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Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 主讲： 王文林 教授 南昌大学机电工程学院 -车辆工程技术研究中心 汽车系统动力学基础 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 一. 汽车是一种复杂产品 为什么要研究汽车系统动力学？ 容量：210L 额定制热量：5320W 额定出水温度：55 最高出水温度：100 太阳光吸收率：95% ？ Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 二.我们期望汽车具有什么样的性能？怎样达到设计目标？ 为什么要研究汽车系统动力学？ 样 机 控 制 设 计 性能优良的 汽车 初步设计 试验评价 理论评价 计算理论 车辆系统动力学是基础！ Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 1、描述车辆的动力学性能。 为什么要研究汽车系统动力学？ 三、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。 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 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 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 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 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 多学科基础 轮胎力学 空气动力学 一般力学 学体系 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 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； r -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 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 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 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 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。 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 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。 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 轮胎模型 轮胎 纵向滑动率s 侧偏角 径向变形 车轮外侧角 车轮转速 横摆角t 纵向力 Fx 侧向力 Fy 法向力 Fz 侧倾力矩 Mx 滚动阻力矩 My 回正力矩 Mz 轮胎运动参数 轮胎六分力 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 轮胎模型 一、轮胎运动参数 1、纵向滑移率s ：表示车轮相对于纯滚动或纯滑动状态的偏 离程度。它是影响轮胎产生纵向力的一个重要因素。 驱动时： 制动时： 滑转率 滑移率 式中：u -轮心前进速度； r d -车轮滚动半径； -车轮角速度。 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 轮胎模型 2、轮胎侧偏角 ：影响轮胎侧向力的一个重要因素。 式中：u -轮心前进速度； v -车轮侧向速度。 3、轮胎径向变形 ：无负载时的轮胎半径与负载时轮胎半径 之差。 式中：r t -无负载时的轮胎半径； r tf -负载时的轮胎半径。 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 轮胎模型 二、三个比较权威的轮胎模型 试图完整描述轮胎力与运动参数之间的数学关系，揭示 轮胎的本质特性。如：侧向力=侧偏刚度*侧偏角 1、幂指数统一轮胎模型(半经验模型)郭孔辉院士。 2、“魔术公式”轮胎模型(Magic Formula Tire Model)。 3、SWIFT轮胎模型。 难以准确描述！实际中一般是查阅经验(试验)数 据。这样做足够了！ Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 伯努利方程的含义 单位体积空气的总能量守恒： 静压动压 式中：P -气动压强； a -空气密度； v -空气流速。 上部流速高，动压大，所以静压小。 下部流速低，动压小，所以静压大。 因此飞机能飞起来！ Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 车辆上的压力分布 车表空气压力分布图 (试验法测得) Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 车辆受到的空气升力和阻力 不同车辆形式的空气升力和阻力 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 车辆空气阻力系数 CD SAEJ1594标准中定义了一个无量纲的空气阻力系 数CD。 式中：FD -空气阻力，N A -迎风面积，m2 q -动压力，Pa，等于0.5a*v2 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 车辆空气阻力系数 CD 车型CD迎风面积A /m2CD*A /m2 雪铁龙2CV0.511.650.85 大众Beetle0.481.800.87 大众Polo0.321.900.61 大众Golf0.301.990.60 福特Mondeo0.322.000.64 宝马5series(E39)0.272.170.59 奔驰-class0.312.380.74 欧宝Calibra0.261.900.49 现代轿车的空气阻力系数值 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 作用在车辆上的气动力和力矩 Direction Force Moment Longitudinal (x-axis, positive rearward) Drag Rolling moment Lateral (y-axis, positive to the right) Sideforce Pitching moment Vertical (z-axis, positive upward) Lift Yawing moment Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 车辆空气动力学的研究内容 1、通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道的设计来车 辆的空气阻力。 2、尽可能增加向下的气动压力来轮胎附着性，同时对轮胎 侧偏力的影响。 3、空气动力学试验(比例模型或全尺寸车辆)，以及对试验结果