汽车系统动力学.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流汽车系统动力学.精品文档.汽车系统动力学武一民河北工业大学机械学院车辆工程系第一章 概 述1.1 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100多年的历史。汽车动力学最早是研究车辆行驶的振动分析，20世纪30年代，英国的Lanchester、美国的Olley、法国的Broulhiet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Olley，1932年，他建立了“K2”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。 在50年代，人们建立了较为完整的

2、汽车操纵和转向动力学的基础理论体系，其中德国的Milliken出版汽车动力学标志着汽车动力学的成熟。动力学的发展过程分为三个阶段：阶段一（20世纪30年代）对车辆动态性能的经验性的观察开始注意到车轮摆振的问题认识到车辆舒适性是车辆性能的一个重要方面阶段二（30年代50年代）了解了简单的轮胎力学，给出了轮胎侧偏角的定义定义不足转向和过度转向建立了简单的两自由度操纵动力学方程开展了行驶平顺性研究，建立了K2实验台，引入前独立悬架阶段三（1952年以后）通过试验结果和建模，加深了对轮胎特性的了解在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扩展了对操纵动力学的分析，包括稳定性和转

3、向响应特性分析开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测随后几十年，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ADMAS,ABS, TCS(驱动力控制),ASR,VDC(动力学控制),4WS,PPS(液压助力),1.2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，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3.重要性：阐述汽车运动规律的理论基础 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

4、力学密切相关o 安全、节能、降低污染、舒适4.研究内容： 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，引起的车辆侧滑、横摆、和侧倾运动。纵向动力学 驱动力，行驶阻力，制动力等，包含：ABS（防抱死制动系统），CTS(驱动力控制系统), ASR（驱动防滑控制系统）,VDC(动力学控制),4WS（四轮转向系统）,PPS(液压助力),行驶动力学 汽车舒适性内容，1/4车，整车建模分析操纵动力学车辆转向特性，稳

5、定裕度：bKr-aKf，50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-车-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、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。 80年代国际上成立了车辆系统动力学学会（ Vehicle System Dynamics，简称VSD），总部设在荷兰，定期出版刊物Vehicle System Dynamics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个崭新的阶段

6、。5.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CAE技术的重要组成部分，并逐渐朝着与电子和液压控制、有限元分析技术集成的方向发展。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。多体系统动力学动力学分析软件ADMAS，混合刚柔多体动力学分析软件RecuDyn，用于汽车碰撞安全仿真的显式动力学分析软件LS-DYNA，“人车路”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

7、驶员模型1.3 汽车系统动力学的研究方法和理论基础1.研究方法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，形状尺寸有别模型的分类： 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： a.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。系统分析法 理论方法： 状态空间法 健合图法 b.试验建模包括系统识别和参数识别。 模态分析法 参数识别法 c.计算机方法： 有限元法；多体动力学法2.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

8、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苏 E. A.曲达可夫，汽车理论龙门联合书局，1954 德 M.米奇克，汽车动力学，人民交通出版社，1992中 余志生，汽车理论，机械工业出版社，1982 中 郭孔辉，汽车操纵动力学，吉林科学技术出版社， 1991 加 黄祖录，地面车辆原理， 机械工业出版社， 1985 日 小林明，汽车力学，机械工业出版社， 1982美 Thomas D. Gillespie. ，Fundamentals of vehicle dynamics，SAE，1992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年中 喻凡、

9、 车辆动力学及其控制，人民交通出版社，2004年 第二章 建模方法及汽车模型当把汽车作为一个自然界的实体来观察时，汽车系统有许多在三维空间无数自由度的单个部件组成。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，而保留了系统的基本特征。此系统模型可看成由不可变形、有一定质量和惯性矩的刚体，其间连着弹簧和减震器组成的动态系统，及各部件保留有弹性功能的的弹性体组成的刚弹耦合系统。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、模拟计算分析。计算和研究的目的是研究系统的固

10、有动态特性（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： 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CAD实体模型用动态仿真软件虚拟仿真技术 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o 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） 2.1 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：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，因此可以把汽车沿纵向平面分开成为1/2汽车模型。对车身质量由悬挂质量分配系数进行分配

11、，当接近于1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，这样汽车的1/2模型就可以分解成汽车的1/4模型。1. 单自由度系统假设汽车等速直线行驶，只考虑车身垂直方向一个自由度Z，悬架可简化成图2-1模型方程： 若地面输入为零，则方程为：2. 两自由度系统模型a、考虑Z方向上的振动及绕Y轴的俯 仰运动，此为研究汽车点头时模型。例如图,若车身质量M=1500kg,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x及车体绕质心的转角坐标系为

12、两个广义坐标。由达朗伯原理建立如下方程：带入数据得：（IC=M ）频率方程为： =0由方程（2）得：则第一阶固有振型为：则第二阶固有振型为：第三章 汽车空气动力学3.1 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。1. 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。大小与车速的平方成正比。 2. 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如下：形状阻力占55%，诱导阻力占8，摩擦阻力占10

13、%，干扰阻力占18%，内循环阻力占14%。3. 风压中心CP（Center of air Pressure）：这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。4. 空气阻力 CD：空气阻力系数， u：车速， A： 迎风面积， ： 空气密度 不同车型的空气阻力系数CD的范围 小型运动车 CD =0.230.45 小轿车 CD =0.350.55 载货汽车 CD =0.400.60 公共汽车 CD =0.500.80 二轮车 CD =0.600.905. 车身外形与CD 的关系 流线型转换成实车后扰流器的高度对CD 的影响6. 离地间隙e与CD 的关系 离地间隙适中

14、，底平面光滑。对于轿车，一般e取150250mm7. 车身其它因素车身前倾 中间宽、腰鼓形状 加扰流器、鸭尾式结构8. 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。 一般车应为负迎角。风压中心位于重心后好。9. 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 角，如风压中心在重心之前，汽车顺风偏转， 增大，稳定性更坏；在后逆风稳定性好，重合则侧向移动。第四章 汽车悬架系统动力学4

15、.1 概述 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，有些还有横行稳定杆缓冲块等。 悬架系统的基本功能：1. 缓和路面不平的冲击，使汽车平顺、乘坐舒适。2. 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。3. 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。 悬架分类：被动悬架 主动悬架 悬架系统的评价参数 车身垂直加速度（舒适性） 车轮相对动载（安全性） 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关系如下图4.2 悬架系统控制分析首先对悬架系统作如下假设：1. 取1/4汽车为分析模型2. 只考虑垂直方向振动3. 不考虑非线性因素4. 认为轮胎不离开路面 对模型有如下方程： 对方程进行拉氏变换得：首先求G20（s）=Z2（s）/Z0（s） 由以上方程可求得： 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