汽车系统动力学-kejian34579.pptx
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、,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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、 )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
22、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、
23、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
24、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
25、,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
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