基于根轨迹法的拖挂式房车列车操纵稳定性研究
• 5.1 根轨迹与系统的稳定性
• 5.2 系统运动微分方程的简化
• 5.3 系统的传递矩阵及特征方程
• 5.4 拖挂式房车列车的使用和结构参数对操纵稳定性的影响
• 5.4.1 速度的影响
• 5.4.2 牵引车、房车质量的影响
• 5.4.3 铰节点到牵引车后轴距离c变化的影响
• 1、k₂及房车车轮侧偏刚度k₃变化的影响'>5.4.4 牵引车前后轮侧偏刚度k₁、k₂及房车车轮侧偏刚度k₃变化的影响
• 5.5 根轨迹法在汽车操纵稳定性研究中的拓展
• 5.5.1 稳定性因数K、特征车速在根轨迹上的表达
• 5.5.2 操纵稳定性的优劣在根轨迹上的判别
• 5.5.3 使用方法
• 5.5.4 根轨迹落在理想区域内外的性能比较
• 5.6 小结
• 第六章 拖挂式房车列车高速摆振的原因分析
• 6.1 高阶系统降阶的理论依据
• 6.2 高阶系统的降阶方法
• 6.3 拖挂式房车列车高速时横向摆振的原因
• 6.4 房车结构参数对系统阻尼比的影响
• 6.4.1 房车车轮侧偏刚度的影响
• 2的影响'>6.4.2 房车质量m₂的影响
• 6.4.3 房车转动惯量的影响
• 6.4.4 房车质心位置的影响
• 6.5 小结
• 第七章 拖挂式房车列车高速行驶稳定性控制
• 7.1 滑模变结构控制的原理
• 7.1.1 滑动模态的存在性
• 7.1.2 滑动模态的可达性
• 7.1.3 滑模运动的稳定性
• 7.1.4 滑模变结构控制系统的动态品质
• 7.1.5 滑模变结构的基本控制策略
• 7.2 基于滑模变结构的拖挂式房车横向稳定性控制的仿真研究
• 7.3 动力学模型及控制策略
• 7.4 仿真模型
• 7.5 滑模控制前后的比较
• 7.5.1 前轮角阶跃输入
• 7.5.2 单移线行驶
• 7.6 小结
• 第八章 基于LABVIEW的拖挂式房车列车控制
• 8.1 基于虚拟仪器的控制系统
• 8.1.1 虚拟仪器及LabVIEW在控制中的应用
• 8.1.2 基于虚拟仪器的控制系统的结构
• 8.1.3 系统体系结构的选择
• 8.2 试验仪器的安装与连接
• 8.3 样车及试验现场
• 8.4 试验结果
• 8.5 小结
• 第九章 总结与展望
• 9.1 本文的主要研究工作
• 9.2 论文工作的主要创新点
• 9.3 结论
• 9.4 未来研究方向的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A
• 1. 求取刚体上任意一点的加速度的MATLAB程序
• 2. 求取刚体上任一点，对车辆动坐标系坐标轴的转动惯量的MATLAB程序
• 附录B
• 仿真模型
• 附录C 样车参数
• 博士期间发表的论文