汽车动力学.ppt

课程基本定位：课程基本定位：以汽车理论、汽车构造为专业基础，运用力学分析以汽车理论、汽车构造为专业基础，运用力学分析和数学计算（预测）的方法，在动力学层面上求解和数学计算（预测）的方法，在动力学层面上求解汽车的主要使用性能，为汽车设计提出指导性意见。汽车的主要使用性能，为汽车设计提出指导性意见。但不深入涉及具体的参数设计和制造方法。但不深入涉及具体的参数设计和制造方法。可以看做可以看做“高等汽车理论高等汽车理论”。基本概念：基本概念：“车辆动力学是研究所有与车辆系统运车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科动有关的学科”P4、5讲授内容：基本思想和基本理论，重要结论以及在汽讲授内容：基本思想和基本理论，重要结论以及在汽车上的典型应用。车上的典型应用。目录：目录：绪篇：汽车系统动力学简介、汽车与外界的相互作用绪篇：汽车系统动力学简介、汽车与外界的相互作用力力轮胎动力学与空气动力学。轮胎动力学与空气动力学。第一篇：直线行驶问题第一篇：直线行驶问题动力性、燃油经济性和制动力性、燃油经济性和制动性。动性。第二篇：由路面输入引起的行驶平顺性问题。第二篇：由路面输入引起的行驶平顺性问题。第三篇：操控性（操纵稳定性）问题。第三篇：操控性（操纵稳定性）问题。各性能分析不是全然分开的，例如，与操控性有关的车辆各性能分析不是全然分开的，例如，与操控性有关的车辆稳定控制，放在第五章纵向动力学。稳定控制，放在第五章纵向动力学。P123.这也体现了这也体现了P5“长期以来长期以来必然是相互作用、相互耦合的必然是相互作用、相互耦合的”思想。思想。绪篇 概论和基础理论 第一章第一章 车辆动力学概述车辆动力学概述第一节第一节 历史回顾历史回顾上世纪上世纪20年代到年代到70年代年代P13。“ABS是车辆底盘控制迈出的第一步。是车辆底盘控制迈出的第一步。”P3注意，现代意义的注意，现代意义的“控制控制”：传感器：传感器控制器控制器执行器。执行器。随后，发展了与之理论类似的牵引力控制随后，发展了与之理论类似的牵引力控制TCS、驱动防滑、驱动防滑ASR。（有的观点认为。（有的观点认为TCS=ASR）进而发展出进而发展出DSC和和VDC等技术。（在车型营销领域，日系车等技术。（在车型营销领域，日系车可能采用车辆稳定性控制系统可能采用车辆稳定性控制系统VSC的缩写，以博世为代表的的缩写，以博世为代表的德系车偏好采用德系车偏好采用ESP电子稳定程序。电子稳定程序。ESP是是VDC的商品名称。的商品名称。）此部分内容，详见第六章。此部分内容，详见第六章。在悬架系统领域，提出了在悬架系统领域，提出了主动主动和和半主动悬架半主动悬架技术（包括可技术（包括可变悬架的概念），并付诸应用。变悬架的概念），并付诸应用。在转向系统方面，则先后推出了四轮转向（在转向系统方面，则先后推出了四轮转向（4WS4WS）、电子）、电子液压助力转向（液压助力转向（PPSPPS）和电动助力转向（）和电动助力转向（EPASEPAS，P4P4常常缩写为缩写为EPSEPS）等。）等。系统动力学研究的工程应用价值，就是为这些先系统动力学研究的工程应用价值，就是为这些先进控制技术提供理论基础。进控制技术提供理论基础。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围基本受力分析的三个方向：基本受力分析的三个方向：P57纵向纵向驱动与制动；驱动与制动；垂向垂向行驶动力学；（汽车理论的相关理论见下页）行驶动力学；（汽车理论的相关理论见下页）横向（汽车理论偏好称之为横向（汽车理论偏好称之为“侧向侧向”）操纵动力学。操纵动力学。定义稳定裕度定义稳定裕度 ，其中，其中Caf和和Car分别为前、后分别为前、后轮胎的侧偏刚度，为绝对值。轮胎的侧偏刚度，为绝对值。P6稳定裕度为正，不足转向；为负，过多转向。稳定裕度为正，不足转向；为负，过多转向。汽车理论中，定义稳定性因数汽车理论中，定义稳定性因数 ，前后轮胎的，前后轮胎的侧偏刚度侧偏刚度k1和和k2皆为负。皆为负。K0，不足转向；，不足转向；K0，过多转向。，过多转向。第三节第三节 车辆特性和设计方法车辆特性和设计方法一、期望的车辆特性一、期望的车辆特性三个方向，操纵性能（横向）为本节主要讨论内容。三个方向，操纵性能（横向）为本节主要讨论内容。P7P8：垂向（乘坐舒适性）的优化思想：加速度为目标函数，：垂向（乘坐舒适性）的优化思想：加速度为目标函数，悬架的有限工作空间和轮胎动载荷为约束条件。悬架的有限工作空间和轮胎动载荷为约束条件。与之类似，汽车理论的观点：平顺性分析的振动响应量有三与之类似，汽车理论的观点：平顺性分析的振动响应量有三个：车身加速度、悬架动挠度、车轮个：车身加速度、悬架动挠度、车轮地面的动载。地面的动载。操纵性能的总体目标，简言之，就是操纵性操纵性能的总体目标，简言之，就是操纵性+稳定性。稳定性。原文原文P8与之对应，汽车理论对与之对应，汽车理论对“操纵稳定性操纵稳定性”的定义：在驾驶者不的定义：在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的情况下，汽车能遵循驾驶者通过转感到过分紧张、疲劳的情况下，汽车能遵循驾驶者通过转向系统及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，向系统及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。相较于其他方面，操纵性能的分析中，驾驶者的因素不相较于其他方面，操纵性能的分析中，驾驶者的因素不容忽视。容忽视。或者说，不考虑驾驶员反馈因素的开环控制模型，是不或者说，不考虑驾驶员反馈因素的开环控制模型，是不真实的，是比较粗略的。真实的，是比较粗略的。另参见另参见P14P14所期望的车辆操纵性：所期望的车辆操纵性：4 4点点 P8P8良好的操纵稳定性必备的特点：良好的操纵稳定性必备的特点：6 6条条 P9P9二、设计方法二、设计方法P9P9建模的目的：建模的目的：P10P10第四节第四节 术语和约定术语和约定 见教材见教材P10第二章第二章 车辆动力学建模方法及基础理论车辆动力学建模方法及基础理论较多的力学和数学分析知识，很多不要求深入理解。较多的力学和数学分析知识，很多不要求深入理解。简要了解：简要了解：动力学方程（微分方程）的建立方法；动力学方程（微分方程）的建立方法；P17P17完整系统与非完整系统；完整系统与非完整系统；P19P19第三章第三章 充气轮胎力学充气轮胎力学第一节第一节 概述概述基本功用和基本特点基本功用和基本特点 P30一、轮胎坐标系与六分力一、轮胎坐标系与六分力 P30（汽车理论观点，见下页）（汽车理论观点，见下页）二、二、车轮车轮运动参数运动参数1.滑动率滑动率s 包括驱动和制动（含被驱动包括驱动和制动（含被驱动P30）两种工况）两种工况r rd d应为应为没有地面驱（制）动力时的没有地面驱（制）动力时的车轮滚动半径。车轮滚动半径。2.轮胎侧偏角轮胎侧偏角 P31侧偏角与侧向力的关系侧偏角与侧向力的关系 P31弹性轮胎的侧偏现象的产生机理弹性轮胎的侧偏现象的产生机理（引自汽车理论）（引自汽车理论）：见下页：见下页3.轮胎径向变形轮胎径向变形 P3111OXY车轮平面车轮平面车轮行驶方向车轮行驶方向正地面切向正地面切向反作用力反作用力FX正翻转力矩正翻转力矩 TX正地面法向正地面法向反作用力反作用力FZ正地面侧向反作用力正地面侧向反作用力FY车轮旋转轴线车轮旋转轴线正侧偏角正侧偏角正回正力矩正回正力矩TZ正正TY正外倾角正外倾角Z外倾角外倾角 camber过轮胎坐标系原点的过轮胎坐标系原点的垂线与车轮平面的夹角垂线与车轮平面的夹角第二节 轮胎的侧偏特性一、轮胎的坐标系tyre coordinate system此图显示的是所有此图显示的是所有参量的正方向参量的正方向右手系右手系Right-handed侧偏角侧偏角 slip轮胎接地印迹中心的轮胎接地印迹中心的位移方向与位移方向与X轴的夹角轴的夹角12FY俯视图第二节 轮胎的侧偏特性车轮静止车轮静止2）在弹性轮胎上作用侧向力13FY第二节 轮胎的侧偏特性2）在弹性轮胎上作用侧向力车轮滚动车轮滚动14第二节 轮胎的侧偏特性侧偏角侧偏角Slip angle 轮胎接地印轮胎接地印迹中心的位移迹中心的位移方向与方向与X轴的夹轴的夹角。角。u150XYFY侧偏力为正时，侧偏力为正时，产生负侧偏角。产生负侧偏角。u-+第二节 轮胎的侧偏特性2.侧偏现象 tyre slipping当车轮有侧向弹性时，即使当车轮有侧向弹性时，即使FY没有达到侧没有达到侧向附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平向附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。面的方向。侧偏角侧偏角 slip angle轮胎接地印迹轮胎接地印迹中心的位移方中心的位移方向与向与X轴的夹轴的夹角。角。u第五节第五节 制动性制动性一、评价指标和若干定义一、评价指标和若干定义三个指标：三个指标：P104 （基本不考虑抗衰退问题）（基本不考虑抗衰退问题）制动强度、附着率（同制动强度、附着率（同P105）和制动效率）和制动效率附着率是为了实现某制动强度而对地面提出的最低要求，附着率不可能附着率是为了实现某制动强度而对地面提出的最低要求，附着率不可能小于制动强度，越小越好。小于制动强度，越小越好。制动效率就是制动强度与附着率的比例，反映对地面附着能力的利用程制动效率就是制动强度与附着率的比例，反映对地面附着能力的利用程度，越大越好。度，越大越好。二、直线制动动力学分析二、直线制动动力学分析理想制动力分配曲线理想制动力分配曲线这里的制动力指的是这里的制动力指的是制动器制动器制动力，该曲线制动力，该曲线就是汽车理论就是汽车理论的的I I曲曲线线。理想：理想：前后轮都（同时）达到最大制动强度，即附着系数。（由前后轮都（同时）达到最大制动强度，即附着系数。（由P111可知，也就是同时抱死。）可知，也就是同时抱死。）思路：思路：给定某种路面附着系数给定某种路面附着系数，全部车轮的制动强度都达到该值，即，全部车轮的制动强度都达到该值，即整车总制动力为整车总制动力为FZ，可以算出前后轮的法向载荷；，可以算出前后轮的法向载荷；前轮法向载荷乘以路面附着系数，就是前轮的理论制动力；后轮亦然。前轮法向载荷乘以路面附着系数，就是前轮的理论制动力；后轮亦然。所以，可以将前后轮的制动力分配看做附着系数（也就是制动强度）的所以，可以将前后轮的制动力分配看做附着系数（也就是制动强度）的函数，如图函数，如图5-25；如果消去制动强度，则可得到前后轮制动力之间的函；如果消去制动强度，则可得到前后轮制动力之间的函数关系，如式（数关系，如式（5-54）。）。制动过程的三种可能制动过程的三种可能 1）前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑：稳定工况）前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑：稳定工况，但丧失转向能力，附着条件没有充分利用，但丧失转向能力，附着条件没有充分利用。P107 2）后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑：后轴可能）后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑：后轴可能出现侧滑，不稳定工况，附着条件没有充分利用。出现侧滑，不稳定工况，附着条件没有充分利用。3）前、后轮同时抱死拖滑：可以避免后轴侧滑，附）前、后轮同时抱死拖滑：可以避免后轴侧滑，附着条件利用较好（在较大制动强度下才失去转向）。着条件利用较好（在较大制动强度下才失去转向）。前、后制动器制动力的比例关系，将影响制前、后制动器制动力的比例关系，将影响制动时前后轮的抱死顺序，从而影响汽车制动动时前后轮的抱死顺序，从而影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件利用程度。时的方向稳定性和附着条件利用程度。三、制动稳定性分析三、制动稳定性分析四、转弯制动动力学分析四、转弯制动动力学分析 制动效率的验算制动效率的验算P107 示例示例思路：（思路：（P109110）制动转弯时，给定侧向加速度和各轮制动力；制动转弯时，给定侧向加速度和各轮制动力；由侧向加速度、纵向减速度以及车身侧倾（与悬架有关），由侧向加速度、纵向减速度以及车身侧倾（与悬架有关），算出各车轮垂直载荷；算出各车轮垂直载荷；各车轮的侧向力与垂直载荷成正比；各车轮的侧向力与垂直载荷成正比；由侧向力与纵向力的关系（摩擦椭圆）推算出各轮纵向力；由侧向力与纵向力的关系（摩擦椭圆）推算出各轮纵向力；侧向力与纵向力的合力，除以垂直载荷，得到附着率；侧向力与纵向力的合力，除以垂直载荷，得到附着率；计算制动效率计算制动效率五、制动力控制系统五、制动力控制系统三种类型三种类型 P110基本出发点：实际制动力变化追踪理想曲线，但是不能高基本出发点：实际制动力变化追踪理想曲线，但是不能高于理想曲线，避免后轮先抱死；（也不能过低，否则前轮于理想曲线，避免后轮先抱死；（也不能过低，否则前轮抱死过早，制动效率差；）最理想的则是采用抱死过早，制动效率差；）最理想的则是采用ABS，追求各，追求各车轮的制动力和侧向力最优化配置。车轮的制动力和侧向力最优化配置。20要点总结要点总结从从I曲线、曲线、线、线、f线组和线组和r线组的关系来看，我们希望线组的关系来看，我们希望线在线在I曲线下曲线下方，避免后轮先抱死造成侧滑；同时希望方，避免后轮先抱死造成侧滑；同时希望线尽量接近线尽量接近I曲线，也就曲线，也就是前轮不要过早抱死，以提高对路面附着能力的利用率，提高制动是前轮不要过早抱死，以提高对路面附着能力的利用率，提高制动效能。效能。从利用附着系数从利用附着系数-制动强度关系来看，我们希望前轮的利用附着系制动强度关系来看，我们希望前轮的利用附着系数曲线在数曲线在45线上方，以确保前轮先抱死；同时尽量接近线上方，以确保前轮先抱死；同时尽量接近45线，以线，以提高地面附着能力的利用程度。提高地面附着能力的利用程度。而从制动效率的角度，我们希望有意义的是前轮制动效率，而且在而从制动效率的角度，我们希望有意义的是前轮制动效率，而且在不同附着系数的路面上该效率都尽可能接近不同附着系数的路面上该效率都尽可能接近100%。而在本节限定条件内，而在本节限定条件内，“理想理想”的是前后轮同时抱死，这样不会的是前后轮同时抱死，这样不会发生侧滑，地面附着条件利用的也最充分。发生侧滑，地面附着条件利用的也最充分。当然，真正当然，真正“理想理想”的制动工况应该是有的制动工况应该是有ABS（制动防抱死）装（制动防抱死）装置。置。第六章第六章 纵向动力学控制系统纵向动力学控制系统第一节第一节 防抱死制动系统防抱死制动系统一、概述一、概述如图如图6-1所示，车轮抱死时，制动力下降，更重要的是侧向所示，车轮抱死时，制动力下降，更重要的是侧向力大幅下降（趋近于力大幅下降（趋近于0），车辆的制动效能和制动时的方向），车辆的制动效能和制动时的方向稳定性不佳。稳定性不佳。而如果能将滑动率控制在某范围（一般在而如果能将滑动率控制在某范围（一般在1520%左右），左右），可以达到理想的效果。可以达到理想的效果。“自调节自调节”P114二、控制目标二、控制目标由上可知，可选取滑动率作为控制目标。但事实上考虑到由上可知，可选取滑动率作为控制目标。但事实上考虑到测取的难易问题，通常取车轮的角减速度和相对滑移率测取的难易问题，通常取车轮的角减速度和相对滑移率（或车辆减速度）作为控制目标。（或车辆减速度）作为控制目标。三、控制过程三、控制过程“模拟点刹模拟点刹”四、控制策略四、控制策略三种，可有优劣。三种，可有优劣。第二节第二节 驱动力控制系统驱动力控制系统一、概述一、概述 历史发展历史发展 P120二、基本原理和控制目标二、基本原理和控制目标 类似类似ABS三、控制方式三、控制方式 比比ABS更灵活、更复杂更灵活、更复杂第三节第三节 车辆稳定性控制系统车辆稳定性控制系统一、概述一、概述VSC（可见课件（可见课件P2）可以视作）可以视作ABS和和TCS的升级。的升级。简要区别：简要区别：ABS和和TCS仅停留在某车轮层面，追求的是车轮仅停留在某车轮层面，追求的是车轮的受力或滑动率最优化；而的受力或滑动率最优化；而VSC则对整车的运动姿态（如横则对整车的运动姿态（如横摆角速度）进行检测，以车轮纵向力的手段实现整车运动摆角速度）进行检测，以车轮纵向力的手段实现整车运动的理想化。的理想化。二、系统组成和工作原理二、系统组成和工作原理相对于相对于ABS和和TCS，VSC增加了增加了YSC。根据当前车速和驾驶员的操作，计算出理论横摆角速度，根据当前车速和驾驶员的操作，计算出理论横摆角速度，对实际车辆行驶状况进行干预。对实际车辆行驶状况进行干预。三、控制方式（与控制目标）三、控制方式（与控制目标）第七章第七章 动力传动系统的振动分析动力传动系统的振动分析危害危害 对策：降低与躲避对策：降低与躲避第一节第一节 扭振系统的激振源扭振系统的激振源内燃机是最主要的振源，最主要的激振谐分量是最低阶主内燃机是最主要的振源，最主要的激振谐分量是最低阶主谐量。谐量。第二节第二节 扭振系统模型与分析扭振系统模型与分析一、力学模型一、力学模型 惯量与刚度，忽略阻尼惯量与刚度，忽略阻尼二、力学方程二、力学方程 扭转系统的牛顿第二定律扭转系统的牛顿第二定律三、固有频率与振型分析三、固有频率与振型分析 节点阵型节点阵型四、发动机临界转速四、发动机临界转速第三节第三节 动力传动系统的减振措施动力传动系统的减振措施两个措施两个措施+两个实例两个实例第二篇第二篇 行驶动力学行驶动力学第八章第八章 路面输入及其模型路面输入及其模型第一节第一节 路面测量技术及数据处理路面测量技术及数据处理功率谱密度功率谱密度第二节第二节 路面输入模型路面输入模型一、频域模型一、频域模型空间频率的谱密度空间频率的谱密度 式（式（8-3）路面不平度系数路面不平度系数G0时间频率的谱密度时间频率的谱密度 式（式（8-5）利用谱密度信息重新构建路面的时间域（空间域）描述利用谱密度信息重新构建路面的时间域（空间域）描述第三节第三节 特殊路面输入特殊路面输入1.稳态和瞬态的定义。稳态和瞬态的定义。P112.完整约束与非完整约束的定义。完整约束与非完整约束的定义。P193.用文字简述车轮滚动阻力的组成。用文字简述车轮滚动阻力的组成。P504.如何测试轮胎的非滚动动刚度？如何测试轮胎的非滚动动刚度？P595.轮胎的轮胎的“摩擦椭圆摩擦椭圆”理论的内容是什么？理论的内容是什么？P65-666.简述汽车的空气阻力的构成。简述汽车的空气阻力的构成。P837.为什么有些汽车的为什么有些汽车的1挡加速度不及挡加速度不及2挡？挡？P928.电涡流缓速器与发动机制动的特点和适用范围分别是什么？电涡流缓速器与发动机制动的特点和适用范围分别是什么？P959.汽车的燃油消耗量与那些参数有关？减少燃油消耗的途径有哪些？汽车的燃油消耗量与那些参数有关？减少燃油消耗的途径有哪些？P9710.驱动效率的定义？驱动效率的定义？P10311.制动效率的定义？制动效率的定义？P10512.随着制动强度的加大，前后轮制动力应该同步增长吗？随着制动强度的加大，前后轮制动力应该同步增长吗？P10613.ABS的基本出发点是什么？控制目标和控制过程分别如何？的基本出发点是什么？控制目标和控制过程分别如何？P114-11614.TCS有哪些控制方式？有哪些控制方式？P121-12215.VSC的工作原理如何？的工作原理如何？P124