3-汽车纵向动力学

2009-10-191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。2009-10-192主要内容第三章汽车纵向动力学一、汽车驱动力与行驶阻力二、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3.1驱动与制动动力学基础2009-10-193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。2009-10-194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：汽车前进方向tTtFrP作用在驱动轮上的转矩和驱动力分析受限于发动机功率的最大驱动力时首先要了解发动机的特性及其与传动系（发动机、传动系）的匹配。2009-10-195第三章汽车纵向动力学得到驱动力为：222])[(raIiIiIIriTFXwtdtftetftfet+++−=η一定转速下发动机的转矩发动机旋转零件转动惯量路面提供的附着力变速器旋转零件换算到其输入端的等效转动惯量变速器传动比车轮及半轴的转动惯量主传动比传动轴转动惯量变速器和驱动桥的总传动比车辆加速度传动效率eTeItFtItiwIfidItfiXatfη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”。2009-10-196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:2009-10-197第三章汽车纵向动力学(1)驱动转矩引起的横向载荷转移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。刚性驱动桥受力分析图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:02/)2/2/(=−++−+=∑dsyryrOTTt)(−=dT：为传动轴作用在驱动桥上的转矩sT：簧载质量经悬架作用于驱动桥的转矩2009-10-198第三章汽车纵向动力学上面方程中，与驱动力有关：dTftdirFT/=φφφφφφKKKTTTfrrsfss=+=+=而frφφφKKKtirFWffty＋=综合以上几式可得：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。2009-10-199第三章汽车纵向动力学右后轮垂直载荷为/2-，因此rWyWrrWφφKKtirFLhFLWaWftxrrr22−+=再根据差速器的特性，有⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+==φφμμKKtirFLhFLWbWFftxrrtr22如果坡度为零且无挂钩牵引力，一定加速度下的后桥垂直载荷为:Xa)(LhgaLaWWXr+=,LWaWr=hLagWWLWhmaxrrx⋅=Δ⇒Δ=2009-10-1910第三章汽车纵向动力学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：)/(maxhLWbFtμμ−=(2)附着极限从上式中求解得到其最终表达式，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：tFφφμμμKKtirLhLWbFftrmax21+−=2009-10-1911第三章汽车纵向动力学1.制动系统功能2.制动系统的评价指标三、汽车的制动性能—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。—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。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。2009-10-1912第三章汽车纵向动力学主要内容3.2纵向动力学运动方程一、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2009-10-1913第三章汽车纵向动力学一、SAE坐标系⑴x为汽车前进方向；⑵u、v、w为汽车前进、侧向和垂直方向的速度；⑶p、q、r分别为汽车侧倾、俯仰和横摆角速度。φ&=pxyzψγ&=wuυϕ&=qSAE坐标系2009-10-1914第三章汽车纵向动力学二、空间任一刚体的运动方程()()()∑∑∑=⋅+⋅−′=⋅+⋅−′=⋅+⋅−′zsysxsFpquwmFupwvmFqwumυγγυ∑∑∑=−−′=−−′=−−′zyxzyxzyxzyxMpqIIIMpIIqIMqIIpI)()()(γγγ2009-10-1915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()()()∑∑∑=⋅+⋅−′=⋅+⋅−′=⋅+⋅−′zsysxsFpquwmFupwvmFqwumυγγυ∑∑∑=−−′=−−′=−−′zyxzyxzyxzyxMpqIIIMpIIqIMqIIpI)()()(γγγγυqpwu√×√×√×()()∑∑∑=′=⋅−′=⋅+′yyzsxsMqIFquwmFqwumφ&=pxyzψγ&=wuυϕ&=q2009-10-1916主要内容第三章汽车纵向动力学一、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3.3简单的稳定性讨论2009-10-1917第三章汽车纵向动力学图3-3-1假设一辆汽车在干扰力作用下质心侧偏角为β。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。其中：一、制动，前轮抱死βHaHkF=即满足时，汽车才处于稳定状态aFbkpvHμ当βμβμaFaFbFpVpVaH≈⋅sin2009-10-1918第三章汽车纵向动力学图3-3-2二、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βμβμaFaFbFpVpVaH≈⋅sin当βμβμbFbFaFPHPHaV≈⋅sin其中：βVaVkF=即满足时，汽车才处于稳定状态bFakPHVμ2009-10-1919第三章汽车纵向动力学三、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。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。2009-10-1920主要内容第三章汽车纵向动力学一、概述二、控制系统的控制原理三、ABS和ASR的比较3.4汽车防滑电子控制系统2009-10-19212.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（TractionControlSystem）,简称TCS。一、概述怎么不动了？1第三章汽车纵向动力学、比较一下2请看！1.制动防抱死系统（Anti-lockBrakeSystem）,简称ABS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。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。这是常出现的情形1、22009-10-1922第三章汽车纵向动力学（一）ABS的基本工作原理防抱死控制循环与轮速变化图③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，直至车辆完全停止为止。1.制动力矩的调节过程①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。②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。二、控制系统的控制原理工作原理过程请看动画吧！2009-10-1923第三章汽车纵向动力学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vR/1ωλ−=定义滑动率为：当时，Tλλ≤λμμμTH=当时，Tλλ)1()()(TGHTGHλλμμλμμμ−−−−=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：2009-10-1924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：zbbbbFFFvmRFTI)(λμω=−=+−=&&制动力矩可表示为制动缸压力函数:——制动效能因数；——随时间而变的制动缸压力，MPa；fK)(tp)(ftpKTb=2009-10-1925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：vwsilpωω−=1滑移率RVVv=ω根据车速计算出的车轮角速度1）分析：2009-10-1926第三章汽车纵向动力学zbbbbFFFvmRFTI)(λμω=−=+−=&&)(ftpKTb=g=9.8;v0=60/3.6;Rr=0.38;Kf=1;m=50;PBmax=1500;TB=0.01;I=0.45;mgslipmFb)(μ=mFvb/−=&2）建立数学模型1100)(+•=STBsG液压系统滞后环节2009-10-1927第三章汽车纵向动力学2）Simulink仿真模型2009-10-1928有ABS作用无ABS作用怎么样一清二楚了吧！第三章汽车纵向动力学2009-10-1929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：①发动机的输出转矩②变速器传动比③差速器锁紧系数节气门开度点火提前角燃油喷射量中断燃油喷射和点火常用很少采用2009-10-1930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