基于ADAMS和MATLAB主動轉向式汽車列車轉向仿真研究

劉朝濤　王永偉　譚亞紅

摘 要：為了降低汽車列車轉彎半徑和行駛軌跡良好的跟隨性，可增加掛車的數量。基于汽車列彎路轉向理論，運用ADAMS建立了列車運動學、動力學模型，運用MATLABL建立了列車轉向控制模型，進行了ADAMS與MATLAB的聯合仿真，并對主動轉向汽車列車的可行性、優越性進行了驗證。

關鍵詞：汽車列車；ADAMS；MATLAB；聯合仿真分析

中圖分類號：U469.5+4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.009

主動轉向汽車列車是通過在牽引車與掛車之間建立通訊網絡（牽引車與掛車、掛車與掛車之間由2根液壓桿連接），將牽引車的運動參數，特別是轉向數據通過通訊網絡傳送到各個掛車，各個掛車根據這些參數控制2根液壓桿的伸縮長度，實現主動控制運動方式，能對牽引車的軌跡進行跟蹤，從而提高列車掛車的追隨性。

目前，汽車列車的長度較短，比如全掛汽車列車的掛車數一般不宜超過2輛，汽車列車都是由牽引車牽引和控制的，掛車被動地跟隨牽引車運動。在轉向時，掛車在牽引連接裝置的帶動下被動地跟隨牽引車轉向，導致整車的轉向半徑過大，在狹窄路面轉彎和繞過障礙物時易發生刮碰事故，且掛車的追隨性差。

通過全掛汽車列車的轉向跟隨性和轉向特性，可得到列車轉彎時具有良好跟隨性的充分必要條件，并根據這一理論建立控制系統。本文運用ADAMS建立主動轉向汽車列車的虛擬樣機模型，運用MATLAB建立控制系統，通過ADAMS與MATLAB的聯合仿真分析研究主動轉向汽車列車跟隨性和轉彎半徑方面的優越性。

1 汽車列車的轉向分析

圖1 全掛汽車列車轉向特性關系

由汽車列車轉向理論可知，影響汽車列車轉向追隨性的主要參數有轉向時的軌跡偏移距e和轉向傳動比i，因此，可通過主動控制e和i來減小汽車列車轉彎半徑和轉向軌跡跟蹤性。下面通過圖1（常見全掛汽車列車將固定在車軸上的轉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點和掛車主銷D點轉動）研究e，i和全掛列車的轉向特性。

由偏移距的定義可知：

由轉向傳動比定義可知：

全掛列車的轉向特性表達式為：

由于式（3）中的i只與列車本身結構有關，一旦列車結構確定，則它為一定常數。因此，掛車具有良好的轉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向特性表達式： （6）

然而，當列車轉彎時，掛車轉向角θ2會隨車轅與拉桿而變化，即：

. （7）

將式（6）代入式（7）可得到：

經過上述推論可得到通過牽引車轉彎時的轉彎半徑，實時主動改變β滿足式（9）就能得到列車轉彎時良好的跟隨性。主動轉向汽車列車就是通過牽引車轉彎時的參數采用控制算法控制連接各個掛車的2根液壓桿伸縮變化，進而主動改變β的，最終實現掛車隨牽引車主動轉向。

2 主動轉向汽車列車的控制算法

通過上述分析，只要汽車列車在轉彎時轉彎半徑是固定的，通過控制系統改變β，使其滿足式（9），則能達到汽車列車轉彎時良好的跟隨性，進而減小轉彎半徑。牽引車轉彎半徑與轉向內外輪速度差有對應關系，通過傳感器測到列車轉彎時的轉向內、外輪速度，可計算出速度差，并作為反饋值。將反饋值與給定輸入量比較，通過PID控制算法跟蹤輸入信號控制液壓桿的伸縮，從而達到主動控制目的。

3 建立虛擬樣機模型和聯合仿真模型

在ADAMS中建立汽車列車虛擬樣機，在MATLAB 中建立控制模塊并進行聯合仿真。

3.1 在ADAMS/View中建立汽車列車模型

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

對模型添加約束：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彎，忽略轉彎側滑現象，對牽引車施加牽引力函數STEP（time，0，0，2.5，4.9E+5）+STEP（time，2.5，4.9E+5，3.1，-4.835e+005），轉向力矩值2E+5.建立完成的主動轉向汽車列車虛擬樣機如圖2所示。

3.2 控制系統建模分析

為了能及時反饋牽引車轉向特性參數，消除列車轉彎受到的干擾，采取了閉環控制系統。假定列車在恒定速度下轉彎時牽引車在某同一轉彎半徑下轉向內外輪的速度差為定值，通過傳感器測量轉內、外輪的速度作為MATLAB/Simulink中控制系統的輸入值，以實現控制。

3.3 聯合仿真接口參數設置

分別創建液壓桿的伸縮速度為VL1、VR1、VL2、VR2，并作為輸入狀態變量，轉向輪左、右速度TIRL、TIRR為輸出狀態變量，使狀態變量與模型相關并導入目標軟件MATLAB。在MATLABL命令窗口輸入adams_sys生成adams_sub模塊，對該模塊添加已建立好的控制模塊。此時，控制系統與機械系統已聯合，如圖3所示。

4 仿真比較和結果分析

為了更好地說明主動轉向列車軌跡的跟隨性，在相同列車結構參數和轉向運動參數下分別對普通（單鏈接牽引桿）和主

動轉向列車（能伸縮雙液壓桿）進行了仿真。選取車廂質點（因每節車廂是尺寸相同的長方體，即幾何中心與質點重合）在行駛水平路面XY平面的運動軌跡為研究對象，得到的仿真結果如圖4和圖5所示。

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

5 結束語

通過以上分析和仿真研究驗證雙液壓桿牽引連接的主動轉向汽車列車的可行性，并在列車轉向時掛車的跟隨性和減小列車的轉彎半徑方面的優越性。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕