汽车系统动力学-kejian

汽车系统动力学河北工业大学机械学院车辆工程系武一民第一章概述§1.1汽车系统动力学的发展概况汽车系统动力学是近代发展起来的一门新兴学科，大约有100多年的历史。汽车动力学最早是研究车辆行驶的振动分析，20世纪30年代，英国的Lanchester、美国的Olley、法国的Broulhiet开始了有关汽车转向、稳定性、悬架方面的研究。对学科发展卓越影响的人物是美国卡迪拉克公司的Olley，1932年，他建立了“K2”实验台，研究悬架匹配及轴距对汽车的影响，得到前悬要软于后悬的结论。在50年代，人们建立了较为完整的汽车操纵和转向动力学的基础理论体系，其中德国的Milliken出版《汽车动力学》标志着汽车动力学的成熟。第一章概述动力学的发展过程分为三个阶段：阶段一（20世纪30年代）1.对车辆动态性能的经验性的观察2.开始注意到车轮摆振的问题3.认识到车辆舒适性是车辆性能的一个重要方面阶段二（30年代—50年代）1.了解了简单的轮胎力学，给出了轮胎侧偏角的定义2.定义不足转向和过度转向3.建立了简单的两自由度操纵动力学方程4.开展了行驶平顺性研究，建立了K2实验台，5.引入前独立悬架第一章概述随后几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在产品中的重要作用。随着计算机技术的发展ADMAS,ABS,TCS(驱动力控制),ASR,VDC(动力学控制),4WS,PPS(液压助力),阶段三（1952年以后）1.通过试验结果和建模，加深了对轮胎特性的了解2.在两自由度操纵模型的基础上，建立了包括侧倾的三自由度操纵动力学方程3.扩展了对操纵动力学的分析，包括稳定性和转向响应特性分析4.开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测第一章概述§1.2汽车系统动力学的研究内容1.定义：汽车系统动力学就是把汽车看作是一个动态系统，对其行为进行研究，讨论其数学模型和响应。2.目的：是研究汽车受的力及其与汽车运动之间的相互关系，找出汽车主要性能的内在规律和联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据3.重要性：①阐述汽车运动规律的理论基础②汽车动态设计的必要手段③当今汽车技术发展的四大主题都与汽车动力学密切相关安全、节能、降低污染、舒适4.内容：研究内容范围很广，包括车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有车辆垂向和横向动力学内容。及行驶动力学和操纵动力学。行驶动力学研究路面不平激励，悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰运动；操纵动力学研究车辆的操纵稳定性，主要是轮胎侧向力有关，引起的车辆侧滑、横摆、和侧倾运动。①纵向动力学驱动力，行驶阻力，制动力，ABS,CTS②行驶动力学汽车舒适性内容，1/4车，整车建模分析③操纵动力学车辆转向特性，稳定裕度：bKr-aKf50年代，随着科技的发展，控制论，系统论理论体系的建立，人们的思想有了质的飞跃，系统的观点引入汽车产生了汽车系统动力学。此时把汽车看作为系统，系统中，汽车对人产生影响，人对汽车产生作用。人-车-路作为一个系统看待，汽车系统动力学产生分支，可分为：汽车地面力学、汽车轮胎力学、汽车空气动力学、汽车操纵动力学、人机工程学。80年代国际上成立了车辆系统动力学学会（VehicleSystemDynamics，简称VSD），总部设在荷兰，定期出版刊物《VehicleSystemDynamics》并举行学术年会，发表了大量的最新研究成果，使汽车动力学的研究发展到一个崭新的阶段。VehicleSystemDynamics5.发展趋势：车辆动力学研究由被动元件设计转变为采用主动控制来改变车辆动态性能。随着多体动力学的发展及计算机技术的发展，使汽车系统动力学成为汽车CAE技术的重要组成部分，并逐渐朝着与电子和液压控制、有限元分析技术集成的方向发展。一、车辆主动控制车辆控制系统的构成都将包括三大组成部分，即控制算法、传感器技术和执行机构的开发。而控制系统的关键，控制律则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合。二、多体系统动力学MX=F动力学分析软件三、“人—车—路”闭环系统和主观与客观的评价对操纵动力学进行璧还控制研究，研究驾驶员模型§1.3汽车系统动力学的研究方法和理论基础1.研究方法把实际问题抽象并转化为简化的模型，即建模。①物理模型：物理本质相同，形状尺寸有别模型的分类：②力学模型：经过简化后的物体实际受力模型③数学等效模型：动态行为的数学形式是相同的，可用等效的常系数微分方程来描述数学模型有理论建模和试验建模两类：a.理论建模是指从机械结构的设计图样出发，作出必要的假定和简化，根据力学原理建模。系统分析法理论方法：状态空间法健合图法b.试验建模包括系统识别和参数识别。模态分析法参数识别法c.计算机方法：有限元法；多体动力学法2.理论基础①力学体系：牛顿定律，达朗贝尔原理，动量定理，动量矩定理，拉格朗日方程，虚功原理②线性系统理论和现代控制系统理论实验方法:汽车动力学参考书目[苏]E.A.曲达可夫，《汽车理论》龙门联合书局，1954[德]M.米奇克，《汽车动力学》，人民交通出版社，1992[中]余志生，《汽车理论》，机械工业出版社，1982[中]郭孔辉，《汽车操纵动力学》，吉林科学技术出版社，1991[加]黄祖录，《地面车辆原理》，机械工业出版社，1985[日]小林明，《汽车力学》，机械工业出版社，1982[美]ThomasD.Gillespie.，《Fundamentalsofvehicledynamics》，SAE，1992[德]H-P威鲁麦特著，《车辆动力学模拟及其方法》，北京理工大学出版社，1998年[中]喻凡、《车辆动力学及其控制》，人民交通出版社，2004年[中]雷雨成，《车辆系统动力学及仿真》同济大学出版社，2001第二章建模方法及汽车模型当汽车作为一个自然界的实体来观察时，它是一个连续性的振动系统。这个系统有许多在三维空间无数自由度的单个部件组成。所以在进行汽车动力学时，通常先将实体模型简化成不可变形、有一定质量和惯性矩的刚体，其间连着弹簧和减震器。通过转化使汽车实际系统被由多个质量块、弹性体和阻尼组成的理想系统所代替，而保留了系统的基本特征。这样就能够计算很复杂的系统。根据上述的简化处理和分析作出研究系统相应的力学模型，由相应的力学理论基础建立研究系统的数学模型。根据系统的数学模型，在获知系统参数的情况下对系统进行仿真、模拟计算分析。计算和研究的目的是研究系统的固有动态特性（自由振动）和受迫振动特性（频率响应特性）。模拟计算分析包括两个方面：①解析分析：利用工程数学方法并辅以相应的程序计算②仿真分析：利用CAD实体模型用动态仿真软件—虚拟仿真技术通常在计算分析中系统参数数据的获取方法：实测法：利用相关仪器测量参数传统计算法：根据几何尺寸确定参数（如质量、惯性矩、弹性系数减振系数）§2.1汽车常用简化模型分析通常在进行汽车建模分析时，把汽车分成三个部分考虑：车身、车架、车桥。汽车的部件看成刚体，且质量集中于质心位置。由于汽车沿纵向平面看横向布置几乎是对称的，因此可以把汽车沿纵向平面分开成为1/2汽车模型。对车身质量由悬挂质量分配系数ε进行分配，当ε接近于1时，汽车前、后轴上方车身部分的集中质量的垂向运动是相互独立的，这样汽车的1/2模型就可以分解成汽车的1/4模型。1.单自由度系统假设汽车等速直线行驶，只考虑车身垂直方向一个自由度Z悬架可简化成图2-1模型方程：2.两自由度系统模型a、考虑Z方向上的振动及绕Y轴的俯仰运动，此为研究汽车点头时模型。例如图,若车身质量M=1500kg,回转半径=1.1m，L1=1.5m，L2=1.6m，Ks1=36kN/m，Ks2=39kN/m，试确定车辆质心的铅垂运动及绕质心的俯仰运动的主频率和主振型。解：取质心相对于静平衡位置的坐标x及车体绕质心的转角坐标系为两个广义坐标。由达朗伯原理建立如下方程：2ac002221112211LLZKLLZKILZKLZKZMsscss002221112211LLZKLLZKILZKLZKZMsscss或写为（1）设：代入方程（1）得（2）带入数据得：（IC=M）频率方程为：=0002211222211221121ZLKLKLKLKILKLKZKKZMsssscsssstttZtZcoscos0180840181584000840075000150022ZZ00222121222112211212LKLKIZLKLKLKLKZKKMsscssssss1808401815840084007500150022c即：则求得固有频率为：由方程（2）得：则第一阶固有振型第二阶固有振型044.13492385.4077225.224sradsrad/0077.102/0344.712122211ssssKKMLKLKZr8359.101/0344.71)1()1(Zrsrad；1117.02/0077.102)2()2(Zrsrad；b、考虑轮胎非簧载质量对汽车的影响时，可简化成模型2b，对车轮橡胶结构阻尼迟滞用，所以只考虑轮胎刚度，忽略阻尼。此模型为车1/4模型2b3.四自由度系统如果考虑车桥对车身的影响，此时将以上两个两自由度系统结合便成为四自由度系统模型。此模型为62年吉林工业大学建立的力学模型，该模型考虑了汽车前后轮对车身振动的影响，描述系统运动的最少独立坐标个数为4。4.五自由度模型70年代提出此模型，加了人椅系统形成了5自由度模型，其中减振环节有轮胎、悬架、座椅等部件。对于人体模型，我们一般看成为一质量块，但在人体模型的研究中，可把人头、胸腔、腿部等看成质量块，而把脖颈、腹部等看成弹性，使人体模型变成E型模型。如考虑多自由度的人体模型，5自由度模型又可变为7自由度模型。5.六自由度模型通常在考虑发动机振动对整车的振动影响时，用此模型。此时，假设车架为刚体，发动机悬置于车架上，发动机作为空间缸体，存在着X、Y、Z三个方向的平动和绕三个坐标轴的转动，共计为六个自由度。发动机的橡胶垫，被看作为具有阻尼和刚度的结合体。发动机整个刚体的固有频率应避开发动机的怠速激励频率，并与车架的固有频率尽量不要重合。6.非独立悬挂整车七自由度模型此模型由吉林工业大学宋传学老师建立，七个自由度分别为：车身的垂直运动Z3，车身的侧倾运动，车身的俯仰运动，前、后轮的侧倾运动、，前、后轮的垂直运动Z1、Z2，7.整车十自由度模型如果以上七自由度模型考虑座椅及人体模型，将会变成10自由度模型。x8.十三自由度模型对一个非独立悬架的车辆，如果我们考虑发动机三个自由度，车身三个自由度，座椅三个自由度，非簧载质量4个自由度，此时可得到13个自由度模型。§2.2汽车系统建模应用实例我们以考虑座椅垂直振动的5自由度模型为例，一：力学模型如图二：数学模型按照各部件的受力状况，建立方程如下：1如上图，列方程：0000000003214333322221321321XXXKKKKKKKKKKXXXmmm第三章汽车空气动力学§3.1概述汽车空气动力学：汽车在路面上行驶时，除受路面作用力外，还受周围气流对它作用的各种力和力矩，研究这些力的特性及对汽车所产生的影响的学科称汽车空气动力学。1.气动力主要包括：迎面阻力、升力、侧向力，及这些力形成的俯仰力矩，侧倾力矩和横摆力矩。大小与车速的平方成正比。2.气动阻力主要包括：形状阻力、诱导阻力、摩擦阻力、干扰阻力、内循环阻力。这些阻力在气动阻力中作战的比例如下：形状阻力占55%，诱导阻力占8，摩擦阻力占10%，干扰阻力占18%，内循环