基于Matlab/Simulink在驾驶室液压翻转机构设计中的仿真分析研究

姜 帆

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

基于Matlab/Simulink在驾驶室液压翻转机构设计中的仿真分析研究

姜 帆

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

本文介绍了基于Matlab/Simulink在驾驶室液压翻转机构设计中的分析与研究。依据Matlab/Simulink的曲线图表功能和图解化程序，以及驾驶室液压翻转机构的数学模型，计算了驾驶室液压翻转机构的力、力臂、力矩。为驾驶室液压翻转机构设计提供了理论参考。

液压翻转机构；曲线图表；Matlab/Simulink

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

引言

在驾驶室液压翻转机构设计中，会碰到举升缸的举升力的求解问题，对此虽然可以列出举升力求解的数学表达式，但是要了解力的变化趋势，仅从推导的方程式就不那么容易了。同样，驾驶室的举升过程中，力臂、力矩的变化是怎样的一个情况，这些都是困扰设计人员而又绕不开的问题。对此，笔者从驾驶室液压翻转机构的数学建模，到依靠Matlab/Simulink软件建模仿真，模拟驾驶室在液压举升缸作用的举升过程，对驾驶室翻转机构的液压举升缸的举升力、力臂、力矩随翻转角度变化情况，以曲线图、列表的形式进行了分析讨论，为此类设计工作提供了理论参考依据。

1、建立数学模型

1.1 几何分析

驾驶室通过液压缸的伸缩使驾驶室绕其翻转轴有限度的旋转，从而完成驾驶室的举升和下落。图1、图2分别是驾驶室翻转前、后的几何简图。

在图1、图2中我们定义A点是驾驶室翻转轴中心；B点是液压举升缸的上固定点（一般在驾驶室地板纵梁上）；C点是液压举升缸的下固定点（一般在车架上）；G点是驾驶室的重心；L是驾驶室重力力臂；H是重心G到过翻转中心A的水平面的距离；在驾驶室翻转前的图1中，u是在Y基准平面内，从翻转轴中心A到驾驶室重心G的连线与水平面的夹角，即重心角可按arcth（H/L）求得；液压举升缸BC上的举升力为P；令驾驶室的重力为T；在△ABC中，令AB=c，AC=b，BC=a，h为顶点A到BC边上的高(即液压缸举升力力臂)，∠BAC在驾驶室翻转前图1状态时的角度为z；图1中驾驶室重心G到翻转轴中心A的距离AG=sqrt(H2+L2)，令AG=m；令M是由驾驶室重力T绕翻转轴中心A引起的力矩；图2x是驾驶室翻转角度，它由设计要求确定。

1.2 解析式分析

我们根据三角形面积公式、余弦定理、力矩平衡公式得到以下方程。

在图2△ABC中由三角面积公式得：

在图2△ABC中由余弦定理得：

由力矩平衡公式得：

由三角公式得：

联立(5)、(6)、(7)得：

通过函数方程式(5) 、(7) 、（8)、 (9)我们可以了解驾驶室在任意翻转角度x条件下，对应的液压缸举升力P、力矩M、液压缸举升力力臂h、重力力臂L。

2 、Matlab/Simulink的应用、求解

已知某重型车驾驶室液压翻转机构中的b=0.565m；c=0.395m；u=33°；z=77.5°；T=8000N；m=1.8m；x∈〔0°，65°〕；选用的液压举升缸的工作压力25Mpa,缸内筒直径50mm,额定举升力可在0～49062.5N范围内变化。我们对随翻转角度x变化的液压缸举升力力臂h、液压缸举升力P、力矩M、重力力臂L的变化进行讨论。

2.1 Simulink建模

根据方程式（5）、（7）、（8）、（9）在Simulink中建立框图模型，见图3仿真模型。这里我们将仿真步长定义为驾驶室翻转角x的角速度，值为pi/180（1°/s）。

2.2 Matlab中的曲线图表

在command window 窗口输入以下命令，得到液压缸举升力力臂h随翻转角度x变化的曲线，见图4。

在command window窗口输入以下命令，得到重力力臂L随翻转角度x变化的曲线，见图5。

在command window 窗口输入以下命令，得到举升力P随翻转角度x变化的曲线，见图6。

在command window 窗口输入以下命令，得到力矩M随翻转角度x变化的曲线，见图7。

在命令窗口查看simout矩阵，可以了解h、L、P、M随x变化的值，参看表1。

表1 参数值

3 、结语

应用数学软件Matlab/Simulink解决驾驶室液压翻转机构设计中的问题，提高了设计工作的准确性和效率，将设计工作者从冗繁的计算解脱出来。Simulink的仿真功能，以及Matlab的曲线图表功能，直观明了地反映出设计人员所关心的参数变化情况，使得以前液压翻转机构设计中较为模糊的问题变得清晰明了。

[1] 蒲俊,吉家锋,伊良忠.MATLAB 6.0 数学手册［M］.上海：浦东电子出版社,1992.

[2] 姜帆.驾驶室的液压翻转机构设计［J］.汽车实用技术,2011,(4)∶32-36.

[3] John F. Gardner. Simulations of Machines Using Matlab and Simulink［M］. Thomson learning,2000.

Analysis and Study on the simulation of the hydraulic lift & fall mechanism for cab design based on Matlab/Simulink

Jiang Fan
(Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper introduced the analysis and study on the hydraulic lift & fall mechanism for cab design based on Matlab/Simulink software. According to the graph function and visual program technology of Matlab/Simulink, along with the mathematical models of the hydraulic lift & fall mechanism for cab, calculated the force, the arm of force, the moment force of the hydraulic lift & fall mechanism for cab. It can provide theoretical references for the design for hydraulic lift & fall mechanism of cab.

hydraulic lift & fall mechanism; graph; Matlab/Simulink

U463.8

A

1671-7988(2015)03--

姜帆，中级工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，从事军用车辆车身设计。