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车辆动力学基础 刘 祚 时 汽车何以能飞? 柯受良1997年6月1日驾车“飞越”跨度50米的黄河壶口瀑布，汽车 何以能“飞”？什么情况下可以腾空“飞越”？ 1、描述车辆的动力学性能。 为什么要研究车辆动力学？ 研究车辆动力学，为车辆设计、控制服务： 2、预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案。 3、解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。 研究内容与评价指标 1、纵向动力学 3、横向(操纵)动力学 2、垂向(行驶)动力学 研究内容与评价指标 动力性、 燃油经济性 安全性：制动、驱动、 操纵稳定性、被动安全性 舒适性： 平顺性、NVH 机动性： 通过能力 可靠性、耐久性 以多学科为基础 轮胎力学 空气动力学 一般力学 体系 车辆动力学的建模方法及基础理论 一、牛顿矢量力学体系： 式中：m -质点系总质量； rc -质心位移； F i -外力。 式(1) 式中：I -刚体绕某轴的转动惯量矩阵； -刚体的角速度投影矩阵； M 0 -外力对于O点的主矩。 式(2) 牛顿第二定律 欧拉方程 车辆动力学的建模方法及基础理论 二、分析力学体系： 式中： ET 、E v 、ED -系统总动能、总势能、总耗散能； q i -描述系统的广义坐标(主变量)； Q i -作用于系统的广义力(力或力矩)； n -系统方程阶数 。 式(3) 拉格朗日方程 虚功率原理 高斯原理 非完整系统动力学 车辆动力学的建模方法及基础理论 三、多体系统动力学 1、以经典力学为基础。 3、由计算机建立动力学方程并进行求解。 2、多刚体、柔体的运动；采用分布参数体系。 4、ADAMS、SIMAPCK等。 轮胎的基本功能 决定一辆汽车如何转向、制动和加速的关键控制力 产生于四块不大于人手掌大小的接触区。 1、支撑垂直载荷。 3、提供加速和制动所需的纵向 力。 4、提供转向所需的侧向力。 2、缓冲路面引起的振动、冲击。 通过本课程的学习，要求学生掌握以下内容： n1、车辆的动力性分析与计算 n2、车辆的动力装置参数的选定 n3、车辆的制动性分析与计算 n4、了解ABS n5、车辆操纵稳定性的分析 n6、车辆轮胎的受力分析 n7、车辆平顺性的分析 n8.、基于ADAMS的车辆动力学建模与模拟 相关书籍推荐 n余志生主编汽车理论第5版 n（美）Thomas D.Gillespie 著.车辆动力学 基础.赵六奇，金达锋，译.清华大学出版社 n吴光强 主编.汽车理论.人民交通出版社 n傅立敏 著.汽车空气动力学. 机械工业出版 社 n喻凡 ，林逸 编著.汽车系统动力学. 机械工 业出版社 1.2 建模的基本知识 集中质量 车辆由众多零部件构成。在不同工况、不 同研究目的中，对这些零部件有不同的处理方法 。例如，在制动过程中，车辆作为整体减速，可 以假设整车是一个集中质量块，这个质量块的质 心位置与整车质心位置重合，这个质量块拥有与 整车相同的质量和惯性特性。实际上，加速、制 动和大多数转向分析，把整车作为一个集中质量 来研究都可以满足要求。但在乘坐舒适性研究中 ，我们不能忽视弹性元件的作用，而必须把整车 质量分为“悬挂质量”和“非悬挂质量”。 车辆固定坐标系统 地面固定坐标系统 n车辆操纵过程的姿态和运行轨迹，参照固定在地面上的 右手直角坐标系来确定。一般情况下，车辆固定坐标系 选择与操纵的起始点相一致。此坐标系的定义如下： nX向前运动； nY向右运动； nZ垂直运动（向下为正方向）； n 方向角（水平面上x轴与X轴之间的夹角）； n 路径角（车辆速度向量与X轴之间的夹角）； n 侧滑角（车辆速度向量与x轴之间的夹角）。 欧拉角 n 用来确定刚体位置的3个一组独立角参 量，为欧拉首先提出而得名。由三个方向 上的依次旋转构成，它们有多种取法，以 不同的顺序转动同样3个欧拉角得到的变换 结果一般是不同的，会导致不同的车辆姿 态。常用转动顺序是3-1-3。3表示z轴，1 表示x轴。即表示，第一次绕地面固定坐标 系Z轴转动；第二次绕X轴转动；第三次绕z 轴转动。 第一欧拉角 第二欧拉角 第三欧拉角 轮胎静态负荷 1.最高车速uamax 重型货车（总质量14t） 90km/h 中型货车（总质量614t） 100km/h 微型和轻型货车（总质量6t） 80 130km/h 城市铰接客车 60 90km/h 客车 125km/h 商用车的速度相对较低，其主要技 术参数是载质量或载客量。 微型（经济型）轿车 （发动排量/L1.0 ） 奥拓 0.8 120km/h 吉利 1.0 120km/h 夏利 1.0 137km/h 奇瑞QQ 0.8 130km/h 普及（紧凑）型轿车 （1.0发动排量/L 1.6） 吉利 1.3 155km/h 夏利 1.3 165km/h 羚羊 1.3 168km/h 西耶那 1.5 168km/h 赛欧 1.6 165km/h 波罗 1.4 172km/h 富康 1.6 180km/h 捷达 1.6 170km/h 飞度 1.3手动 165km/h 飞度 1.3CVT 160km/h 飞度 1.5手动 180km/h 飞度 1.5CVT 175km/h 从这组数据能获 取什么信息？ 中高级轿车 2.5发动机排量/L4.0 凯迪拉克赛威 2.8 201km/h 奥迪A6L 2.8 235km/h 宝马530i 250km/h 奔驰E 280 250km/h 高级轿车 红旗CA7460 185km/h 奔驰S600(5.8L) 250km/h 宝马760 250km/h 宾利雅致(6.8L ) 270km/h 迈巴赫(5.5L ) 250km/h 劳斯莱斯幻影(6.7L ) 240km/h 中级轿车 （1.6发动机排量/L2.5） 普桑 1.8 150km/h 桑塔纳3000 1.8 185km/h 宝来 1.8手动 206km/h 宝来 1.8T手动 221km/h 宝马318i 214km/h 蒙迪欧 2.0 205km/h 本田雅阁 2.0 197km/h 本田雅阁 2.4 219km/h 奥迪A4 1.8T 220km/h 奥迪A4 2.0 230km/h 跑车的最高车速 跑车的最高车速 跑车的最高车速 思 考 汽车的最高车速这么 高，在高速公路上可 以得到充分发挥吗？ 中国高速公路允许的最高车速 120km/h 德国高速公路不限速 SUV的最高车速 宝马X5(4.4L) 230km/h 陆虎览胜(4.0L) 210km/h 宝马X5(3.0L) 202km/h 大众途锐(3.0L) 197km/h 捍马H2(6.0L) 180km/h 帕杰罗速跑(3.0L) 175km/h 对最高车速的总结 通过以上数据的对比分析，能得到一些什么结论？ 思 考 查阅资料：F1方程式赛车的最高车速可以达到多少？ 发动机排量越大，汽车最高车速越高； 配置相同发动机的前提下，手动挡比自动挡车速更高； 发动机排量相同的前提下，车身越小，最高车速越高； SUV配备的发动机排量普遍较大，但与配备相同发动机排量 的轿车相比，最高车速要低。 现今内燃机汽车的最高车速记录为660km/h，由塞默 兄弟在1965年11月创造。 世界上车速的最高记录是英国飞行员安迪格林（ Andy Green）在美国内华达州西北的盐湖上，于1997年10 月驾驶一辆喷气式发动机驱动的“冲刺”号汽车创造的，车 速第一次超过了声速，达到1227.73km/h。 2.加速时间t 飞度1.5L 12.0s 红旗CA7460 10.5s 捍马H2 10.0s 宝马523Li 9.6s 奥迪A8 7.0s 宝马750 6.6s 奔驰S600 6.5s 宝来1.8 M（手动挡）/A（自动挡） 11.1s/12.7s 宝来1.8T M （手动挡）/A（自动挡） 9.0s/10.5s 手动挡汽车的加速时间更短 法拉利 575M Maranello 4.2s 宝时捷911 3.9s 兰博基尼 Gallardo 4.2s （1）原地起步加速时间 1） 0100km/h的加速时间 2）静止到400m或静止到1km的冲刺时间 60100km/h （4挡/5挡） 10.8s / 13.7s 80120km/h （4挡/5挡） 10.6 s/ 14.1s 思考：从这组数据可得到什么信息？ 奥迪A6 1.8T 静止到400m冲刺时间7.9s 静止到1km冲刺时间33.4s 在一般的技术参数中往往不给此项数据 （2）超车加速时间 宝马520i 低挡的超车加速能力更强。 坡度的概念 货车满载 imax=30 越野车 imax=60 车型最大爬坡度