车辆系统动力学-复习提纲1

1 简要给出完整约束与非完简要给出完整约束与非完 整约束的概念整约束的概念 1 约束与约束方程 一般的力学系统在 运动时都会受到某些几何或运 动学特性的限制 这些构成限 制条件的具体物体称为约束 用数学方程所表示的约束关系 称为约束方程 2 完整约束与非完整约束 如果约束方程只是 系统位形及时间的解析方程 则这种约束称为完整约束 完整约束方程的一般形式为 式中 qi 为描述系 统位形的广义坐标 i 1 2 n n 为广义坐标 个数 m 为完整约束方程个数 t 为时间 如果约束方程是不可积分的微 分方程 这种约束就称为非完 整约束 一阶非完整约束方程的一 般形式为 式中 qi 为描述系统位形 的广义坐 i 1 2 n 为 广义坐标对时间的一阶与 数 n 为广义坐标个数 m 为系统中 非完整约束方程个数 t 为时间 解释滑动率的概念3 7 8 1 滑动率 S 车轮滑动率表示车轮相对于 纯滚动 或纯滑动 状态的偏 离程度 是影响轮胎产生纵向 力的一个重要因素 为了使其总为正值 可将 驱动和被驱动两种情况分开考 虑 驱动工况时称为滑转率 被驱动 包括制动 常以下标 b 以示区别 时称为滑移率 二 者统称为车轮的滑动率 参照图3 2 若车轮的滚动半径 为 rd 轮心前进速度 等于车辆 行驶速度 为 uw 车轮角速度为 则车轮滑动率 s 定义如下 车轮的滑动率数值 在0 1之间变化 当车轮作纯滚 动时 即 uw rd 此时 s 0 当被驱动轮处于纯滑动状 态时 s 1 2 轮胎模型中表达的输入量轮胎模型中表达的输入量 和输出量有哪些 和输出量有哪些 3 22 23 轮胎模型描述了轮胎六分力与 车轮运动参数之间的数学关系 即轮胎在特定工作条件下的输 入和输出之间的关系 如图 3 7 所示 根据车辆动力学研 究内容的不同 轮胎模型可分 为 1 轮胎纵滑模型 主要用于预测车辆在驱动和制 动工况时的纵向力 2 轮胎侧偏模型和侧 倾模型主要用于预测轮胎的侧 向力和回正力矩 评价转向工 况下低频转角输入响应 3 轮胎垂向振动模型 主要用于高频垂向振动的评价 并考虑轮胎的包容特性 包含 刚性滤波和弹性滤波特性 3 写出几种典型的写出几种典型的 TCS 控控 制方式制方式 6 60 61 62 6 66 从理论上讲 汽车驱动轮滑转 是由于驱动力矩超过了轮胎与 路面间的附着极限 所以合理 地减小汽车发动机扭矩或动力 传动中任何一环的传递扭矩都 可以实现驱动防滑控制的目的 因此可以通过许多途径来实现 牵引力控制 如发动机管理 控制离合器 改变到驱动轮的 传动比 控制防滑差速器以及 主动制动干涉等 这些方法各有优缺点 实际应 用中往往采用多种方法进行联 合控制 目前应用最为广泛的 是发动机扭矩控制与驱动轮制 动控制的联合控制方式 4 4 请画出汽车底盘控制系统请画出汽车底盘控制系统 与车辆动力学的关系 与车辆动力学的关系 传传 统车辆动力学主要包括那统车辆动力学主要包括那 三个方面的动力学研究 三个方面的动力学研究 它们主要研究内容是什么 它们主要研究内容是什么 1 15 1 26 1 31 32 33 1 34 35 36 37 38 1 39 40 图 1 1 底盘控制系统与车辆动 力学关系示意图 长期以来 人们一直在很大程 度上习惯按纵向 垂向和横向 分别独立研究车辆动力学问题 而实际中的车辆同时会受到三 个方向的输入 各方向所表现 的运动响应特性必然是相互作 用 相互耦合的 图 1 1 纵向动力学 纵向动力学研究 车辆直线运动及其控制的问题 主要是车辆沿前进方向的受力 与其运动的关系 按车辆工况 的不同 可分为驱动动力学和 制动动力学两大部分 行驶动力学 与车辆行驶动力 学有关的主要性能及参数如图 1 2 所示 在有限的悬架工作空 间内 设计人员必须为驾驶员 和乘客提供良好的 乘坐舒适 性 良好的车身姿态 以及对 车轮动载荷的合理控制 行驶动力学研究中的首要问题 是建立考虑悬架特性在内的车 辆动力学模型 而分析这些动 力学问题的最简单的数学模型 应该是具有七自由度的整车系 统模型 随着功能愈来愈强大的多 体动力学仿真软件的普及应用 包括衬套等复杂细节在内的车 辆模型也可以方便地得到 操纵动力学 在车辆动力学研 究中 操纵动力学的内容最为 丰富 将在第三篇中加以介绍 由于轮胎的重要性 因此 操纵动力学建模中必须要与轮 胎模型精度相吻合 否则建立 的操纵模型将失去意义 分析车辆操纵特性可以从 最基本的两自由度车辆模型人 手 该模型中 车辆向前的速 度被假定为恒定的 而两个变 量分别是车辆的侧向速度和横 摆速度 虽然基本模型看似简 单 但它为操纵性能分析提供 了十分重要的基础 在线性范 围内 两自由度模型的预估精 度可能会达到 70 以上 操纵动力学的研究范围分 为三个区域 线性域 侧向加速度约小 于 0 4g 时 通常意味着车辆在 高附着路面作小转向运动 非线性域 在超过线性域 且小于极限侧向加速度 约为 0 8g 范围内 非线性联合工况 通常指 车辆在转弯制动或转弯加速时 的情况 5 画出汽车平顺性分析的七画出汽车平顺性分析的七 自由度模型自由度模型 并列出这七并列出这七 个自由度个自由度 二二 62 63 二 68 69 70 首先从七自由度车辆模型开始 介绍 如图 11 1 所示 假定车身是一个刚体 当车辆 在水平面做匀速直线运动时 车身具有上下跳动 俯仰 侧 倾三个自由度 两个前轮分别 具有垂向运动的自由度 剩下 的两个自由度是表示独立悬架 的两个后轮垂向运动 或非独立 悬架中后轴的垂向跳动和侧倾 转动 6 论述传动系扭转振动分析的建 模方法 模型参数的获取和激 振力矩确定的一般方法 自由 振动分析的目的是什么 强迫 振动分析的目的是什么 7 18 1 首先分析扭振系统的激振源 2 然后简化动力传动系统的扭 振系统 建立动力传动系统的 当量扭振模型 3 对系统的固有频率和振型进 行分析 确定系统的共振转速 4 分析在稳态工况下传动系统 各轴段由于发动机周期性激振 转矩引起的载荷变化特征 1 自由振动分析的目的 取得扭振系统的固有频率和振 型 2 强迫振动分析的目的 进行发动机周期性的激振转矩 使传动系统产生受迫振动 从 而传动系统各轴段引起载荷的 周期性变化的分析 7 7 写出轮胎模型写出轮胎模型 魔术模型魔术模型 中纵向力 侧向力和回正中纵向力 侧向力和回正 力矩的公式 并解释公式力矩的公式 并解释公式 中各个物理量的含义及该中各个物理量的含义及该 模型的特点 模型的特点 3 30 31 32 魔术公式 轮胎模型 魔术公式 轮胎 模型 Magic Formula TireModel 由 Pacejka 教授提出 它以三角 函数组合的形式来拟合轮胎试 验数据 得出了一套形式相同 并可同时表达纵向力 侧向力 和回正力矩的轮胎模型 故称 为 魔术公式 其形式如下 y Dsin Carctan Bx E Bx arctanBx 3 8 式中 y 可以是纵 向力 侧向力或回正力矩 而 自变量 x 可以在不同的情况下 分别表示轮胎侧偏角或纵向滑 移率 魔术公式 轮胎模型的特点 是 1 用一套公式可以表 达出轮胎的各向力学特性 统 一性强 编程方便 需拟合参 数较少 且各个参数都有明确 的物理意义 容易确定其初值 2 无论对侧向力 纵 向力还是回正力矩 拟合精度 都比较高 3 由于 魔术公式 为非线性函数 参数的拟合较 困难 有些参数与垂直载荷的 关系也是非线性的 因此计算 量较大 4 C 值的变化对拟合 的误差影响较大 5 不能很好地拟合小 侧偏情况下轮胎的侧偏特性 8 8 轮胎的滚动阻尼由那些部轮胎的滚动阻尼由那些部 分组成 各部分在总阻尼分组成 各部分在总阻尼 中的权重 中的权重 滚动车轮产生的所有阻力被定 义为车轮滚动阻力 主要包括 轮胎滚动阻力分量 道路阻力 分量和轮胎侧偏阻力分量 其 中 轮胎侧偏阻力分量是由轮 胎的侧向载荷使轮胎侧偏而产 生的附加轮胎纵向阻力 由不 平路面 塑性路面和湿路面等 道路情况引起的附加阻力称为 道路阻力分量 此外 除了由 轴承摩擦和轮胎与地面相对滑 动造成的摩擦阻力外 胎内气 流流动以及转动的轮胎对外部 空气造成的风扇效应都会引起 轮胎的滚动阻力 但均为次要 影响因素 因此通常它们包含 于车轮阻力中 并不单独列出 根据作用机理的不同 轮胎滚 动阻力还可以进一步分解为弹 性迟滞阻力 摩擦阻力和风扇 效应阻力 9 路面输入模型有几种路面输入模型有几种 并并 写出其数学表达式写出其数学表达式 二二 34 39 45 46 10 10 车辆悬架系统性能定量评车辆悬架系统性能定量评 价指标有哪些参数价指标有哪些参数 并简并简 述各参数的作用述各参数的作用 三三 116 117 118 舒适性 舒适性 一 侧倾转向系数 当车身发生倾倾时 会 在前轴或后轴上分别产生附加 的转向角 f 和 r 与 车身侧倾角 的关系分别如下 对于前轴 前轮转向角必须包 括附加侧倾转向角 f 和由 转向系统产生的转向角 fs 中 即 f fs f 因此 对 前轮胎侧偏角的计算中需加以 考虑 即 而前轮的横摆角速度则为 对作用为非转向轮的后轮而言 转向角 r 仅由车身侧倾转向 角 引起 因而后轮轮胎侧偏 角为 二 侧倾外倾系数 由车身侧倾角 产生的 附加车轮外倾角 为 当 较小时 通常认为它与 所产生的轮胎侧向力 Fy 呈线 性关系 即 式中 C 为常数 称为 侧 倾外倾刚度 在车轮动能的计 算中应注意 由车身侧倾引起 的车轮外倾既影响车轮的平动 动能 又影响其转动动能 三 侧倾侧向偏移系数 若将由车身侧倾角 引 起的轮胎侧向偏移 y 表示为 则在轮胎侧向力计算中就应考 虑由此导致的侧偏角的变化 修正后的轮胎侧偏角为 由此可见 对车轮质心侧向速 度的修正计算出自两个方面 一是来自于由车身侧倾引起的 轮胎侧向偏移速度项 二是由 侧倾外倾所引起的附加项 其中 rd 为车轮半径 于是 车轮质心处总的附加侧向速度 为 以上悬架系数能够以下述两种 方式影响系统的运动响应 首 先 引起的车轮定位变化会在 接地印迹处产生附加的侧向力 或横摆力矩 其次 它们可以 改变车轮质心的平移速度和转 动速度 从而影响系统的动能 11 车辆操纵特性分析的主要 对那些特性进行分析 分 别代表那种行驶工况 简 单阐述这三种分析的目的 三 26 主要对表征车辆操纵特性的稳 态响应 稳定性和频率响应进 行分析 实际上 这三种分析 分别代表了三种不同的行驶工 况 因此 建立数值解与其相 应的实际应用间的关系将十分 重要 1 稳态响应分析指一种稳 定的转弯状态 但是 稳态响 应特性非常重要 因为它代表 了车辆的基本操纵性能 并被 作为一个公认的标准操纵性能 试验方法 重视稳态分析的关键理由 1 在转向试验场进行 的实车试验中 稳态圆周转向 试验相对简单 而且试验成本 低 2 不足转向与过多转 向的概念在瞬态特性分析中仍 将继续使用 2 稳定性分析指没有转向 角输入的直线行驶状态 实际 中 通常指高速公路上以中 高速直线行驶的情况 稳定性 响应是指在直线行驶条件下 车辆持续受到小的干扰 如风 的扰动或不平路面的激励 使 制动抱死过程 其偏离本身平衡状态的程度 当然设计者总是希望车辆能够 保持其稳定性 也就是期望车 辆在受到干扰之后能恢复其本 身平衡状态的能力 3 频率响应分析指车辆在 转向角为正弦输入下的响应 很显然 实际中没有与之直接 对应的情况 因而这不代表实 际驾驶情况 然而 它代表了 车辆对转向盘角输入的一般动 态响应特征 要充分理解频率 响应的意义 首先需了解傅里 叶分析和线性动力学系统 对 这个问题可简要介绍 现实中 的输人大部分能被分解为不同 频率的正弦波 频率响应函数 为系统提供了对各种不同频率 成分响应的完整描述 最后的 输出实际上就是这些响应的线 性叠加 因此 可以说频率响 应函数间接地为车辆对任何形 式的转向输入响应提供了一个 完整描述 12 通过哪些手段可以控制车 辆的不足转向和过多转向 三 34 1 42 43 44 经过对基本模型的动力学分析 得到了一个关于车辆操纵特性 的最基本的概念 即车辆的 不足或过度转向 under over steer 特性 分析结果表明 不 足转向与过度转向的区别取决 于一个重要物理量 叫做车辆 的 稳定裕度 stability margin 定义为 bC r aC f 其中 a 和 b 分别为前轴和后轴至车辆 质心的距离 C f 和 C r 分 别代表了前 后轮胎的侧偏刚 度 设计者可以利用前后轮胎力 或力矩 的平衡关系 扩展 稳定裕度这一概念 并以此来 理解以下因素的影响 a 与负载情况有关的车辆质心位 置 b 与轮胎的结构 尺寸和胎压有 关的轮胎侧偏刚度 c 前 后轮外倾角 d 前 后轴载荷转移 e 侧倾转向效应 f 变形转向效应 13 下图为 Bosch 公司开发的 ABS 在高附着系数路面上 的制动过程 请以此论述 该 ABS 控制过程 6 6 11 12 1 首先 由