汽车动力学.ppt

1、课程基本定位： 以汽车理论、汽车构造为专业基础，运用力学分析和数学计算（预测）的方法，在动力学层面上求解汽车的主要使用性能，为汽车设计提出指导性意见。 但不深入涉及具体的参数设计和制造方法。 可以看做“高等汽车理论”。,基本概念：“车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科”P4、5,讲授内容：基本思想和基本理论，重要结论以及在汽车上的典型应用。 目录： 绪篇：汽车系统动力学简介、汽车与外界的相互作用力轮胎动力学与空气动力学。 第一篇：直线行驶问题动力性、燃油经济性和制动性。 第二篇：由路面输入引起的行驶平顺性问题。 第三篇：操控性（操纵稳定性）问题。,各性能分析不是全然分开的，例如，与操控

2、性有关的车辆稳定控制，放在第五章纵向动力学。P123. 这也体现了P5“长期以来必然是相互作用、相互耦合的”思想。,绪篇 概论和基础理论 第一章 车辆动力学概述 第一节 历史回顾,上世纪20年代到70年代P13。 “ABS是车辆底盘控制迈出的第一步。”P3 注意，现代意义的“控制”：传感器控制器执行器。 随后，发展了与之理论类似的牵引力控制TCS、驱动防滑ASR。（有的观点认为TCS=ASR） 进而发展出DSC和VDC等技术。（在车型营销领域，日系车可能采用车辆稳定性控制系统VSC的缩写，以博世为代表的德系车偏好采用ESP电子稳定程序。ESP是VDC的商品名称。） 此部分内容，详见第六章。,在

3、悬架系统领域，提出了主动和半主动悬架技术（包括可变悬架的概念），并付诸应用。 在转向系统方面，则先后推出了四轮转向（4WS）、电子液压助力转向（PPS）和电动助力转向（EPAS，P4常缩写为EPS）等。 ,系统动力学研究的工程应用价值，就是为这些先进控制技术提供理论基础。,第二节 研究内容和范围,基本受力分析的三个方向：P57 纵向驱动与制动； 垂向行驶动力学；（汽车理论的相关理论见下页） 横向（汽车理论偏好称之为“侧向”）操纵动力学。 定义稳定裕度 ，其中Caf和Car分别为前、后轮胎的侧偏刚度，为绝对值。P6 稳定裕度为正，不足转向；为负，过多转向。 汽车理论中，定义稳定性因数 ，前后轮胎

4、的 侧偏刚度k1和k2皆为负。K0，不足转向；K0，过多转向。,第三节 车辆特性和设计方法,一、期望的车辆特性 三个方向，操纵性能（横向）为本节主要讨论内容。P7 P8：垂向（乘坐舒适性）的优化思想：加速度为目标函数，悬架的有限工作空间和轮胎动载荷为约束条件。 与之类似，汽车理论的观点：平顺性分析的振动响应量有三个：车身加速度、悬架动挠度、车轮地面的动载。 操纵性能的总体目标，简言之，就是操纵性+稳定性。原文P8 与之对应，汽车理论对“操纵稳定性”的定义：在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的情况下，汽车能遵循驾驶者通过转向系统及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶

5、的能力。,相较于其他方面，操纵性能的分析中，驾驶者的因素不容忽视。 或者说，不考虑驾驶员反馈因素的开环控制模型，是不真实的，是比较粗略的。 另参见P14 所期望的车辆操纵性：4点 P8 良好的操纵稳定性必备的特点：6条 P9 二、设计方法 P9 建模的目的：P10,第四节 术语和约定 见教材P10,第二章 车辆动力学建模方法及基础理论,较多的力学和数学分析知识，很多不要求深入理解。 简要了解： 动力学方程（微分方程）的建立方法；P17 完整系统与非完整系统；P19,第三章 充气轮胎力学第一节 概述,基本功用和基本特点 P30 一、轮胎坐标系与六分力 P30 （汽车理论观点，见下页） 二、车轮运

6、动参数 1.滑动率s 包括驱动和制动（含被驱动P30）两种工况 rd应为没有地面驱（制）动力时的车轮滚动半径。 2.轮胎侧偏角 P31 侧偏角与侧向力的关系 P31 弹性轮胎的侧偏现象的产生机理（引自汽车理论）：见下页 3.轮胎径向变形 P31,11,O,X,Y,车轮平面,车轮行驶方向,正地面切向 反作用力FX,正翻转力矩 TX,正地面法向 反作用力FZ,正地面侧向反作用力FY,车轮旋转轴线,正侧偏角,正回正力矩TZ,正TY,正外倾角,Z,外倾角 camber 过轮胎坐标系原点的垂线与车轮平面的夹角,第二节 轮胎的侧偏特性,一、轮胎的坐标系tyre coordinate system,此图显示

7、的是所有参量的正方向,右手系 Right-handed,侧偏角 slip 轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角,12,FY,俯视图,第二节 轮胎的侧偏特性,车轮静止,2）在弹性轮胎上作用侧向力,13,FY,第二节 轮胎的侧偏特性,2）在弹性轮胎上作用侧向力,车轮滚动,14,第二节 轮胎的侧偏特性,侧偏角 Slip angle 轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角。,u,15,0,X,Y,FY,侧偏力为正时， 产生负侧偏角。,u,-,+,第二节 轮胎的侧偏特性,2.侧偏现象 tyre slipping,当车轮有侧向弹性时，即使FY没有达到侧向附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。,侧

8、偏角 slip angle 轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角。,u,第五节 制动性,一、评价指标和若干定义 三个指标： P104 （基本不考虑抗衰退问题） 制动强度、附着率（同P105）和制动效率 附着率是为了实现某制动强度而对地面提出的最低要求，附着率不可能小于制动强度，越小越好。 制动效率就是制动强度与附着率的比例，反映对地面附着能力的利用程度，越大越好。,二、直线制动动力学分析理想制动力分配曲线 这里的制动力指的是制动器制动力，该曲线就是汽车理论的I曲线。 理想：前后轮都（同时）达到最大制动强度，即附着系数。（由P111可知，也就是同时抱死。） 思路：给定某种路面附着系数，全部车轮

9、的制动强度都达到该值，即整车总制动力为FZ，可以算出前后轮的法向载荷； 前轮法向载荷乘以路面附着系数，就是前轮的理论制动力；后轮亦然。 所以，可以将前后轮的制动力分配看做附着系数（也就是制动强度）的函数，如图5-25；如果消去制动强度，则可得到前后轮制动力之间的函数关系，如式（5-54）。,制动过程的三种可能,1）前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑：稳定工况，但丧失转向能力，附着条件没有充分利用。P107 2）后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑：后轴可能出现侧滑，不稳定工况，附着条件没有充分利用。 3）前、后轮同时抱死拖滑：可以避免后轴侧滑，附着条件利用较好（在较大制动强度下才失去转向）。,前、后

10、制动器制动力的比例关系，将影响制动时前后轮的抱死顺序，从而影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件利用程度。,三、制动稳定性分析,四、转弯制动动力学分析 制动效率的验算 P107 示例 思路：（P109110） 制动转弯时，给定侧向加速度和各轮制动力； 由侧向加速度、纵向减速度以及车身侧倾（与悬架有关），算出各车轮垂直载荷； 各车轮的侧向力与垂直载荷成正比； 由侧向力与纵向力的关系（摩擦椭圆）推算出各轮纵向力； 侧向力与纵向力的合力，除以垂直载荷，得到附着率； 计算制动效率,五、制动力控制系统 三种类型 P110 基本出发点：实际制动力变化追踪理想曲线，但是不能高于理想曲线，避免后轮先抱死；（也不

11、能过低，否则前轮抱死过早，制动效率差；）最理想的则是采用ABS，追求各车轮的制动力和侧向力最优化配置。,20,要点总结,从I曲线、线、f线组和r线组的关系来看，我们希望线在I曲线下方，避免后轮先抱死造成侧滑；同时希望线尽量接近I曲线，也就是前轮不要过早抱死，以提高对路面附着能力的利用率，提高制动效能。,从利用附着系数-制动强度关系来看，我们希望前轮的利用附着系数曲线在45线上方，以确保前轮先抱死；同时尽量接近45线，以提高地面附着能力的利用程度。,而从制动效率的角度，我们希望有意义的是前轮制动效率，而且在不同附着系数的路面上该效率都尽可能接近100%。,而在本节限定条件内，“理想”的是前后轮同

12、时抱死，这样不会发生侧滑，地面附着条件利用的也最充分。 当然，真正“理想”的制动工况应该是有ABS（制动防抱死）装置。,第六章 纵向动力学控制系统,第一节 防抱死制动系统,一、概述 如图6-1所示，车轮抱死时，制动力下降，更重要的是侧向力大幅下降（趋近于0），车辆的制动效能和制动时的方向稳定性不佳。 而如果能将滑动率控制在某范围（一般在1520%左右），可以达到理想的效果。 “自调节”P114,二、控制目标 由上可知，可选取滑动率作为控制目标。但事实上考虑到测取的难易问题，通常取车轮的角减速度和相对滑移率（或车辆减速度）作为控制目标。,三、控制过程 “模拟点刹”,四、控制策略 三种，可有优劣。

13、,第二节 驱动力控制系统,一、概述 历史发展 P120,二、基本原理和控制目标 类似ABS,三、控制方式 比ABS更灵活、更复杂,第三节 车辆稳定性控制系统,一、概述 VSC（可见课件P2）可以视作ABS和TCS的升级。 简要区别：ABS和TCS仅停留在某车轮层面，追求的是车轮的受力或滑动率最优化；而VSC则对整车的运动姿态（如横摆角速度）进行检测，以车轮纵向力的手段实现整车运动的理想化。,二、系统组成和工作原理 相对于ABS和TCS，VSC增加了YSC。 根据当前车速和驾驶员的操作，计算出理论横摆角速度，对实际车辆行驶状况进行干预。,三、控制方式（与控制目标）,第七章 动力传动系统的振动分析

14、,危害 对策：降低与躲避,第一节 扭振系统的激振源 内燃机是最主要的振源，最主要的激振谐分量是最低阶主谐量。,第二节 扭振系统模型与分析 一、力学模型 惯量与刚度，忽略阻尼 二、力学方程 扭转系统的牛顿第二定律 三、固有频率与振型分析 节点阵型 四、发动机临界转速,第三节 动力传动系统的减振措施两个措施+两个实例,第二篇 行驶动力学 第八章 路面输入及其模型 第一节 路面测量技术及数据处理,功率谱密度,第二节 路面输入模型,一、频域模型 空间频率的谱密度 式（8-3） 路面不平度系数G0 时间频率的谱密度 式（8-5） 利用谱密度信息重新构建路面的时间域（空间域）描述,第三节 特殊路面输入,1.稳态和瞬态的定义。P11 2.完整约束与非完整约束的定义。P19 3.用文字简述车轮滚动阻力的组成。P50 4.如何测试轮胎的非滚动动刚度？P59 5.轮胎的“摩擦椭圆”理论的内容是什么？P65-66 6.简述汽车的空气阻力的构成。P83 7.为什么有些汽车