汽车系统动力学-kejian34579.pptx

汽车系统动力学汽车系统动力学河北工业大学机械学院车辆工程系河北工业大学机械学院车辆工程系武一民武一民 第一章第一章 概述概述 1.1 1.1 汽车系统动力学的发展概况汽车系统动力学的发展概况 汽车系统动力学是近代发展起来的一门新兴学科，大约有汽车系统动力学是近代发展起来的一门新兴学科，大约有100100多年的历史。汽车动力学最早是研究车辆行驶的振动分析，多年的历史。汽车动力学最早是研究车辆行驶的振动分析，2020世纪世纪3030年代，英国的年代，英国的LanchesterLanchester、美国的、美国的OlleyOlley、法国的、法国的BroulhietBroulhiet开始了有关汽车转向、稳定性、悬架方面的研究。开始了有关汽车转向、稳定性、悬架方面的研究。对学科发展卓越影响的人物是美国卡迪拉克公司的对学科发展卓越影响的人物是美国卡迪拉克公司的OlleyOlley，19321932年，他建立了年，他建立了“K2”K2”实验台，研究悬架匹配及轴距对汽车实验台，研究悬架匹配及轴距对汽车的影响，得到前悬要软于后悬的结论。的影响，得到前悬要软于后悬的结论。在在5050年代，人们建立了较为完整的汽车操纵和转向动力学年代，人们建立了较为完整的汽车操纵和转向动力学的基础理论体系，其中德国的的基础理论体系，其中德国的MillikenMilliken出版出版汽车动力学汽车动力学标标志着汽车动力学的成熟。志着汽车动力学的成熟。第一章第一章 概述概述动力学动力学的发展过程分为三个阶段：的发展过程分为三个阶段：阶段一（阶段一（2020世纪世纪3030年代）年代）1.1.对车辆动态性能的经验性的观察对车辆动态性能的经验性的观察2.2.开始注意到车轮摆振的问题开始注意到车轮摆振的问题3.3.认识到车辆舒适性是车辆性能的一个重要方面认识到车辆舒适性是车辆性能的一个重要方面阶段二（阶段二（3030年代年代5050年代）年代）1.1.了解了简单的轮胎力学，给出了轮胎侧偏角的定义了解了简单的轮胎力学，给出了轮胎侧偏角的定义2.2.定义不足转向和过度转向定义不足转向和过度转向3.3.建立了简单的两自由度操纵动力学方程建立了简单的两自由度操纵动力学方程4.4.开展了行驶平顺性研究，建立了开展了行驶平顺性研究，建立了K2K2实验台，实验台，5.5.引入前独立悬架引入前独立悬架第一章第一章 概述概述 随后几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定随后几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在产品中的重要作用。随着计算机技术的发展性在产品中的重要作用。随着计算机技术的发展ADMAS,ABS,TCS(驱动力控制),ASR,VDC(动力学控制),4WS,PPS(液压助力),阶段三（阶段三（1952年以后）年以后）1.1.通过试验结果和建模，加深了对轮胎特性的了解通过试验结果和建模，加深了对轮胎特性的了解2 2.在在两自由度操纵模型的基础上，建立了包括侧倾的三自由两自由度操纵模型的基础上，建立了包括侧倾的三自由度操纵动力学方程度操纵动力学方程3.3.扩展了对操纵动力学的分析，包括稳定性和转向响应特性扩展了对操纵动力学的分析，包括稳定性和转向响应特性分析分析4.4.开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测第一章第一章 概述概述1.21.2汽车系统动力学的研究内容汽车系统动力学的研究内容 1.定义：汽车系统动力学就是把汽车看作是一个动态系统，定义：汽车系统动力学就是把汽车看作是一个动态系统，对其行为进行研究，讨论其数学模型和响应。对其行为进行研究，讨论其数学模型和响应。2.目的：是研究汽车受的力及其与汽车运动之间的相互关目的：是研究汽车受的力及其与汽车运动之间的相互关系，找出汽车主要性能的内在规律和联系，提出汽车设系，找出汽车主要性能的内在规律和联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据计参数选取的原则和依据 3.重要性：重要性：阐述汽车运动规律的理论基础阐述汽车运动规律的理论基础 汽车动态设计的必要手段汽车动态设计的必要手段 当今汽车技术发展的四大主题都与汽车动当今汽车技术发展的四大主题都与汽车动 力学密切相关力学密切相关o 安全、节能、降低污染、舒适安全、节能、降低污染、舒适4.内容：内容：研究内容范围很广，包括车辆纵向运动及其子系统的动研究内容范围很广，包括车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有车辆垂向和横向动力学内容。及行驶动力学响应，还有车辆垂向和横向动力学内容。及行驶动力学和操纵动力学。行驶动力学研究路面不平激励，悬力学和操纵动力学。行驶动力学研究路面不平激励，悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰运动；操纵动力架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰运动；操纵动力学研究车辆的操纵稳定性，主要是轮胎侧向力有关，引学研究车辆的操纵稳定性，主要是轮胎侧向力有关，引起的车辆侧滑、横摆、和侧倾运动。起的车辆侧滑、横摆、和侧倾运动。纵向动力学纵向动力学 驱动力，行驶阻力，制动力，驱动力，行驶阻力，制动力，ABS,CTSABS,CTS行驶动力学行驶动力学 汽车舒适性内容，汽车舒适性内容，1/41/4车，整车建模分析车，整车建模分析操纵动力学操纵动力学车辆转向特性，稳定裕度：车辆转向特性，稳定裕度：bKr-aKfbKr-aKf50年代，随着科技的发展，控制论，系统论理论体系的建立，年代，随着科技的发展，控制论，系统论理论体系的建立，人们的思想有了质的飞跃，系统的观点引入汽车产生了汽人们的思想有了质的飞跃，系统的观点引入汽车产生了汽车系统动力学。此时把汽车看作为系统，系统中，汽车对车系统动力学。此时把汽车看作为系统，系统中，汽车对人产生影响，人对汽车产生作用。人人产生影响，人对汽车产生作用。人-车车-路作为一个系统路作为一个系统看待，汽车系统动力学产生分支，可分为：汽车地面力学、看待，汽车系统动力学产生分支，可分为：汽车地面力学、汽车轮胎力学、汽车空气动力学、汽车操纵动力学、人机汽车轮胎力学、汽车空气动力学、汽车操纵动力学、人机工程学。工程学。80年代国际上成立了车辆系统动力学学会（年代国际上成立了车辆系统动力学学会（Vehicle System Dynamics，简称，简称VSD），），总部设在荷兰，定期出总部设在荷兰，定期出版刊物版刊物Vehicle System Dynamics并举行学术年会，发并举行学术年会，发表了大量的最新研究成果，使汽车动力学的研究发展到一表了大量的最新研究成果，使汽车动力学的研究发展到一个崭新的阶段。个崭新的阶段。Vehicle System Dynamics5.发展趋势发展趋势：车辆动力学研究由被动元件设计转变为采用主动控制车辆动力学研究由被动元件设计转变为采用主动控制来改变车辆动态性能。随着多体动力学的发展及计算机技来改变车辆动态性能。随着多体动力学的发展及计算机技术的发展，使汽车系统动力学成为汽车术的发展，使汽车系统动力学成为汽车CAECAE技术的重要组技术的重要组成部分，并逐渐朝着与电子和液压控制、有限元分析技术成部分，并逐渐朝着与电子和液压控制、有限元分析技术集成的方向发展。集成的方向发展。一、车辆主动控制一、车辆主动控制 车辆控制系统的构成都将包括三大组成部分，即控制车辆控制系统的构成都将包括三大组成部分，即控制算法、传感器技术和执行机构的开发。而控制系统的关键，算法、传感器技术和执行机构的开发。而控制系统的关键，控制律则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合。控制律则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合。二、多体系统动力学二、多体系统动力学 MX=F MX=F 动力学分析软件动力学分析软件三、三、“人人车车路路”闭环系统和主观与客观的评价闭环系统和主观与客观的评价 对操纵动力学进行璧还控制研究，研究驾驶员模型对操纵动力学进行璧还控制研究，研究驾驶员模型1.3 1.3 汽车系统动力学的研究方法和理论基础汽车系统动力学的研究方法和理论基础1.研究方法研究方法把实际问题抽象并转化为简化的模型，即建模。把实际问题抽象并转化为简化的模型，即建模。物理模型：物理本质相同，形状尺寸有别物理模型：物理本质相同，形状尺寸有别模型的分类：模型的分类：力学模型：经过简化后的物体实际受力模型力学模型：经过简化后的物体实际受力模型 数学等效模型：动态行为的数学形式是相同数学等效模型：动态行为的数学形式是相同的，可用等效的常系数微分方程来描述的，可用等效的常系数微分方程来描述 数学模型有理论建模和试验建模两类：数学模型有理论建模和试验建模两类：a.a.理论建模是指从机械结构的设计图样出发，作出必要的理论建模是指从机械结构的设计图样出发，作出必要的假定和简化，根据力学原理建模。假定和简化，根据力学原理建模。系统分析法系统分析法 理论方法：理论方法：状态空间法状态空间法 健合图法健合图法 b.b.试验建模包括系统识别和参数识别。试验建模包括系统识别和参数识别。模态分析法模态分析法 参数识别法参数识别法 c.c.计算机方法：计算机方法：有限元法；多体动力学法有限元法；多体动力学法2.理论基础理论基础 力学体系：牛顿定律，达朗贝尔原理，动量定理，动量矩力学体系：牛顿定律，达朗贝尔原理，动量定理，动量矩定理，拉格朗日方程，虚功原理定理，拉格朗日方程，虚功原理 线性系统理论和现代控制系统理论线性系统理论和现代控制系统理论实验方法实验方法实验方法实验方法:汽车动力学参考书目汽车动力学参考书目o苏 E.A.曲达可夫，汽车理论龙门联合书局，1954 o德 M.米奇克，汽车动力学，人民交通出版社，1992o中 余志生，汽车理论，机械工业出版社，1982 o中 郭孔辉，汽车操纵动力学，吉林科学技术出版社，1991 o加 黄祖录，地面车辆原理，机械工业出版社，1985 o日 小林明，汽车力学，机械工业出版社，1982o美 Thomas D.Gillespie.，Fundamentals of vehicle dynamics，SAE，1992o德 H-P威鲁麦特著，车辆动力学模拟及其方法，北京理工 大学出版社，1998年o中 喻凡、车辆动力学及其控制，人民交通出版社，2004年 o中 雷雨成，车辆系统动力学及仿真 同济大学出版社，2001 第二章第二章 建模方法及汽车模型建模方法及汽车模型 当汽车作为一个自然界的实体来观察时，它是一个连当汽车作为一个自然界的实体来观察时，它是一个连续性的振动系统。这个系统有许多在三维空间无数自由度续性的振动系统。这个系统有许多在三维空间无数自由度的单个部件组成。所以在进行汽车动力学时，通常先将实的单个部件组成。所以在进行汽车动力学时，通常先将实体模型简化成不可变形、有一定质量和惯性矩的刚体，其体模型简化成不可变形、有一定质量和惯性矩的刚体，其间连着弹簧和减震器。通过转化使汽车实际系统被由多个间连着弹簧和减震器。通过转化使汽车实际系统被由多个质量块、弹性体和阻尼组成的理想系统所代替，而保留了质量块、弹性体和阻尼组成的理想系统所代替，而保留了系统的基本特征。这样就能够计算很复杂的系统。根据上系统的基本特征。这样就能够计算很复杂的系统。根据上述的简化处理和分析作出研究系统相应的力学模型，由相述的简化处理和分析作出研究系统相应的力学模型，由相应的力学理论基础建立研究系统的数学模型。根据系统的应的力学理论基础建立研究系统的数学模型。根据系统的数学模型，在获知系统参数的情况下对系统进行仿真、数学模型，在获知系统参数的情况下对系统进行仿真、模拟计算分析。计算和研究的目的是研究系统的固有动态特模拟计算分析。计算和研究的目的是研究系统的固有动态特性（自由振动）和受迫振动特性（频率响应特性）。性（自由振动）和受迫振动特性（频率响应特性）。模拟计算分析包括两个方面：模拟计算分析包括两个方面：解析分析：利用工程数学方法并辅以相应的程序计算解析分析：利用工程数学方法并辅以相应的程序计算 仿真分析：利用仿真分析：利用CADCAD实体模型用动态仿真软件实体模型用动态仿真软件虚拟仿虚拟仿真技术真技术 通常在计算分析中系统参数数据的获取方法：通常在计算分析中系统参数数据的获取方法：o实测法：利用相关仪器测量参数实测法：利用相关仪器测量参数o传统计算法：根据几何尺寸确定参数（如质量、惯性矩、传统计算法：根据几何尺寸确定参数（如质量、惯性矩、弹性系数减振系数）弹性系数减振系数）2.1 2.1 汽车常用简化模型分析汽车常用简化模型分析 通常在进行汽车建模分析时，把汽车分成三个部分考虑：通常在进行汽车建模分析时，把汽车分成三个部分考虑：车身、车架、车桥。汽车的部件看成刚体，且质量集中于质车身、车架、车桥。汽车的部件看成刚体，且质量集中于质心位置。由于汽车沿纵向平面看横向布置几乎是对称的，因心位置。由于汽车沿纵向平面看横向布置几乎是对称的，因此可以把汽车沿纵向平面分开成为此可以把汽车沿纵向平面分开成为1/21/2汽车模型。对车身质汽车模型。对车身质量由悬挂质量分配系数量由悬挂质量分配系数进行分配，当进行分配，当接近于接近于1 1时，汽车时，汽车前、后轴上方车身部分的集中质量的垂向运动是相互独立的，前、后轴上方车身部分的集中质量的垂向运动是相互独立的，这样汽车的这样汽车的1 1/2/2模型就可以分解成汽车的模型就可以分解成汽车的1/41/4模型。模型。1.1.单自由度系统单自由度系统 假设汽车等速直线行驶，假设汽车等速直线行驶，只考虑车身垂直方向一个自由度只考虑车身垂直方向一个自由度Z Z 悬架可简化成图悬架可简化成图2-12-1模型模型 方程：方程：2.2.两自由度系统模型两自由度系统模型a a、考虑、考虑Z Z方向上的振动及绕方向上的振动及绕Y Y轴的轴的俯俯仰运动仰运动，此为研究汽车点头时模型。，此为研究汽车点头时模型。例如图例如图,若车身质量若车身质量M=1500kg,回转半径回转半径 =1.1m，L1=1.5m，L2=1.6m，Ks1=36kN/m，Ks2=39kN/m，试确定车辆质心的铅试确定车辆质心的铅垂运动及绕质心的俯仰运动的主频率和主振型。垂运动及绕质心的俯仰运动的主频率和主振型。解：取质心相对于静平衡位置的坐标解：取质心相对于静平衡位置的坐标x及车体绕质心的转角及车体绕质心的转角坐标系为两个广义坐标。由达朗伯原理建立如下方程：坐标系为两个广义坐标。由达朗伯原理建立如下方程：2a2a或写为或写为 （1）设：设：代入方程（代入方程（1）得）得 （2）带入数据得：（带入数据得：（IC=M ）频率方程为：频率方程为：=0即：即：则求得固有频率为：则求得固有频率为：由方程（由方程（2）得：）得：则第一阶固有振型则第一阶固有振型 第二阶固有振型第二阶固有振型b、考虑轮胎非簧载质量对汽车的、考虑轮胎非簧载质量对汽车的 影响时，可简化成模型影响时，可简化成模型2b，对，对 车车 轮橡胶结构阻尼迟滞用，轮橡胶结构阻尼迟滞用，所以只考虑轮胎刚度，忽略阻所以只考虑轮胎刚度，忽略阻 尼。尼。此模型为车此模型为车1/4模型模型2b2bo3.四自由度系统四自由度系统 如果考虑车桥对车身的影响，此如果考虑车桥对车身的影响，此 时将以上两个两自由度系统结合便成时将以上两个两自由度系统结合便成 为四自由度系统模型。为四自由度系统模型。此模型为此模型为62年吉林工业大学建年吉林工业大学建立的力学模型，该模型考虑了汽车前立的力学模型，该模型考虑了汽车前后轮对车身振动的影响，描述系统运后轮对车身振动的影响，描述系统运动的最少独立坐标个数为动的最少独立坐标个数为4。4.五自由度模型五自由度模型 70年代提出此模型，加了人椅系年代提出此模型，加了人椅系统形成了统形成了5自由度模型，其中减振环自由度模型，其中减振环节有轮胎、悬架、座椅等部件。节有轮胎、悬架、座椅等部件。对于人体模型，我们一般看成为对于人体模型，我们一般看成为一质量块，但在人体模型的研究中，一质量块，但在人体模型的研究中，可把人头、胸腔、腿部等看成质量块可把人头、胸腔、腿部等看成质量块，而把脖颈、腹部等看成弹性，使人，而把脖颈、腹部等看成弹性，使人体模型变成体模型变成E型模型。如考虑多自由型模型。如考虑多自由度的人体模型，度的人体模型，5自由度模型又可变自由度模型又可变为为7自由度模型。自由度模型。o5.5.六自由度模型六自由度模型 通常在考虑发动机振动对整车的振动影响时，用此模通常在考虑发动机振动对整车的振动影响时，用此模型。型。此时，假设车架为刚体，发动机悬置于车架上，发动此时，假设车架为刚体，发动机悬置于车架上，发动机作为空间缸体，存在着机作为空间缸体，存在着X X、Y Y、Z Z三个方向的平动和绕三三个方向的平动和绕三个坐标轴的转动，共计为六个自由度。个坐标轴的转动，共计为六个自由度。发动机的橡胶垫，被发动机的橡胶垫，被看作为具有阻尼和刚度的结看作为具有阻尼和刚度的结合体。发动机整个刚体的固合体。发动机整个刚体的固有频率应避开发动机的怠速有频率应避开发动机的怠速激励频率，并与车架的固有激励频率，并与车架的固有频率尽量不要重合。频率尽量不要重合。o6.非独立悬挂整车七自由度模型非独立悬挂整车七自由度模型 此模型由吉林工业大学宋传学老师建立，七个自由度分此模型由吉林工业大学宋传学老师建立，七个自由度分别为：车身的垂直运动别为：车身的垂直运动Z3，车身的侧倾运动，车身的侧倾运动 ，车身的，车身的俯仰运动俯仰运动 ，前、后轮的侧倾运动，前、后轮的侧倾运动 、，前、后，前、后轮的垂直运动轮的垂直运动Z1、Z2，7.整车十自由度模型整车十自由度模型 如果以上七自由度模型如果以上七自由度模型考虑座椅及人体模型，将会考虑座椅及人体模型，将会变成变成10自由度模型。自由度模型。o8.十三自由度模型十三自由度模型 对一个非独立悬架的车辆，如果我们考虑发动机三个自对一个非独立悬架的车辆，如果我们考虑发动机三个自由度，车身三个自由度，座椅三个自由度，非簧载质量由度，车身三个自由度，座椅三个自由度，非簧载质量4个自由度，此时可得到个自由度，此时可得到13个自由度模型。个自由度模型。2.2 汽车系统建模应用实例汽车系统建模应用实例 我们以考虑座椅垂直振动的我们以考虑座椅垂直振动的5 5自由度模型为例，自由度模型为例，一：力学模型如图一：力学模型如图 二：数学模型二：数学模型 按照各部件的受力状况，按照各部件的受力状况，建立方程如下：建立方程如下：1如上图，列方程：第三章第三章 汽车空气动力学汽车空气动力学3.1 3.1 概述概述 汽车空气动力学：汽车在路面上行驶时，除受路面作用力汽车空气动力学：汽车在路面上行驶时，除受路面作用力外，还受周围气流对它作用的各种力和力矩，研究这些力的外，还受周围气流对它作用的各种力和力矩，研究这些力的特性及对汽车所产生的影响的学科称汽车空气动力学。特性及对汽车所产生的影响的学科称汽车空气动力学。o1.1.气动力主要包括：迎面阻力、升力、侧向力，及这些力气动力主要包括：迎面阻力、升力、侧向力，及这些力形成的俯仰力矩，侧倾力矩和横摆力矩。大小与车速的平方形成的俯仰力矩，侧倾力矩和横摆力矩。大小与车速的平方成正比成正比。o2.2.气动阻力主要包括：形状阻力、诱导阻力、摩擦阻力、气动阻力主要包括：形状阻力、诱导阻力、摩擦阻力、干扰阻力、内循环阻力。这些阻力在气动阻力中作战的比例干扰阻力、内循环阻力。这些阻力在气动阻力中作战的比例如下：形状阻力占如下：形状阻力占55%55%，诱导阻力占，诱导阻力占8 8，摩擦阻力占，摩擦阻力占10%10%，干，干扰阻力占扰阻力占18%18%，内循环阻力占，内循环阻力占14%14%。o3.风压中心风压中心CP（Center of air Pressure）：这）：这种阻力形成的合力作用点在汽车对称面内，但不一定与种阻力形成的合力作用点在汽车对称面内，但不一定与重心重合，此合力点称风压中心。重心重合，此合力点称风压中心。o4.空气阻力空气阻力 CD：空气阻力系数，：空气阻力系数，u：车速，：车速，A：迎风面积，迎风面积，：空气密度空气密度 不同车型的空气阻力系数不同车型的空气阻力系数CD的范围的范围 小型运动车小型运动车 CD=0.230.45 小轿车小轿车 CD=0.350.55 载货汽车载货汽车 CD=0.400.60 公共汽车公共汽车 CD=0.500.80 二轮车二轮车 CD=0.600.90o5.5.车身外形与车身外形与C CD D 的关系的关系 流线型转换成实车流线型转换成实车 后扰流器的高度对后扰流器的高度对C CD D 的影响的影响o6.6.离地间隙离地间隙e e与与C CD D 的关系的关系 离地间隙适中，底平面光滑。离地间隙适中，底平面光滑。对于轿车，一般对于轿车，一般e e取取150150250mm250mmo7.7.车身其它因素车身其它因素 车身前倾车身前倾 中间宽、腰鼓形状中间宽、腰鼓形状 加扰流器、加扰流器、鸭尾式结构鸭尾式结构o8.8.升力和俯仰力矩升力和俯仰力矩 升力是由于汽车行驶中车身上部和车身底部空气流速升力是由于汽车行驶中车身上部和车身底部空气流速不等形成压力差而造成的。升力不通过重心时，产生俯仰不等形成压力差而造成的。升力不通过重心时，产生俯仰力矩。汽车的各个横断面形心的连线称中线，简化为前后力矩。汽车的各个横断面形心的连线称中线，简化为前后端形心，用直线连接称中线，中线与水平面的夹角称为迎端形心，用直线连接称中线，中线与水平面的夹角称为迎角。中线前高后低，迎角为正，反之为负。角。中线前高后低，迎角为正，反之为负。一般车应为负迎角。风压中心位于重心后好。一般车应为负迎角。风压中心位于重心后好。o9.9.侧向力和横摆力矩侧向力和横摆力矩 侧风作用在汽车上产生侧向力，风力与纵轴称侧风作用在汽车上产生侧向力，风力与纵轴称 角，如风压中心在重心之前，汽车顺风偏转，角，如风压中心在重心之前，汽车顺风偏转，增大，增大，稳定性更坏；在后逆风稳定性好，重合则侧向移动。稳定性更坏；在后逆风稳定性好，重合则侧向移动。第四章第四章 汽车悬架系统动力学汽车悬架系统动力学4.1 概述概述 悬架系统是指车身与车轴之间连接的所有组合体悬架系统是指车身与车轴之间连接的所有组合体零件的总称。一般由弹性元件、减振器和导向机构组成，零件的总称。一般由弹性元件、减振器和导向机构组成，有些还有横行稳定杆缓冲块等。有些还有横行稳定杆缓冲块等。悬架系统的基本功能：悬架系统的基本功能：o1.缓和路面不平的冲击，使汽车平顺、乘坐舒适。缓和路面不平的冲击，使汽车平顺、乘坐舒适。o2.车轮跳动时使车轮定位参数变化小，保证良好的操纵车轮跳动时使车轮定位参数变化小，保证良好的操纵稳定性。稳定性。o3.使车轮与地面有良好的附着性，较小的车轮动载变化，使车轮与地面有良好的附着性，较小的车轮动载变化，以保证良好的安全性。以保证良好的安全性。悬架分类：被动悬架悬架分类：被动悬架 主动悬架主动悬架 悬架系统的评价参数悬架系统的评价参数 车身垂直加速度（舒适性）车身垂直加速度（舒适性）车轮相对动载（安全性）车轮相对动载（安全性）弹簧行程（弹簧寿命）弹簧行程（弹簧寿命）在设计时，这三个量要尽可能小。三者于阻尼比之间的在设计时，这三个量要尽可能小。三者于阻尼比之间的关系如下图关系如下图 4.2 线性控制系统理论线性控制系统理论 1.定义：对能量、物质量或其它介质等流量进行调解的装定义：对能量、物质量或其它介质等流量进行调解的装置成为控制置成为控制 系统系统 2.分类：分类：开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统 开环控制系统：若系统的输出量对系统的控制作开环控制系统：若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称开环控制系统。用没有影响，则称开环控制系统。闭环闭环控制系统：控制系统：又称反馈系统，在此系统中，动又称反馈系统，在此系统中，动作偏差信号是作偏差信号是 输入信号与反馈信号（它可以是输出信号输入信号与反馈信号（它可以是输出信号本身或是输出信号及它的导数的函数）之间的差，它送入本身或是输出信号及它的导数的函数）之间的差，它送入控制器中使其误差减少，并使系统的输出达到希望的值。控制器中使其误差减少，并使系统的输出达到希望的值。3.传递函数传递函数 系统的输出拉氏变换与输入的拉氏变换之比。它是系统系统的输出拉氏变换与输入的拉氏变换之比。它是系统本身的性质，与输入量的大小、性质无关。本身的性质，与输入量的大小、性质无关。传递函数法要求初始条件必须为零，并只能适用于单输入、传递函数法要求初始条件必须为零，并只能适用于单输入、单输出的线性定常系统。单输出的线性定常系统。4.3 悬架系统控制分析悬架系统控制分析 首先对悬架系统作如下假设首先对悬架系统作如下假设：o1.取取1/41/4汽车为分析模型汽车为分析模型o2.只考虑垂直方向振动只考虑垂直方向振动o3.不考虑非线性因素不考虑非线性因素o4.认为轮胎不离开路面认为轮胎不离开路面 对模型有如下方程：对模型有如下方程：对方程进行拉氏变换得：对方程进行拉氏变换得：首先求首先求G20（s）=Z2（s）/Z0（s）由以上方程可求得：由以上方程可求得：最终求得：最终求得：因此，根据路面谱及悬架传递函数便可求出车身振动加速度值因此，根据路面谱及悬架传递函数便可求出车身振动加速度值第五章第五章 汽车前轴和转向轮系的振动汽车前轴和转向轮系的振动5.1 前轴和转向轮组成的振动系统前轴和转向轮组成的振动系统 1.概述概述 前轴和转向轮组成的振动系统包括：与前轮相连的前轴和转向轮组成的振动系统包括：与前轮相连的转向杆系和转向器，以及由前轴支撑的弹簧和簧载质量。转向杆系和转向器，以及由前轴支撑的弹簧和簧载质量。分析时做如下假设：分析时做如下假设：（1）由于转向器在系统中刚度最小，因此把转向纵拉杆到）由于转向器在系统中刚度最小，因此把转向纵拉杆到方向盘简成一个自由度系统，系统质量集中于转向盘，方方向盘简成一个自由度系统，系统质量集中于转向盘，方向盘可看成固定不动。向盘可看成固定不动。（2）认为悬架以上质量振动可忽略不计，即认为也是固定）认为悬架以上质量振动可忽略不计，即认为也是固定不动。不动。（3 3）轮胎特征仅考虑侧向刚度）轮胎特征仅考虑侧向刚度 以及侧偏刚度以及侧偏刚度 而车轮定而车轮定位参数只考虑轮胎拖距位参数只考虑轮胎拖距 ，不考虑外倾角和主销内倾角。，不考虑外倾角和主销内倾角。经简化后系统存在如下振动及固有特征：经简化后系统存在如下振动及固有特征：a.a.前轴绕汽车纵轴振动。前轴绕汽车纵轴振动。b.b.转向轮与转向机构及拉杆组成了一个绕主轴销摆动的转向轮与转向机构及拉杆组成了一个绕主轴销摆动的振动系统。振动系统。2.前轴绕汽车纵轴振动前轴绕汽车纵轴振动 由振动模型及转动惯量由振动模型及转动惯量 ，可得前轴自由振动方程，可得前轴自由振动方程求得：前轴角振动的固有频率求得：前轴角振动的固有频率 由此知：惯量增加，刚度降低，转由此知：惯量增加，刚度降低，转 动频率降低动频率降低 3.转转向向轮轮与与转转向向机机构构及及拉拉杆杆组组成成一一个个绕绕主主销销摆摆动动的的振振动动系系统统转向轮绕主销的自由振动微分方程为：转向轮绕主销的自由振动微分方程为：转向轮绕主销的转动惯量；转向轮绕主销的转动惯量；转向轮绕主销的刚度。转向轮绕主销的刚度。若计转向机构及拉杆的弹性，则应若计转向机构及拉杆的弹性，则应 代替代替式中：式中：i i转向系传动比；转向系传动比；1 1转向轴刚度；转向轴刚度；Nm/rad 2 2转向机构与转向轮之间连接杆刚度转向机构与转向轮之间连接杆刚度 ；Nm/rad 转向机壳体与车身的固紧刚度转向机壳体与车身的固紧刚度如如，和减小，则固有频率降低，现代汽车主销振动和减小，则固有频率降低，现代汽车主销振动的固有频率下降。的固有频率下降。上述两种振动系统中，在外界的干扰下，可激发起由上述两种振动系统中，在外界的干扰下，可激发起由阻尼的自由振动、强迫振动和自激振动。阻尼的自由振动、强迫振动和自激振动。5.外界激励力外界激励力一、周期变化的激振力一、周期变化的激振力1.车车轮不平衡质量产生的离心惯性力轮不平衡质量产生的离心惯性力不平衡时：不平衡时：水平分力对主销中心的力矩为：水平分力对主销中心的力矩为：此力矩使车轮摆振，当与固有频率相近时，发生共振振跳。此力矩使车轮摆振，当与固有频率相近时，发生共振振跳。2.车轮的陀螺力矩车轮的陀螺力矩 当汽车行驶时，可把高速转动的车轮看成一个转子，当汽车行驶时，可把高速转动的车轮看成一个转子，而绕主销转动而绕主销转动的的转转向向节节视视为为该该转转子子的的框框架架，构构成成一一个个二二自自由由度度的的陀陀螺螺。当当车车轮轮以以 旋旋转转时时，框框架架以以 转转动动，则则框框架架受受到到陀陀螺力矩螺力矩 当车轮迂到凸起时，上式中当车轮迂到凸起时，上式中 用用 代替设不平路面波长为代替设不平路面波长为 ，则激励频率，则激励频率，当当与固有频率接近时，摆振加剧，形成共振。与固有频率接近时，摆振加剧，形成共振。采采用用等等长长臂臂的的独独立立悬悬架架，现现设设计计上上臂臂长长度度（0.60.7）下臂长度下臂长度3、悬架与转向杆系运动不协调的激励、悬架与转向杆系运动不协调的激励悬架与转向杆系统运动关系不协调也可悬架与转向杆系统运动关系不协调也可引起车轮绕主销摆振，如图：转向节球引起车轮绕主销摆振，如图：转向节球头销的头销的D点与主销点与主销C点，跳动时一面上移、点，跳动时一面上移、前移，前移，D后移使前轮摆动。解决办法后移使前轮摆动。解决办法取决于横拉杆断开点的选取。取决于横拉杆断开点的选取。二、偶然的和单次性激励二、偶然的和单次性激励 当汽车受到偶然的侧向风或汽车受路降作用时，车轮当汽车受到偶然的侧向风或汽车受路降作用时，车轮发生偏转，当外激力消除后仍振动，称自激振动。发生偏转，当外激力消除后仍振动，称自激振动。受迫振动受迫振动 自激振动自激振动 1.周期变化的外界激励作用周期变化的外界激励作用 引起引起 a.车轮不平衡车轮不平衡 b.产生的陀螺力矩产生的陀螺力矩 c.悬架于转向系运动不协调悬架于转向系运动不协调无无需需有有持持续续周周期期作作用用的的激激励励，只只要要有偶然的单次性激励有偶然的单次性激励 2.系系统统振振动动频频率率与与激激振振频频率率一一致，摆振明显发生于共振区致，摆振明显发生于共振区无需有持续周期作用的激励，只要无需有持续周期作用的激励，只要有偶然的单次性激励有偶然的单次性激励 3.激激振振力力的的存存在在与与振振动动体体运运动动无关无关其其激激振振力力是是伴伴随随振振动动体体的的运运动动而而产产生，振动体停止，激振力消失生，振动体停止，激振力消失 55 3 3 前轴与车轮振动的耦合前轴与车轮振动的耦合 汽汽车车行行驶驶中中，前前轴轴绕绕纵纵轴轴的的振振动动和和前前轮轮绕绕主主销销的的振振动动可可能能同同时时发发生生，相相互互耦耦合合，这这种种振振动动对对行行驶驶稳稳定定性性和和操操纵纵性的危害更为严重。性的危害更为严重。1.建立数学模型建立数学模型 通过简化，前轮绕主销摆振的振动系统如图通过简化，前轮绕主销摆振的振动系统如图1所示，前所示，前轴绕纵轴振动系统如不下图所示。前轴和前轮耦合振动轴绕纵轴振动系统如不下图所示。前轴和前轮耦合振动系统的运动微分方程如下列系统的运动微分方程如下列4项：项：1）左前轮绕主销摆振方程）左前轮绕主销摆振方程 2）右前轮绕主销摆振方程（没有纵拉杆影响）右前轮绕主销摆振方程（没有纵拉杆影响）3）前轴绕纵轴振动微分方程）前轴绕纵轴振动微分方程4）左、右车轮运动方程）左、右车轮运动方程2.数学模型的求解数学模型的求解用计算机求解后，找出结构参数对摆振的影响。用计算机求解后，找出结构参数对摆振的影响。前轮摆振的幅值将随横拉杆的刚度和转向机刚度的增大而减小。前轮摆振的幅值将随横拉杆的刚度和转向机刚度的增大而减小。系统的谐振频率和相对阻尼系数将随转向机构刚度的增加而提示。如系统的谐振频率和相对阻尼系数将随转向机构刚度的增加而提示。如图，当图，当 时，前轮摆振系统进入不稳定区，车速在时，前轮摆振系统进入不稳定区，车速在32km/h69km/h，为负阻尼，发生自激振动。为负阻尼，发生自激振动。第六章汽车转向系统动力学第六章汽车转向系统动力学 汽车转向系统动力学是研究驾驶员给系统以转向指令汽车转向系统动力学是研究驾驶员给系统以转向指令后，汽车在曲线行驶中的运动学和动力学特性。其特性影后，汽车在曲线行驶中的运动学和动力学特性。其特性影响到汽车操纵的方便性和稳定性并决定着汽车安全性，因响到汽车操纵的方便性和稳定性并决定着汽车安全性，因此它是汽车系统动力学中的重要研究内容之一。此它是汽车系统动力学中的重要研究内容之一。6.1汽车转向系统数学模型汽车转向系统数学模型 首先假设：首先假设：1.汽车作等速运动；汽车作等速运动；2.忽略转向系统影响，忽略转向系统影响，前轮转角作为输入；前轮转角作为输入；3.只考虑汽车的横摆和侧向运动。只考虑汽车的横摆和侧向运动。汽车转化成一个只有横摆和侧向运动的两自由度系统。汽车转化成一个只有横摆和侧向运动的两自由度系统。Y向力平衡对质心取矩6.2前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应等速圆周运动前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应等速圆周运动此时有：此时有：其中：L1k1-L2k2为稳定裕度，表征车辆操纵稳定性的稳定裕度是一个非常关键的设计参数，它对控制车辆不足转向或过多转向特性具有重要的意义。因此，稳定裕度的影响因素：车辆中心位置轮胎侧偏刚度轴荷的轴向转移车轮外倾角的影响变形转向的影响6.2.1 稳态响应的三种类型过度转向K0中性转向K=0第七章汽车专题分析第七章汽车专题分析7.1 7.1 发动机悬置系统结构设计发动机悬置系统结构设计 现代汽车的发动机及其动力总成是通过悬置安装在汽现代汽车的发动机及其动力总成是通过悬置安装在汽车底盘上的，它具有：支承、限位、隔振三大功能。在汽车底盘上的，它具有：支承、限位、隔振三大功能。在汽车设计中，合理地选择发动机的悬置，可以降低发动机振车设计中，合理地选择发动机的悬置，可以降低发动机振动的波及程度，提高汽车的乘坐舒适性。动的波及程度，提高汽车的乘坐舒适性。7.1.17.1.1发动机悬置系统模型的建立发动机悬置系统模型的建立 力学模型力学模型 发动机悬置系统的固有频率发动机悬置系统的固有频率 通常在通常在30HZ以下，因此在以下，因此在 研究发动机的低频振动特性研究发动机的低频振动特性 时，常假设发动机总成和车时，常假设发动机总成和车 架为刚体。架为刚体。对于采用四点支承的如上图所示的力学模型。定坐标对于采用四点支承的如上图所示的力学模型。定坐标系为系为G ，原点，原点G取在发动机质心处，轴平行于曲取在发动机质心处，轴平行于曲轴轴线，指向发动机前方；轴轴线，指向发动机前方；轴垂直于曲轴向上；轴按轴垂直于曲轴向上；轴按右手定则确定。平动坐标系为右手定则确定。平动坐标系为Goxyz，原点，原点Go固结固结在发动机质心处，静平衡时，动定坐标系重合，刚体的在发动机质心处，静平衡时，动定坐标系重合，刚体的广义坐标为发动机质心沿，三轴向的平移广义坐标为发动机质心沿，三轴向的平移x，y，z及及绕绕x，y，z轴的转角轴的转角 。其广义坐标矢量记为。其广义坐标矢量记为Q。即。即 数学模型数学模型 对上述发动机悬置系统力学模型可建立六自由度无对上述发动机悬置系统力学模型可建立六自由度无阻尼自由振动方程。阻尼自由振动方程。其中：其中：7.1.2 7.1.2 发动机悬置系统设计原则发动机悬置系统设计原则 当前在汽车的总布置设计中，发动机可通过三点、当前在汽车的总布置设计中，发动机可通过三点、四点支承形式布置在车架上，悬置系统的结构设计通常四点支承形式布置在车架上，悬置系统的结构设计通常可依据如下几种原则设计：可依据如下几种原则设计：系统六自由度解耦或部分解耦系统六自由度解耦或部分解耦 通常，发动机悬置系统的六个自由度的振动是耦合的，通常，发动机悬置系统的六个自由度的振动是耦合的，这样导致发动机的振幅加大，振动频带过宽，因此在设这样导致发动机的振幅加大，振动频带过宽，因此在设计时悬置应尽量采用解耦形