汽车动力学学习总结

汽车动力学学习总结严格地说，车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科。它涉及的范围很广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应（如发动机、传动、加速、制动、防抱死和牵引力控制系统等方面的因素）外，还有车辆在垂向和横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学和操纵动力学。行驶动力学主要研究由路面的不平激励，通过悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的运动；而操纵动力学研究车辆的操纵性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引起车辆侧滑、横摆和侧倾运动。1轮胎动力学轮胎是车辆重要的组成部分，直接与地面接触。其作用是支承整车的重量，与悬架共同缓冲来自路面的不平度激励，以保证车辆具有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性；保证车轮和路面具有良好的附着性，以提高车辆驱动性、制动性和通过性，并为车辆提供充分的转向力。所以轮胎动力学的研究对于整车动力学研究具有重要意义。轮胎的结构特性很大程度上影响了轮胎的物理特性。所以轮胎模型的建立对于车辆轮胎动力学特性的研究具有重大影响。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，轮胎模型在特定工作条件下的输入量有纵向滑动率s侧偏角α径向变形ρ车轮外倾角γ车轮转速ω转偏率φ而输出量为纵向力𝐹𝑥侧向力𝐹𝑦法向力𝐹𝑧侧向力矩𝑀𝑥滚动阻力矩𝑀𝑦回正力矩𝑀z根据车辆动力学研究内容不同，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滚动的车轮产生的所有阻力为车轮滚动阻力，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。其中车轮滚动阻力包括弹性迟滞阻力、摩擦阻力和风扇效应阻力；由不平路面、塑性路面和湿路面的道路情况引起的阻力成为道路阻力；侧向载荷和车轮定位引起的侧偏阻力。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。影响轮胎侧向力的三个重要的因素是侧偏角、垂向载荷和车轮外倾角。侧偏角由轮胎的运行条件决定，它取决于车辆前进速度、侧向速度、横摆角速度和转向角。轮胎的垂向载荷静态值由车辆质量分布决定，但随着载荷在纵向和侧向的重新分配，轮胎的垂向载荷会发生变化。车轮外倾角由转向角和通过悬架杆系作用的车身侧倾所决定。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）轮胎的缓冲作用与轮胎的弹性有关，在法相载荷下，轮胎会发生变形通常以轮胎所受载荷和变形的曲线来表示轮胎的刚度特性，根据轮胎的测试条件的不同，轮胎的垂向刚度有三种不同的定义，分别为：静刚度、非滚动刚度及滚动刚度。此外轮胎模型还可以分为经验模型和物理模型，在物理模型中又可以分为弦模型、梁模型等，在不同的场合中根据计算效率和计算精度选取不同的模型。2纵向动力学特性汽车的纵向动力学特性分析包括动力性、燃油经济性和制动性。车辆的动力性由加速能力、爬坡能力和最高车速衡量。汽车的驱动力-行驶阻力平衡方程为𝐹𝑡=𝐹𝑓+𝐹𝑖+𝐹𝑊+𝐹𝑗即𝑇tq𝑖𝑔𝑖0𝜂𝑇𝑟=𝐺𝑓+𝐺𝑖+𝐶𝐷𝐴21.15𝑢𝑎2+𝛿𝑚𝑑𝑢𝑑𝑡其中Ft为驱动力Ff为滚动阻力Fi为坡阻力FW为风阻Fj为加速阻力Ttq为发动机转矩ig为变速器传动比i0为主减速器传动比ηT为机械效率r为轮胎半径G为车重f为滚阻系数i为道路坡度CD为风阻系数A为迎风面积ua为当前车速δ为旋转质量换算系数m为整车质量可以通过汽车的驱动力行驶阻力方程看出汽车的动力性。汽车的燃油经济性主要以燃油消耗量来表示。在汽车设计上可以通过降低汽车行驶阻力，尽可能降低附属设备（如空调、动力转向、动力制动等）的能耗和几套传动效率等途径来提高汽车的燃油经济性。车辆的制动性主要通过制动效能、制动效能的稳定性以及制动时的方向稳定性来评价，在现代汽车控制中对制动时方向的稳定性进行了很多研究，例如ESP等的应用。3．行驶动力学1）路面输入模型大量路面测量文献表明，对于不同等级的路面，主要区别在于路面粗糙程度的不同，通常用路面不平度系数𝐺0来表示其粗糙程度。如果将一段平滑的路面的所有频谱成分的振幅均按一定比例增加，实际上就可形成一段粗糙的路面谱，这样，就可以方便的用一个通用的谱密度函数来大致表达不同粗糙程度的路面，以作为车辆系统的输入激励。2）行驶动力学模型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自由度；剩下的两个自由度表示独立悬架的两个后轮垂向运动，或表示非独立悬架中后轴的垂向跳动和侧倾转动。上述整车七自由度模型虽然对真实的车辆而言已经非常简化，并且还忽略了悬置发动机和驾驶员及座椅。但对于车辆基本行驶特性分析求解来说，七自由度模型还是有些复杂。还可以进一步简化而形成四自由度模型和两自由度模型，简化过程可分两点：在低频路面激励下，可以认为车辆的左右两个车轮轨迹输入具有较高的相关性，即认为左右输入基本一致。再考虑车辆的几何尺寸及质量分布通常左右对称，则可认为车辆左右两侧以完全相同的方式运动。在高频路面激励下，车辆所受的激励实际上大多只涉及到车轮跳动，对车身运动影响甚微，这样车身左右两边的运动就可以忽略。结合单轮车辆模型的运动方程对整车进行分析𝑚𝑤𝑧1=𝐾𝑡(𝑧0−𝑧1)−𝐾𝑠(𝑧1−𝑧2)−𝐶𝑠(𝑧1̇−𝑧2̇)̈𝑚𝑏𝑧2̈=𝐾𝑠(𝑧1−𝑧2)+𝐶𝑠(𝑧1̇−𝑧2̇)𝐾𝑠为悬架弹簧刚度；𝐾𝑡为轮胎等效刚度；𝐶𝑠为悬架阻尼系数通过分析可知，悬架系统各项性能要求相互冲突和矛盾，而车辆又被要求在各种不同的行驶工况下工作则可调减振和变刚度弹簧等技术逐渐运用在汽车悬架中，主动悬架的控制也逐渐在被研究。4操纵动力学作用于车辆的外力和外力矩有两种，即轮胎力和空气动力。当车辆在静止的空气中作直线运动时，主要受到空气阻力、升力和俯仰力矩的作用。由于这些力和力矩的作用，车辆前后轴的载荷将发生变化，从而影响车辆的操纵稳定性。而在这过程中，轮胎主要受到纵向、侧向以及垂向三个方向的力和力矩，轮胎的纵向力使车辆加速或减速，轮胎侧向力的作用是使车辆转弯，单个轮胎在转弯时会产生回正力矩并通过转向盘反馈给驾驶员。通过两自由度操纵模型的运动方程对车辆进行稳态响应分析、稳定性分析和频率响应分析。稳态响应分析是让车辆的前进速度和转向角度均为定值，从而使车辆以固定的转弯半径行驶。稳定性分析是指在直线行驶条件下，分析车辆持续受到的小干扰，如风的扰动或不平路面的激励，其偏离本身平衡状态的程度。频率响应分析是指车辆在转向角为正弦输入下的响应，它代表了车辆对转向盘输入的一般动态响应。车辆的操纵稳定性能很大程度上取决于前、后轮胎侧向力的平衡。因而，对任何一个有效的操纵动力学模型来说，都应尽可能地考虑影响轮胎侧向力及其平衡的相关因素。显然，其中最重要的因素是轮胎的侧偏刚度和车辆质心的纵向位置。随着车身侧倾转向效应的变化，车辆转向特性也不同程度上受其影响。对独立悬架而言无论是前桥还是后桥，悬架运动对于车轮转向角、车轮外倾角和轮胎接地印迹侧向位移的影响均很重要。驾驶员在通过转向盘操纵车辆行驶的过程中也会产生振动。一个是转向系统内部的振动，分为车辆前轴的侧倾振动和前轮绕主销的摆振。另外一个是系统外界的激振，其又分为周期性变化激励和偶然离散激励，转向系受到的周期性变化激励可以是由车轮不平衡质量引起的离心惯性力，也可以是由悬架与杆系运动关系不协调产生的激励。偶然离散激励是当车辆直线行驶时，可能受到的侧向阵风或车轮受到路面离散的侧向输入作用，这些偶然的离散激励都会引发车轮的偏转摆振。一种情况是，当外界激励消除后，若系统的阻尼足够大，振动会逐渐衰减，系统表现为通常的有阻尼自由振动。另外一种情况是，当外界激励消除后，振动并不衰减，相反却因此激发系统内部的某种周期性交变力，从而引起持续的振动。车辆在实际的行驶中，前轴侧倾振动和前轮摆振可能相互耦合，并对车辆的操纵稳定性产生很大的影响。总结无论是轮胎动力学、纵向动力学、行驶动力学还是操纵动力学，他们的研究都是在车辆系统几何模型的基础上根据其受力合理建立动力学模型进行分析。根据分析对由外界或内部激振引起的响应进行响应的处理，从而使车辆的动力性、经济性、平顺性和操纵稳定性等车辆性能指标的到提升。