汽车纵向动力学
车辆系统动力学复习重点
车辆系统动⼒学复习重点1.系统动⼒学研究内容及发展趋势研究内容长期以来，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.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：主要是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辆的运动。
操纵动⼒学：主要研究车辆的操纵特性，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。
操纵动⼒学的研究范围分为三个区域：线性域：侧向加速度越⼩于0.4kg时，通常意味着车辆在⾼附着路⾯做⼩转向运动；⾮线性域：在超过线性域且⼩于极限侧向加速度（约为0.8kg）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。
发展趋势：（1）车辆主动控制：ABS,TCS等逐步向车⾝侧倾控制，可切换阻尼的半主动悬架和四轮底盘控制系统的集成，转向等当⾯扩展。
通过控制算法、传感器技术和执⾏机构的开发实现的⾃动调节。
（2）车辆多体运动动⼒学：车辆的多刚体模型逐步向多柔体模型发型。
可以准确分析虚拟样机的性能，检查虚拟样机的缺陷从⽽缩短产品的设计周期，节约试制费⽤，同时提⾼物理样机与最终产品之间的相似性。
（3）“⼈—车—路”闭环系统：充分考虑驾驶员模型以及车辆本⾝的⼀些动⼒学问题来提⾼汽车稳定性。
2.轮胎滚动阻⼒概念及其分类：概念：当充⽓的轮胎在理想路⾯（通常指平坦的⼲、硬路⾯）上直线滚动时，其外缘中⼼对称⾯与车轮滚动⽅向⼀致，所受到的滚动⽅向相反的阻⼒。
分类：弹性迟滞阻⼒、摩擦阻⼒和风扇效应阻⼒。
3.什么是滚动阻⼒系数？影响因素有哪些？其值等于相应载荷作⽤下滚动阻⼒F R与车轮垂直载荷F X的⽐值。
影响因素：车轮载荷（反⽐）、胎压（反⽐）、车速（正⽐，先缓慢增加，再明显增加）、轮胎的结构设计、嵌⼊材料和橡胶混合物的选⽤。
汽车系统动力学第五章 纵向动力学概述
第五章纵向动力学性能分析除空调等附属设备的能耗需求外，行驶过程中车辆所需的动力与能量由行驶阻力所决定。
本章将在分析动力需求与动力供应的基础上，分析车辆的纵向动力学特性，包括动力性、燃油经济性和制动性。
此外，还将讨论与路面附着条件相关的驱动和制动极限问题，最后进行制动稳定性的分析。
§5-1 动力的需求与供应本节首先介绍车辆的行驶阻力，然后分析车辆对动力的需求及供应，最后给出车辆的动力供求平衡方程。
一、车辆对动力的需求这里介绍的车辆行驶阻力，实际上代表了车辆对动力的需求。
按行驶状态的不同，车辆行驶阻力可分为稳态匀速行驶状态下的阻力和瞬态加速时的阻力两部分。
前者包括车轮滚动阻力、空气阻力和坡度阻力；后者主要是指加速阻力。
二、车辆的动力供应§5-2 动力性一、概述车辆的动力性由加速能力、爬坡能力和最高车速来衡量，也可通过对特定行驶工况下车辆动力需求与动力供应之间的比较来评定，而供求双方的平衡关系则由驱动轮轮胎与地面间的相互作用所决定。
评价车辆动力性时，通常采用“驱动力平衡图”或“驱动功率平衡图”进行分析。
三、加速能力§5-3 燃油经济性目前，大多数车辆采用内燃机作为发动机，其经济性主要以燃油消耗量表示。
一、燃油消耗量的计算根据初始的车辆设计参数，在车辆开发初期即可进行其燃油经济性理论上的估计，从而方便地在车辆设计阶段进行设计参数的修正。
二、减少油耗的途径减少燃油消耗量的途径：1)交通管理因素：包括交通管理系统、信号灯控制系统、驾驶员培训等因素，实际上均影响了车辆的行驶速度。
2)车辆行驶阻力因素：在保证汽车安全性、人机工程、经济性和舒适性的同时，尽可能降低车辆行驶阻力，如减小整车质量、轮胎滚动阻力系数、空气阻力系数和迎风面积等。
3)尽可能地降低附属设备(如空调、动力转向、动力制动等)的能耗。
4)提高传动系效率，使发动机功率要尽可能多地传递到驱动轮上。
§5-4 驱动与附着极限和驱动效率第三章中对单个轮胎与地面附着极限问题已有介绍，本节将在整车受力分析的基础上，详细讨论整车驱动与附着极限。
6汽车系统动力学-纵向动力学控制系统
（a）霍尔元件磁场较弱 （b）霍尔元件磁场较强 图 霍尔式车轮转速传感器 1—霍尔元件；2—永久磁铁；3-齿圈
20
6.1防抱死制动控制系统
霍尔元件输出的是毫伏级的准正弦波电压，通过电子电路转 换成标准的脉冲电压输出信号，电压幅值为 7V～14V，如图所示。
图
霍尔式车轮转速传感器电压波形
霍尔车轮转速传感器具有以下优点：输出信号电压幅值不受转 速的影响；频率响应高，其响应频率高达20 kHz，相当于车速为 1000km／h时所检测的信号频率；抗电磁干扰能力强。
26
6.2驱动力控制系统 基本原理和控制目标
■TCS(Bosch公司ASR)是在ABS基础上发展起来的主动安全系统
27
6.2驱动力控制系统
汽车牵引力控制系统的作用 汽车牵引力控制系统（Traction control System，TCS。也称 TRC）是继防抱死制动系统之后应用于车轮防滑的电子控制系统， 其功用是防止汽车在起步、加速时和在滑溜路面行驶时的驱动轮 滑转。故有些汽车公司也将该技术称为驱动防滑系统 (Acceleration Slip Regulation, ASR)。 当车轮转动而车身不动或是汽车的速度低于转动车轮的轮缘速 度时，轮胎与地面之间就有相对的滑动，这种滑动称为“滑转”。 汽车防滑控制系统可以在车轮出现滑转时，通过对滑转车轮 施以制动力或控制发动机的动力输出来抑制车轮的滑转，以避免 汽车牵引力和行驶稳定性下降。
2
6.1防抱死制动控制系统 控制目标
——由于前轮抱死，车辆失去转向能力；而
后轮抱死属于不稳定工况，易引起车辆急速 摔尾的危险。
——制动力通常在滑移率为某一特定值附近
达到最大值，因而将该滑移率值认为是最佳 滑移率，并作为ABS的控制目标。 ——由于车轮的滑移率不易直接测得，因此 必须采用其他参数作为ABS的控制目标参数。
单轮对纵向动力学数值分析
单轮对纵向动力学数值分析严晓明，罗世辉，马卫华（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都６１００３１）摘要：轮对的纵向振动会影响机车车辆动力学性能，而且是轮轨非正常磨耗的一个重要因素。
但是机车车辆动力学研究中，对轮对的纵向动力学特点的研究往往被忽略。
文章建立了一个包括ｘ方向的运动、轮对的摇头、点头扰动和轮对的横移的４自由度单轮对计算模型，并对该模型进行数值仿真，研究其纵向振动现象。
最后讨论了系统参数对纵向动力学行为的影响，认为一系纵向刚度、轴重和黏着系数对纵向振动影响很大。
关键词：轮对；纵向振动；数值仿真；动力学；参数；影响中图分类号：Ｕ２６０．３３１＋．１文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－１１８７（２００５）０６－００２２－０３ＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｓｉｎｇｌｅｗｈｅｅｌｓｅｔＹＡＮＸｉａｏ－ｍｉｎｇ，ＬＵＯＳｈｉ－ｈｕｉ，ＭＡＷｅｉ－ｈｕａ（ＴｒａｃｔｉｏｎＰｏｗｅｒＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｅｆｆｅｃｔｓｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒａｉｌｗａｙｖｅｈｉｃｌｅ，ａｎｄｉｔｍａｙｂｅｃａｕｓｅａｂｎｏｒｍａｌｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌｃｏｎｔａｃｔｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｂｌｅｍ．Ｂｕｔｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｙｎａｍｉｃｓｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｉｓｏｆｔｅｎｎｅｇｌｅｃｔｅｄｗｈｉｌｅｃａｒｒｙｉｎｇｏｕｔｒａｉｌｗａｙｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｎｇｌｅｗｈｅｅｌｓｅｔｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｙａｗ，ｐｉｔｃｈａｎｄｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓｓｅｔｕｐｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｍｏｄｅｌｉｓｄｏｎｅ，ａｎｄｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｈｉｇｈｌｙｂｙｐｒｉｍａｒｙｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ａｘｌｅ－ｌｏａｄａｎｄｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｈｅｅｌｓｅｔ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ电力机车与城轨车辆ＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆ＭａｓｓＴｒａｎｓｉｔＶｅｈｉｃｌｅｓ第２８卷第６期２００５年１１月２０日Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２０ｔｈ，２００５收稿日期：２００５－０６－１３作者简介：严晓明（１９８０－），男，在读硕士研究生，研究方向为机车、城轨车辆动力学理论仿真及应用。
3 汽车纵向动力学解析
u x
& p=φ
w z
γ=ψ &
x y
υ
y q=ϕ &
z
∑M I q′ − ( I − I ) pγ = ∑ M I γ ′ − (I − I ) pq = ∑ M
I x p′ − ( I y − I z )qγ =
y z x y
x y
∑ Fx )= z m s(w′ − u ⋅ q ) = ∑ F
y q =ϕ &
SAE坐标系
13
第三章
汽车纵向动力学
二、空间任一刚体的运动方程
ms (u′−υ⋅γ + w⋅q) = ms ms
∑F (v′−w⋅ p+u⋅γ ) = ∑F (w′−u⋅q+υ ⋅ p) = ∑F
z x
x y z
∑M I q ′ − ( I − I ) pγ = ∑ M I γ ′ − (I − I ) pq = ∑ M
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第三章
汽车纵向动力学
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。 (1) 驱动转矩引起的横向载荷转移 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:
∑T O = ( W
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:
应用于汽车主动避撞系统的车辆纵向动力学模型
中图分类号D8 (C*A+ 文 章 编 号 D$%%%&%%’(-*%%(.%*&%*’B&%(
文 献 标 识 码 DH
TUVWXYUYZ[\W]^_W[‘Y_a[‘bWXbZ_UY cZdeUVWXYUXZYYWfWZ[‘eZW_‘[XUfaf]Ubf
ghijklmn=oph qkrs=tuvkwxmrs=tupyzxmn{xr
+A+ 发动机模型 +A+A+ 理论模型
四冲程直喷式汽油机结构如图 *所示K此发动
收 稿 日 期 D*%%+&%’&*+ 基金项目D国家 E十五F科技攻关项目 -*%%*GH(%(H*$. 作 者 简 介 D侯 德 藻 -$IJ’&.=男 -汉 .=山 东 =博 士 研 究 生 K
L&M72@D5NO%%P M72@1AQ1234567A<N6A:3 通 讯 联 系 人 D李 克 强 =教 授 =L&M72@D@2RSP Q1234567A<N6A:3
延时 /&0和从点火到力矩产生的时间延时 /102进气歧
管的进气流量 %&’可用以下公式表示
%3&’4 %5&67897:;<#
=>?
其 中$%5&6表 示 最 大 进 气 流 量#对 于 一 定 结 构 的 发
动 机 来 说 是 一 常 数.789是 节 气 门 流 体 动 力 学 特 性
对 于 进 气 流 量 的 影 响 函 数.7:;<是 节 气 门 前 后 气 体
-清华大学 汽车工程系=汽车安全与节能国家重点实验室=北京 $%%%B(.
3汽车纵向动力学解析
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 汽车前进方向
上时，驱动轮将相对地面转动或具有转
Tt
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：
r
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
P
(1) 驱动转矩引起的横向载荷转移 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:
∑TO = (Wr / 2 + Wy ? Wr / 2 + Wy )t / 2 + Ts ? Td = 0
即 Wy = (Td ? Ts ) / t
Td ：为传动轴作用在驱动桥上的转矩
T s ：簧载质量经悬架作用于驱动桥的
转矩
刚性驱动桥受力分析图
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7
第三章 汽车纵向动力学
上面方程中，Td 与驱动力有关： Td = Ft r / i f
而 Ts = Ts f + Tsr = Kφ r φ + Kφ f φ = Kφ φ
综合以上几式可得： Wy = Ft r Kφ f i f t Kφ r＋Kφ f
要 二、 汽车的加速性能
内
1. 驱动转矩引起的横向载荷转移
2. 附着极限
容
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
2009-10-19
2
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。
汽车纵向动力学研究综述
Internal Combustion Engine&Parts・23・汽车纵向动力学研究综述Research Progress of Automobile Longitudinal Dynamics于旺YU Wang(沈阳理工大学汽车与交通学院车辆工程专业，沈阳110159)(Vehicle Engineering,School of Automobile and Transportation,Shenyang University of Technology,Shenyang110159,China)摘要:随着汽车工业的发展,汽车纵向动力学研究不断加深,汽车在道路上行驶,就会存在驱动、制动、滑移等纵向动力学方面的问题。
针对这一问题的研究,人们提出了汽车纵向动力学的概念。
汽车纵向动力学的研究主要包括:汽车制动动力学、汽车防抱死系统、汽车驱动防滑系统、汽车自适应巡航系统、汽车自动刹车系统。
本文将主要介绍汽车纵向动力学控制系统组成和原理、汽车制动动力学控制系统的研究进展、汽车防抱死系统的研究进展、汽车驱动防滑系统的研究进展、汽车自适应巡航控制系统的研究进展、汽车自动刹车辅助系统的研究进展。
Abstract:With the development of the automotive industry,the research on the longitudinal dynamics of automobiles has continued to deepen,and there are problems with longitudinal dynamics such as driving,braking,and slipping when the car is driving on the road.In view of this problem,people have proposed the concept of automobile longitudinal dynamics.The research of automobile longitudinal dynamics mainly includes:automobile braking dynamics,automobile anti-lock braking system,automobile driving anti-skid system, automobile adaptive cruise system,automobile automatic braking system.This article will mainly introduce the composition and principle of automotive longitudinal dynamics control system,the research progress of automotive brake dynamics control system,the research progress of automotive anti-lock system,the research progress of automotive drive anti-skid system,the research of automotive adaptive cruise control system Progress,research progress of auto brake assist systems.关键词:汽车;纵向动力学;防抱死;驱动防滑;制动动力学；自适应巡航；自动刹车;系统Key words:automobile;longitudinal dynamics;anti-lock braking;driving anti-skid;braking dynamics;adaptive cruise;automatic braking;system中图分类号:U469.72文献标识码:A文章编号:1674-957X(2020)24-0023-020引言目前城市的发展和道路的优化设计极大地考验了汽车在道路上的行驶性能，要想在现有的道路上道路上提高交通流量并控制交通事故的发生，这就要求汽车设计者能在提高汽车安全行驶的车速和减小汽车与前后车之间的距离（但能有足够的安全距离）的同时能够保证汽车的各方面的稳定性能。
纵向动力学性能分析ppt
车
➢驱动力定义为地面作用于驱动轮胎接地印迹内纵向作
用力的的合力。
系
Fx M H / rd M eigi0t / rd
统
动 ➢车辆沿前进方向的动力供求平衡方程
力 学
M et igi0
rd
(imv
mc )ax
(iG
fR )(mv
mc
)
g
CD
A
a
2
u2
6
汽 概述 第二节 动力性
车
➢车辆动力性由加速能力、爬坡能力和最高车速来衡量。
➢根据pme和ne确定该工况的燃油消耗率be （g/(kw.h)）
17
汽 计算燃油消耗量
燃油消耗量的计算
车
➢单位时间的燃油消耗量
系
Btp be Pe / f
➢单位里程的燃油消耗量
统
Btr Btp / ua
动
➢对于循环行驶工况，须将过程划分成若干段稳定工况，分别计
力
算燃油消耗量，再求和。
➢若发动机处于不稳定工况，则只能求近似解。
30
汽 二、直线制动动力学分析
车
➢忽略坡度和空气对轴荷的影响，有
系
Fb maxb Fzs z
➢车辆制动时能得到的最大制动强度等于路面附着系数 统
动
zmax axb,max / g
➢为了在不同附着系数的路面上得到最好的制动效果，
力 需合理的分配前后轴制动力。
学 ➢理想制动强度与前轴制动力的关系
➢车辆总行驶阻力
车 系
FDem
(imv
mc )ax
(iG
fR )(mv
mc )g
CD A
a
2
u2
02第二章 汽车纵向动力学解析
du Fj m dt
δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动 系的传动比有关。 I i 2i 2 根据推导
1 I w 1 1＋ 2 m r m
f g 0
T
r2
若不知道准确的If、∑Iw值，也可按下述经验公式估算 δ值：
δ=1+δ1+δ2i2g
式中δ1≈δ2=0.03~0.05。 故，汽车的行驶方程式为： Ft=Ff+Fw+Fi+Fj
2 3 e e max
np
np np
发动机外特性曲线：发动机 节气门置于全开位置 发动机部分负荷特性曲线： 发动机节气门置于部分开启位 置 台架试验特性曲线：发动 机台架试验时所获得的曲线。 使用外特性曲线：带上全 部附件时的外特性。与台架试 验特性相差5~15%。
二、汽车动力性指标
从获取尽可能高的平均速度考虑，动力性指标有： 最高车速 加速时间 最大爬坡度
1.最高车速uamax
在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度（km/h）。
2.加速时间t
表示汽车的加速能力。常用：
原地起步加速时间：汽车以1档或2档起步，并以最大加速强度 换至最高档后达到某一距离（0 402.5m或0 400m）或车速 （0 96.6km/h或0 100km/h）所需要的时间（s）。
坡度阻力与坡度角度的换算
二、 加速阻力 汽车的质量分为平移的质量和旋转的质量两部 分。把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性 力，并以系数δ作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽 车质量换算系数， 因而汽车加速时的阻力: δ ——汽车旋转质量换算系数，（δ>1）； m ——汽车质量，单位为kg； du ——行驶加速度。 dt
汽车动力学学习总结精选全文
可编辑修改精选全文完整版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F x侧向力F y法向力F z侧向力矩M x滚动阻力矩M y 回正力矩M z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。
汽车系统动力学
《汽车系统动力学》教学大纲一、课程性质与任务1．课程性质：本课程是车辆工程专业的专业选修课。
2．课程任务：本课程要求学生学习和掌握车辆系统的主要行驶性能，如牵引性能、车辆的动态载荷、转向动力学等。
研究路面不平度激励的振动。
了解该领域世界发展及最新成果。
通过学习本课程，掌握汽车动力学分析的一般的理论和方法，为今后汽车系统动力学分析、从事该领域研究、开发奠定基础。
二、课程教学基本要求本课程是研究所有与汽车系统运动有关的学科，其内容可按车辆运动方向分为纵向、垂向和侧向动力学三大部分。
要求学生了解车辆动力学建模的基础理论、轮胎力学及汽车空气动力学基础之外，重点理解受汽车发动机、传动系统、制动系统影响的驱动动力学和制动动力学，以及行驶动力学(垂向)和操纵动力学(侧向)内容。
运用系统方法及现代控制理论，结合实例分析，介绍了车辆动力学模型的建立、计算机仿真、动态性能分析和控制器设计的方法，同时使学生对常用的车辆动力学分析软件有所了解。
成绩考核形式：末考成绩（闭卷考试）（70%）＋平时成绩（平时测验、作业、课堂提问、课堂讨论等）（30％）。
成绩评定采用百分制，60分为及格。
三、课程教学内容绪篇概论和基础理论第一章车辆动力学概述1.教学基本要求让学生了解车辆动力学的历史发展、研究内容和范围、车辆特性和设计方法、术语、标准和法规、发展趋势。
2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章教学使学生了解车辆动力学的历史发展、研究内容和范围、车辆特性和设计方法、发展趋势。
3.教学重点和难点教学重点是车辆动力学的研究内容和范围、车辆特性和设计方法。
教学难点是车辆特性和设计方法。
4.教学内容第一节历史回顾1.车辆动力学的历史发展第二节研究内容和范围1.纵向动力学2.行驶动力学3.操作动力学第三节车辆特性和设计方法1.期望的车辆特性2.设计方法3.汽油机与柴油机速度特性的比较第四节术语、标准和法规1.汽车术语、标准和法规第五节发展趋势1.车辆的主动控制2.多体系统动力学3.闭环系统和主观与客观评价第二章车辆动力学建模方法及基础理论1.教学基本要求让学生了解动力学方程的建立方法、非完整系统动力学、多体系统动力学方法。
汽车纵向动力学
tan G,max, ,r
表5-5 不同驱动形式不同路面附着下车 辆的加速及爬坡能力
驱动效率
• Fzs
W
驱动轴静载 与整车重量 之比
制动性
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，称为汽车的制动性。
制动性是汽车主动安全性的重要评价指标。 制动性的评价指标包括： 制动效能—制动距离与制动减速度； 制动效能恒定性； 制动时的方向稳定性。
纵向动力学
纵向动力学性能分析
• • • • • 动力的需求与供应 动力性 燃油经济性 驱动与附着极限和驱动效率 制动性
驱动力平衡图
•
动力的需求与供应
• 车辆对动力的需求（行驶阻力）
稳态匀速行驶阻力
车轮滚动阻力、空气阻力、坡度阻力
瞬态加速行驶阻力（加速阻力）
车辆对动力的需求
FG (mv mc ) g sin G (mv mc ) giG
Btp
里程燃油消耗量
be Pe
be PmeVs nei
f
f
cf
be PmeVs nei Btr cf ua f ua
Btp
减少油耗的途径
• Btr
f
be
be
( FDem 1
M Lig i0 rd
)
f t
be
1
FDem
f t
[(mv mc ) g ( f R cos G sin G ) CD A
a
2
(u uw ) mg sin G max
2
f
b h a mgf ( cos sin G ) x R G 2 rd L L
电动汽车纵向动力学模型的建立与仿真
电动汽车纵向动力学模型的建立与仿真
电动汽车纵向动力学模型是模拟电动汽车在加速、减速、制动
等情况下的运动特性的数学模型。
建立该模型可以用于优化电动汽
车动力系统设计，增强电动汽车性能和安全性能。
下面是建立电动
汽车纵向动力学模型的步骤和仿真方法：
1. 车辆参数测量：包括电动汽车的质量、空气阻力、摩擦力、
动力系统的最大功率和转矩等参数。
2. 动力系统控制器建立：根据动力系统的最大功率和转矩、电
池电压等参数，建立电动汽车控制器的数学模型。
3. 驱动系统建立：根据车辆匀加速度和可变质量的动态特性，
建立电动汽车驱动系统的动力学模型。
4. 制动系统建立：根据电动汽车制动距离和制动力，建立电动
汽车刹车系统的动态模型。
5. 动力和刹车系统的相互作用建立：建立电动汽车动力和刹车
系统之间相互作用的数学模型。
6. 模型参数校正：利用实验数据对动力学参数进行校正，以提
高模型精度。
7. 仿真：基于Matlab等仿真软件，运用建立的模型，进行电
动汽车纵向动力学仿真，并对结果进行分析和优化。
通过以上步骤，可以建立一个适用于电动汽车纵向动力学模型，并且可以利用不同的软件实现该模型的仿真。
汽车动力学大作业
汽车动力学大作业
一、 垂直动力学部分
以车辆整车模型为基础，建立车辆1/4模型，并利用模型参数进行：
1）车身位移、加速度传递特性分析；
2）车轮动载荷传递特性分析；
3）悬架动挠度传递特性分析；
4）在典型路面车身加速度的功率谱密度函数计算；
5）在典型路面车轮动载荷的功率谱密度函数计算；
6）在典型路面车辆行驶平顺性分析；
7）在典型路面车辆行驶安全性分析；
8）在典型路面行驶速度对车辆行驶平顺性的影响计算分析；
9）在典型路面行驶速度对车辆行驶安全性的影响计算分析。
模型参数为：
1122225;170000/;330;13000/;1000/m kg k N m m kg k N m d Ns m =====
二、 横向动力学部分
以车辆整车模型为基础，建立二自由度轿车模型，并利用二自由度模型分析计算：
1） 汽车的稳态转向特性；
2） 汽车的瞬态转向特性；
3） 若驾驶员以最低速沿圆周行驶，转向盘转角0sw δ，随着车速的提高，转向盘转角位sw δ，试由20sw sw u δδ-曲线和0
sw y sw a δδ-曲线分析汽车的转向特性。
模型的有关参数如下：
总质量 1818.2m k g
= 绕z O 轴转动惯量 2
3885z I kg m =⋅
轴距 3.048L m =
质心至前轴距离 1.463a m =
质心至后轴距离 1.585b m = 前轮总侧偏刚度 162618/k N
r a d =- 后轮总侧偏刚度 211018
5/k N r a d =- 转向系总传动比 20i =。
汽车纵向动力学-驱动
M H = (M e − M L )i0ig
发动机转矩
发动机驱动轮毂损失的转矩
驱动力：
Fx = M H / rd = M nigi0 / rd = ηM eigi0 / rd
净转矩
传动系统效率
8
动力供求平衡方程：
M eηigi0
rd
= (δimv
+ mc )ax
+ (iG
+
fR )(mv
+
mc
)
+
特点： z消除了内燃机特性场的“转速间隙”； z扭矩特性与理想动力供应需求特性不符，需要进行特性转换 装置； z部分负荷特性效率较低。在汽车至今未使用。
20
三 传动系统与动力性（特性转换装置）
⑴ 对传动比的要求
内燃机特性转换必需满足的三个条件： z要消除转速为0到最低转速之间的间隙，以使车辆能从 静止状态起动； z功率和扭矩变化必须向“理想”特性靠拢； z特性转换装置应有助于发动机在油耗、废气污染和噪 声影响方面处于最佳状态。
第四章 纵向动力学-驱动
王阳阳
1
主要内容
z动力需求 z动力特性场 z特性转换装置 z练习
2
一 动力需求
1 阻力分析
•加速阻力Fa：平动阻力+转动阻力
平动阻力: 车身质量加速运动产生的平动分量。
Fat = (mv + mc )ax
mv：车辆整备质量； mc：车辆装载质量；
ax：车辆加速度。
3
转动阻力: 车辆旋转部件加速运动产生的转动分量。
23
举例：
发动机特性
需求特性
24
② 平路上匀速行驶：
z在车轮功率图上是5、6、7工作点； z可通过发动机效率最高或油耗最低来限制，可在传动比图 上得到传动比2’”/6和1’”/7 ； z也可通过内燃机某一废气排放量最低来限制以获取要求的 动力特性。
汽车纵向动力学补充内容(状态空间、常微分方程数值解)
基于1/4车辆模型的 基于 车辆模型的ABS系统设计与仿真 车辆模型的 系统设计与仿真
dω Iw = Fxb rd − Tb dt
系统动态 模型
duw Fxb mw = Fxb dt (λ < λ0 ,增压) dTb ki = dt −kd (λ ≥ λ0 ,减压)
ω r d
Fz
Tb
选择状态变量x 选择状态变量 1 = ω, x2 = uw , x3 = Tb dx1 = (Fxb *rd-x3) /Iw (1) dx2 = Fxb /mw w dx3 = ki (λ< λ0 ) (3) (2)
matlab对常微分方程的求解是基于一阶方程进行的通常采用rungekutta方法所对应的matlab命令为odeodinarydifferentialequation的缩写例如ode23ode45ode23sode23tbode15sode113等分别用于求解不同类型的微分方程如刚性方程和非刚性方程等
子程序： 子程序：VanderPol.m
function dy= VanderPol (t, y) dy(1) = y(2)*(y(2)^2-1 dy(2) = -(y(1)^2-1)* y(2)-y(1); dy=[dy(1);dy(2)];
四阶龙格——库塔数值方法 库塔数值方法 四阶龙格
在区间[x 内预估多个点上的斜率值K 在区间 i,xi+1]内预估多个点上的斜率值 1、 内预估多个点上的斜率值 K2、……Km，并用他们的加权平均数作为平 均斜率的近似值， 均斜率的近似值，能构造出具有很高精度的高 阶计算公式。经数学推导、求解， 阶计算公式。经数学推导、求解，可以得出四 阶龙格－库塔公式， 阶龙格－库塔公式，也就是在工程中应用广泛 的经典龙格－库塔算法： 的经典龙格－库塔算法： yi＋1 = yi+h*( K1+ 2*K2 +2*K3+ K4)/6 ＋ K1 =f(xi, yi) K2=f(xi+h/2, yi +h* K1 /2) K3=f(xi+h/2, yi +h*K2/2) K4 =f(xi+h, yi +h*K3)
02第二章汽车纵向动力学
P e
1
T
Gfu a
3600
Giu a
3600
C Au 3
D
a
76140
mu a
3600
du dt
汽车运动所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、坡度阻力功
率Pi 、空气阻力功率Pw、加速阻力功率Pj。 发动机功率Pe、汽车常遇到的阻力功率
与车速的关系曲线——汽车功率平衡图
1
T Pf
Pw
阻力功率在低速时为斜直线，高速时斜率变大。 5档时发动机功率曲线与阻力功率曲线的交点对应在 良好路面上的最高车速。
G a f 2 L g
g
前轮驱动的汽车的附着力为：
G b f
h F F G cos G 对全轮驱动的汽车附着力为：
1
2
不同驱动方式汽车的附着利用率曲线
部分汽车的质心位置
2.3.3 影响附着系数的因素
一、路面
干燥硬实的混凝土或 沥青路面的附着系数较大， 路面潮湿时，轮胎与路面 间的水起到润滑作用，附 着系数降低。
一般路面上坡度较小，此时 Fi=Gsinα≈ Gtgα =Gi
由于坡度阻力与滚动阻力均属于与道路有关的阻力， 且均与汽车重力成正比，故可把这两种阻力合在一起称 作道路阻力，以Fψ表示，即Fψ= Ff+Fi= fGcosα+Gsinα， 当α不大时，cosα≈1，sinα≈i，Fψ=Gf+Gi=G(f+i)，令
静载荷，第二项为汽车在行驶 过程中产生的动载荷。动载荷 的绝对值随道路坡度与汽车行 驶加速度的增加而增大。
汽车加速上坡受力图
因此，汽车的附着力与各行驶阻力有如下近似关系：
F
G
sin
m
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•
传动系统设计方案的影响
• 除行驶阻力和发动机特性的影响外，传动系 统设计方案和控制策略对车辆的动力性也有 显著影响。 • 必须对每个档位下的加速能力和爬坡能力逐 一进行校核。
• 由于CVT可以根据所需的功率任意选择发动机的 工作点，采用合理的控制策略，可使发动机始终 工作在最大输出功率的工况下，从而使车辆总可 以获得最佳的爬坡性能和加速性能。
便可以分析汽车在附着条件良好路面上的行驶能 力。即在油门全开时，汽车可能达到最高车速、加速 能力和爬坡能力。
动力性
•驱动力与行驶阻力平衡图定义 • 为了清晰地描述汽车行驶时受力情况及其平 衡关系，通常将平衡方程式用图解方式进行描 述，即将驱动力Ft和常见行驶阻力FD和Ff 绘在 同一张图上。
驱动力Ft
Ft1 Ft 2 Ft 3 Ft 4
Ff FD
Ff
F f mgf
车速ua，km / h
ua ua max
• 汽车驱动力－行驶阻力平衡图
1. 最大速度和部分负荷时的力平衡
以及 uamax 和部分负荷时的等速
2. 加速能力
3. 最大爬坡度
•
D
• 利用驱动力-行驶阻力平衡图 确定汽车的爬坡能力
加速阻力分量
• 旋转质量转动惯量
i w i0 dr i0 ig (e c Ti )
2 2 2
• 定义质量换算系数
i i 2 1 rd
• 有
Fa (i mv mc )ax
• 代表车辆动力需求的车辆总行驶阻力
FDem Fa FG FR FD ( i mv mc )ax (iG f R )(mv mc ) g CD A
总制动力和制动潜力
Fa FR FD FG Fe,t Fb
若制动减速度为 axb ，则所需的制动力Fb为
Fb Fa ( FR FD FG Fe,t Fb ) ( i mv mc )axb ( FR FD FG Fe,t )
• 采用电涡流缓速器和发动机制动的车辆下 坡行驶稳定性
评价指标
①常选取单位行程的燃油消耗量，即L/100km，或单位运输
工作的燃油消耗量，即L/100tkm、L/kpkm。前者用于比较相 同容量的汽车燃油经济性，也可用于分析不同部件(如发动 机、传动系等)装在同一种汽车上对汽车燃油经济性的影响； 后者常用于比较和评价不同容载量的汽车燃油经济性。其 数值越大，汽车燃油经济性越差。 ②汽车燃油经济性也可用单位量燃油消耗汽车所行驶的里程， 即km/L作为评价指标，称为汽车经济性因数。例如，美国
FR f R FZ ,W
a
2 FD CD A
Fa,t (mv mc )ax
u2
M a tw i Fa ,r 2 ax rd rd rd
旋转质量总等效转动惯量
• • • • 发动机、离合器 某特定传动比时的传动系统 驱动桥、差速器 车轮（包括制动鼓或制动盘及半轴）
ua ua max
• 汽车加速度－速度图
1/ a j
速度ua
ui u const
加速时间曲线
1 a j1
1 a j2
1 a j3
1 a j4
• 加速度倒数曲线
ua
由驱动力、滚动阻力和空气阻力，就 可按行驶方程式计算加速度及其倒数， 从而求得加速时间或者加速距离。
Meq n Ft ua Ft ua Ff FD Me1 n1 Ft1 ua1 Ft1 ua1 Ff FD Me2 n2 Ft2 ua2 Ft2 ua2 Ff FD Me3 n3 Ft3 ua3 Ft3 ua3 Ff FD … …… …… …… …… …… …… …… Mem n1m Ftm uam Ftm uam Ff FD
I档 II 档
Fj aj Fj aj t
Fj1 a1 Fj1 a1 t1
Fj2 a2 Fj2 a2 t2
Fj3 a3 Fj3 a3 t3
…… …… …… ……
Fjm a1m Fjm a1m Tm
I档 II 档
1 aj [ Ft ( F f Fw )] m 1 1 dt du t u aj aj
采用每加仑燃油能行驶的英里数，即MPG或mile/USgal。其
数值越大，汽车燃油经济性越好。
汽车燃油经济性试验方法
测定汽车燃油经济性的试验方法有多种。根据对各 种使用因素的控制程度，试验方法可分为以下几类： 不加控制的道路试验；
控制的道路试验；
道路循环试验(包括等速油耗、加速油耗、制动油耗、 怠速油耗等)； 在室内实验，如汽车底盘测功机(即转鼓试验台)上的循 环试验。
纵向动力学
纵向动力学性能分析
• • • • • 动力的需求与供应 动力性 燃油经济性 驱动与附着极限和驱动效率 制动性
驱动力平衡图
•
动力的需求与供应
• 车辆对动力的需求（行驶阻力）
稳态匀速行驶阻力
车轮滚动阻力、空气阻力、坡度阻力
瞬态加速行驶阻力（加速阻力）
车辆对动力的需求
FG (mv mc ) g sin G (mv mc ) giG
a
2
u 2 ( imv mv )ax ]
• • • •
可以从以下几方面找出减少油耗的途径 （1）交通管理因素 （2）车辆行驶阻力因素 （3）尽可能地降低附属设备（空调、动力转向 等）的消耗 • （4）提高传动效率
• 匀速工况下不同档位油耗
• 单位里程所需能量的影响因素
各参数变化对轿车油耗的影响
燃油经济性
• 汽车燃油经济性：①指汽车以最少的燃油消耗完成单位运 输工作量的能力，它是汽车使用的主要性能之一；②在保 证动力性的条件下，以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能
力。
• 汽车发动机的燃油经济性：通常由有效燃油消耗率
be(ge) 或有效效率η
e
来评价。因其不能反映发动机在具
体汽车上的功率利用情况及行驶条件的影响，所以，它不 能直接用于评价整车的燃油经济性。
Ft ( Ff FD ) mg
)
imax
FD Ff mg
i0 max
汽车爬坡度
umax
• 加速能力 它用aj,但aj不方便评价。通常用 加速时间或加速距离来评价。
du 1 加速度：a j ( Ft Байду номын сангаасF f FD ) dt i m 则加速度倒数曲线为 F du j du du aj dt t dt m aj aj u 离散化处理后t t aj
2
a
前后轴的附着率
•
ff
Fxf Fzf
Fxr fr Fzr
不同驱动形式不同行驶工况下的前后轴附着率 （表5-4）
由路面附着限制的加速或爬坡能力
, f amax, b g L
b L
,r amax,
a g L
a L
tan G ,max, , f
a
2
u2
车辆的动力供应
• 驱动轮毂的转矩
M H (Me M L )i0ig
• 发动机额定工况下的转矩损失
M L (1 t 0 )M e,0 P0 (1 t 0 ) 2 n0
动力供求平衡式
•
Fx M H / rd M nig i0 / rd
若车辆传动系统的效率为ηt，则驱动力为
• 其前提条件是路面良好，克服 Fw+Ff 后的全部力都用于克服坡道阻力，即
du aj 0 dt Ft F f Fw Fi C D Au F f Fw mgf 21.15 (假设 cos 1)
2 a
坡度i 100%
Ft mg
imax tg tg (arcsin
•
• 发动机转速变化对油耗的影响
驱动与附着极限和驱动效率
• 车辆所受的垂向力 静载 动载 坡道分量 空气动力学分量
车辆所受的垂向力
•
Fzf ( Fzsf Fzgf ) FLf Fzdf
a b h h 2 mg ( cos G sin G ) CLf A (u uw ) max ( ) L L 2 L mrd L
Fx M nig i0 / rd t Meig i0 / rd
则动力供求平衡式为
M et ig i0 rd
(i mv mc )ax (iG f R )(mv mc ) g CD A
a
2
u2
汽车驱动力-行驶阻力平衡图
行驶方程式反映了汽车行驶时，驱动力和外界阻 力之间的普遍情况。当已知条件：
tan G,max, ,r
表5-5 不同驱动形式不同路面附着下车 辆的加速及爬坡能力
驱动效率
• Fzs
W
驱动轴静载 与整车重量 之比
制动性
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，称为汽车的制动性。
制动性是汽车主动安全性的重要评价指标。 制动性的评价指标包括： 制动效能—制动距离与制动减速度； 制动效能恒定性； 制动时的方向稳定性。
燃油消耗量计算
• （4）所需的发动机缸内平均有效压力pme
2 M Dem 2 FDem rd pme ( ML) Vsi Vsi ig i0
• (5) 由车辆行驶速度u求得发动机转速ne为
ne uig i0 / (2 rd )
燃油消耗量计算
• （6）根据发动机万有特性图即可确定发动机相 应的工况，得到该工况下的燃油消耗率，根据所 需的功率及燃油密度，得到 瞬时燃油消耗量
a
2