汽车纵向动力学PPT课件.ppt

第三章 汽车纵向动力学 问题的提出 汽车只要在道路上行驶 就会存在驱动和制动方面的 问题 其性能如何 是否稳定 传统的汽车理论考虑时 通常将许多因素的影响简化了 本章讨论时 我们将考 虑得更细致 2009 10 19 1 2020 3 19 1 第三章 汽车纵向动力学 3 1驱动与制动动力学基础 一 汽车驱动力与行驶阻力 主 要 内 容 二 汽车的加速性能 1 驱动转矩引起的横向载荷转移 2 附着极限 三 汽车的制动性能 1 制动系统功能 2 制动系统的评价指标 2009 10 19 2 2020 3 19 2 第三章 汽车纵向动力学 汽车驱动与制动动力学主要研究汽车纵向运动与其受力的 关系 驱动动力学主要涉及汽车的动力性 其主要评价指标通 常为最高车速 加速时间和最大爬坡度 制动动力学则主要涉 及汽车的制动性 通常定义为汽车行驶时能在短距离内停车且 维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力 一 汽车驱动力与行驶阻力 研究驱动动力学时需要确定沿纵向 行驶方向 作用于汽 车的各种外力 即驱动力和行驶阻力 驱动力是由发动机的转 矩经传动系传至驱动轮上得到的 行驶阻力有滚动阻力 空气 阻力和坡度阻力 2009 10 19 3 2020 3 19 3 第三章 汽车纵向动力学 1 汽车的驱动力 它们是发动机功率或驱动轮的附着极限 具体取决于哪一个极 限主要看汽车的速度 低速时轮胎附着力可能是限制因素 而高速 时主要受限于发动机功率 发动机的转矩经传动系传至驱动轮 上时 驱动轮将相对地面转动或具有转 动的趋势 如图所示 附着力足够大时 车轮匀速转动时的 驱动力大小为 分析受限于发动机功率的最大驱动 P Ft 力时首先要了解发动机的特性及其与传 作用在驱动轮上的转矩和驱动力 动系 发动机 传动系 的匹配 汽车前进方向 Tt 2009 10 19 r 4 2020 3 19 4 第三章 汽车纵向动力学 Teitf tf r Ie It itf Idit Iw 2 2 得到驱动力为 Ft aX r2 由两部分组成 1 右边的第一项 代表了产生于地面的稳态驱动力 它被用来克 服各种阻力 使车辆加速 2 右边的第二项代表发动机及传动系零件的转动惯量引起的驱 动力 损失 Te Ft 一定转速下发动机的转矩 路面提供的附着力 变速器传动比 主传动比 变速器和驱动桥的总传动比 传动效率 it if Ie It Iw Id aX 发动机旋转零件转动惯量 变速器旋转零件换算到其输入 端的等效转动惯量 车轮及半轴的转动惯量 传动轴转动惯量 车辆加速度 tf 2009 10 19 itf 5 2020 3 19 5 第三章 汽车纵向动力学 2 汽车的行驶阻力 汽车在水平道路上行驶时 必须克服来自地面的滚动阻力和来 自空气的空气阻力 当汽车在坡道上上坡行驶时 还必须克服重力 沿坡道的分力 称其为坡度阻力 这部分在汽车理论和第二章轮胎动力学中有相应介绍 在此不 再重复 二 汽车加速性能 知道了驱动力和行驶阻力 就可以计算车辆的加速性能了 1 取决于发动机功率的极限加速能力 2 取决于附着力的极限加速能力 假设发动机功率足够大 极限加速能力会受到轮胎与路面之间 摩擦系数的限制 这样的话 驱动力的极限值为 2009 10 19 6 2020 3 19 6 第三章 汽车纵向动力学 作用在每个驱动轮上的垂直载荷等于静态载荷加上动态载荷 后者是由加速时的纵向载荷转移或驱动转矩造成的横向载荷转移引 起的 1 驱动转矩引起的横向载荷转移 不管是前桥还是后桥 只要驱动桥是刚性桥就存在横向载荷转 移 绕车桥中心点的力矩平衡方程为 T 即 O Wr 2 Wy Wr 2 Wy t 2 Ts Td 0 Wy Td Ts t Td 为传动轴作用在驱动桥上的转矩 Ts 簧载质量经悬架作用于驱动桥的 转矩 刚性驱动桥受力分析图 2009 10 19 7 2020 3 19 7 第三章 汽车纵向动力学 T 上面方程中 d与驱动力有关 Td Ftr if 而 Ts Tsf Tsr K r K f K FtrK f 综合以上几式可得 Wy iftK r K f 注意 1 横向载荷转移的大小是驱动力及一些其它车辆参数的函数 2 如果驱动桥的差速器未锁止 传至两侧车轮的转矩将受限于 垂直载荷较小一侧车轮的附着极限 2009 10 19 8 2020 3 19 8 第三章 汽车纵向动力学 如果坡度为零且无挂钩牵引力 一定加速度aX下的后桥垂直 载荷为 aaXh Wr W L gL Wamah WL W W axL Wr x r r gh L 右后轮垂直载荷Wrr为Wr 2 Wy 因此 WaFxhFtrK r Wrr 2L 2LiftK 再根据差速器的特性 有 Wb h2FtrK r Fx Ft 2 Wrr L L iftK 2009 10 19 9 2020 3 19 9 第三章 汽车纵向动力学 2 附着极限 从上式中求解Ft得到其最终表达式 它就是不带差速锁的整 体式后驱动桥能够获得的最大附着力 Ftmax Wb L 2 rK r h 1 L iftK 对于带差速锁的整体式后驱动桥 或独立悬架后驱动桥 另 一侧车轮可以获得更大的驱动力 最大时达到其附着极限 最大 附着力的表达式都为 Ftmax Wb L h 2009 10 19 10 2020 3 19 10 第三章 汽车纵向动力学 汽车的制动性是汽车的主要性能之一 制动性直接关系到行车 三 汽车的制动性能 安全 重大交通事故往往与制动距离太长 紧急制动时发生侧滑等 情况有关 故良好的汽车制动性是汽车安全行驶的重要保证 1 制动系统功能 减少行驶汽车的车速 必要时 可使其在一定距离内停车 在下长坡时能维持一定车速 对已停驶 特别是在坡道停驶 的汽车 应使其可靠地驻留 原地不动 2 制动系统的评价指标 制动效能 即制动距离与制动减速度 制动稳定性 即制动时汽车不发生跑偏 侧滑以及失 去转向能力 方向稳定性 制动恒定性 即抗热衰退 抗水衰退等恒定性 2009 10 19 11 2020 3 19 11 第三章 汽车纵向动力学 3 2纵向动力学运动方程 主 要 内 容 一 SAE坐标系 二 空间任一刚体的运动方程 三 直线运动时簧上质量 或悬挂质量 的运动方程 四 纵向动力学的运动方程 2009 10 19 12 2020 3 19 12 第三章 汽车纵向动力学 一 SAE坐标系 x为汽车前进方向 u v w为汽车前进 侧 向和垂直方向的速度 p q r分别为汽车侧 倾 俯仰和横摆角速 度 p u x wz 2009 10 19 yq SAE坐标系 13 2020 3 19 13 第三章 汽车纵向动力学 二 空间任一刚体的运动方程 ms u w q Fx ms v w p u Fy ms w u q p Fz Ixp Iy Iz q Mx Iz Ix Iy pq Mz Iyq Iz Ix p My 2009 10 19 14 2020 3 19 14 第三章 汽车纵向动力学 三 直线运动时簧上质量 或悬挂质量 的运动方程 u w p q p u x wz ms v w p u Fy ms u w q Fx y ms w u q p Fz Iyq Iz Ix p My Iz Ix Iy pq Mz Ixp Iy Iz q Mx q x z ms u w q s F m w u q F Iq M y y 2009 10 19 15 2020 3 19 15 第三章 汽车纵向动力学 3 3简单的稳定性讨论 主 要 内 容 一 制动 前轮抱死 二 制动 后轮抱死 三 驱动 前轮滑转 四 驱动 后轮滑转 2009 10 19 16 2020 3 19 16 第三章 汽车纵向动力学 一 制动 前轮抱死 假设一辆汽车在干扰力作用下质心侧偏角为 前轮如果抱死 制动切向力将总是指向速度v的反方向 不受车轮行驶方向的影响 此时 只有当车轮受的力产生的力矩有使质心侧偏角减小的趋势 汽车才处于稳定状态 当 FaHb FpVa sin FpVa 其中 FaH kH 即满足kHb Fpva时 汽车才 处于稳定状态 图3 3 1 2009 10 19 17 2020 3 19 17 2020 3 19 18 第三章 汽车纵向动力学 二 制动 后轮抱死 后轮抱死的分析过程与前轮抱死相同 汽车处于稳 定状态的前提条件是以下不等式成立 FaVa FPHb sin FPHb 当FaHb F 其中 pV a sin F pV a FaV kV 即满足kVa FPHb时 汽车才处 于稳定状态 图3 3 2 2009 10 19 18 2020 3 19 19 第三章 汽车纵向动力学 四 驱动 后轮滑转 作用在前轮和后轮上的力 产生的合力矩使质心侧偏角变 大 汽车处于不稳定状态 三 驱动 前轮滑转 前轮和后轮上的作用力产 生的合力矩使质心侧偏角变 小 也就是说汽车保持稳定 2009 10 19 19 2020 3 19 20 第三章 汽车纵向动力学 3 4汽车防滑电子控制系统 主 要 内 容 一 概述 二 控制系统的控制原理 三 ABS和ASR的比较 2009 10 19 20 2020 3 19 21 第三章 汽车纵向动力学 一 概述 汽车防滑控制系统包括 制动防抱死系统和驱动防滑控制系统 1 制动防抱死系统 Anti lockBrakeSystem 简称ABS 请看 防止车轮在制动过程中被制动抱死 避免车轮在路面 上进行纯粹的滑移 提高汽车在制动过程中的方向稳定性和 转向操纵能力 缩短制动距离 这是常出现的情形1 2 2 驱动防滑控制系统 AccelerationSlipRegulation 简称ASR 防止驱动车轮驱动过程中发生滑转的控制系统 它能够 在驱动过程中 特别在起步 加速 转弯过程中 防止驱动 车轮发生滑转 通过调节驱动车轮的牵引力实现驱动车轮滑 转控制的 因此 也被称为牵引力控制系统 Traction ControlSystem 简称TCS 怎么不动了 1 比较一下2 2009 10 19 21 2020 3 19 22 第三章 汽车纵向动力学 请看动画吧 二 控制系统的控制原理 一 ABS的基本工作原理 1 制动力矩的调节过程 从零增加至峰值滑移率的点1处之前 附着力矩正比于路面附着系数 制动将是 稳定的 从点1至点2 制动力矩和路面附着力 矩的差值迅速扩大 使车轮进入非稳定范 围 减压 制动力矩降低 轮速回升 点3轮速回升到点4处时 进入滑移率 最佳值 稳定区 增压 制动力矩增加 如此增压 减压循环控制 直至车辆完全防抱死控制循环与轮速变化图 停止为止 工作原理过程 2009 10 19 22 2020 3 19 23 第三章 汽车纵向动力学 2 ABS制动力学的基本方程 在建立防抱制动系统力学模型时 通常作如下假设 1 车轮承受的载荷为常数 2 忽略迎风阻力和车轮滚动阻力 3 附着系数和滑动率关系曲线用两 条直线近似地表示 定义滑动率为 1 R v T时 H 当 T H G T H G 当 T时 1 T 2009 10 19 23 2020 3 19 24 第三章 汽车纵向动力学 在此前提下 车辆和车轮的数学 模型可表达为 I Tb RF mv Fb Fb F z b 制动力矩可表示为制动 缸压力函数 Tb Kfp t Kf 制动效能因数 p t 随时间而变的制动缸压力 MPa 2009 10 19 24 2020 3 19 25 第三章 汽车纵向动力学 3 ABS实现原理 请看动画吧 看看需要增加哪些元器件 4 ABS仿真实现 借助于Matlab的Simulink工具箱完成 步骤 1 分析 滑移率 w silp 1 v v VV R 根据车速计算出 的车轮角速度 2009 10 19 25 2020 3 19 26 第三章 汽车纵向动力学 2 建立数学模型 I Tb RF mv Fb Fb Fz g 9 8 b v0 60 3 6 Rr 0 38 Kf 1 m 50 PBmax 1500 TB 0 01 I 0 45 Tb Kfp t Fb m slip mg v Fb m 液压系统 滞后环节 G s 100 TB S 1 2009 10 19 26 2020 3 19 27 第三章 汽车纵向动力学 2 Simulink仿真模型 2009 10 19 27 2020 3 19 28 第三章 汽车纵向动力学 怎么样一清 二楚了吧 无ABS作用 有ABS作用 2009 10 19 28 2020 3 19 29 第三章 汽车纵向动力学 二 ASR的基本工作原理 ASR也被称为TCS TractionControlSystem 即驱动力控 制系统 ASR可以通过调节作用于驱动车轮的驱动力矩和制动力 矩 在驱动过程中防止驱动车轮发生滑转 调节方式 发动机的输出转矩 节气门开度 常用 点火提前角 燃油喷射量 中断燃油喷射和点火 变速器传动比 差速器锁紧系数 很少采用 2009 10 19 29 2020 3 19 30 第三章 汽车纵向动力学 三 ABS和ASR的比较 ABS和ASR都是通过控制作用于被控制车轮的力矩 而将车 轮的滑动率控制在设定的理想范围内 以提高车轮附着力的利用 率 从而缩短汽车的制动距离或提高汽车的加速性能 改善汽车 的行驶方向稳定性和转向