车辆动力学 综述

车辆动力学综述

人们常说控制一辆高速机动车的主要作用力产生于四块只有手掌般大小的区域——车轮与地面的接触区。这种说法恰如其分。对充气（橡胶）轮胎在路面生所产生的力和力矩的认识。是了解公路车辆动力学的关键。广义上，车辆动力学包括了各种运输工具——轮船、飞机、有轨车辆、还有橡胶轮胎车辆。各种类型运输工具的动力学所包含的原理，各不相同并且十分广泛。

车辆动力学主要分为车辆系统动力学和车辆行驶动力学。

因为车辆性能——在加速、制动、转向和行驶过程中运动的表现——是施加在车辆上的力的响应。，所以多是车辆动力学的研究必须涉及两个问题：怎样以及为什么会产生这些力。在车辆上影响性能的主要作用力是地面对轮胎产生的反作用力。因此，需要密切关注轮胎特性，这些特性有轮胎在各种不同工况下产生的力和力矩所表征。研究轮胎性能。而不彻底了解其在车辆中的重要意义，是不够的：反之亦然。

车辆系统动力学的研究的主要方向是如何提高车辆的平顺性、稳定性以及安全性。主要将动力学原理用于车辆行驶系统的控制以及优化控制，包括轮胎、转向、悬架以及电控系统的分析研究，进而得到更优的力学特性。

1、悬架

传统的被动悬架具有固定的悬架刚度和阻尼系数，设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折中。被动悬架在设计和工艺上得到不断改善，实现低成本、高可靠性的目标，但无法解决平顺性和操纵稳定性之间的矛盾。20世纪50年代产生了主动悬架的概念，这种悬架在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振阻尼器。汽车悬架可分为被动悬架和主动悬架。主动悬架根据控制方式，可分为半主动悬架、慢主动悬架和全主动悬架。目前，主动悬架的研究主要集中在控制策略和执行器的研发两个方面。图1所示为上述各种悬架系统的结构示意图，其中K代表悬架弹性元件刚度，代表轮胎等效刚度，C。代表减振器阻尼，代表主动装置，代表非悬挂质量，代表悬挂质量。

（a）被动悬架（b）阻尼可测试半主动悬架（c）刚度可调式半主动悬架

(d)慢主动悬架 (e)全主动悬架

图1各类悬架结构示意图

（1）半主动悬架

半主动悬架系统介于被动悬架系统和全主动悬架系统之间。它只消耗少量的能量，可进行刚度或阻尼控制；半主动悬架比全主动悬架结构简单、成本低；自20世纪90年代以来半主动悬架系统已较为广泛地使用在高级汽车和军用汽车上半主动悬架可分为刚度可调式和阻尼可调式两种。目前，弹簧的刚度调节普遍通过空气弹簧或油气弹簧来实现。刚度可调式半主动悬架可提高汽车行驶的路面友好性，减

轻汽车对道路的损伤程度。福特汽车公司的Continental Mark VⅡ车型和丰田公司LEXSUS(LS400)车型上均成功应用了弹簧刚度有级可调的半主动空气悬架。全球汽车零部件供应商大陆集团为保时捷开发了弹簧刚度可调的空气悬架，装备于Panamera车型上。

（2）全主动悬架

A一执行元件 E一比较器 F一力传感器 P一电位器一控制阀 l一悬挂质量2一加速度传感器 3一信号处理器 4一控制单元 5一进油 6一出油 7一非悬挂质量 8一路面输入

图2全主动悬架工作原理

全主动悬架系统采用一个可控的执行器代替了被动悬架的相应部件，是有源控制系统。全主动悬架系统所采用的执行元件具有较宽的响应频带，为0～15Hz，有的高达100Hz，对车轮的高频共振也可以控制。全主动悬架系统结构复杂，主要由执行元件、各种传感器、信号处理器和控制单元等组成，执行元件多采用电控液压或电控气压伺服系统。

（3）汽车主动悬架的研究发展趋势

目前，被动悬架的应用在一定时间内仍是最广泛的，可以通过进一步优化结构和参数来提升悬架性能。半主动悬架性能优于被动悬架，成本比全主动悬架低，它将是今后悬架系统的主要发展方向之一，而研发可靠、调节方便的可调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略则是其主要课题。全主动悬架性能突出，由于其高成本。结构复杂，目前还只装备于高级汽车上。全主动悬架研究的重点在于高性能的执行器和控制策略两方面。电控式全主动悬架是汽车悬架的发展方向。

2、轮胎

车辆动力学性能的稳定控制系统（DSC）就是主要分析与估计轮胎的实时特性与性能，对轮胎的实时状态进行评估，对收集的参数进行计算分析，从而得到更为直观可靠的数据，有利于研究人员做出判断和改进。这对于汽车的行驶稳定性及安全性有积极的意义。

实用轮胎模型，一般通过实验获得，常用于车辆动力学与控制分析。大部分的实用的轮胎模型描述的线性或非线性静态轮胎性能。遵守一个规则：在松弛长度轮胎（RLT）模型插入一阶轮胎动力。然而在描述低速轮胎动力时，RLT模型能创建一个无阻尼振荡模型在.

3、转向系统

（1）汽车转向系统的概述

汽车转向系统是驾驶员用来控制汽车运动方向的系统，它直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶的舒适性。转向系统发展至今，出现了机械式、液压助力式、电控液压动力式、电动助力式和线控转向系统。

随着我国汽车工业的不断发展，汽车转向系统运动学和动力学的分析与研究变得日益重要。汽车的转向系统作为整车的一个重要组成部分，它对汽车的操纵稳定性、平顺性和驾驶员的安全驾驶都有着直接的影响。汽车转向系是通过对左、右转向车轮不同转角之间的合理匹备来保证汽车沿着设想轨迹运动的机构。它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。其中最为广泛利用的转向器是齿轮—齿条式转向器。多刚体仿真软件ADMAS技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新的研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断的指导设计，保证产品寻优过程的顺利进行。在汽车的转向系统设计中，当转向器、悬架的类型和车轮的布置在汽车

设计时确定以后。那么，转向系设计的主要方面是转向梯形机构杆系的空间设计和布置问题。目前，在汽车转向系统的设计方法中，主要包括平面设计方法、空间机构设计方法、多体动力学软件模拟仿真方法。

(2)现代汽车转向系统的发展趋势

随着汽车电动助力转向系统技术的成熟和成本的降低，在乘用车中将广泛使用，并将逐步取代液压动力转向系统（HPS）和机械转向器。小齿轮助力式电动转向系统（P-EPS）、双小齿轮助力式电动转向系统（D-P-EPS）、齿条助力式电动转向系统（R-EPS）将会广泛在乘用车和混合电动汽车上应用，特别是P-EPS和D-P-EPS。随着新型大功率小型无刷直流和永磁同步交流电机的控制和制造技术的成熟，42V电源的使用，在一些商用车上也将会使用D-P-EPS和R-EPS。线控转向系统将会大量在低排放汽车（LEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）、电动汽车（EV）上应用。四轮转向系统将会从原来的应用大型车辆、SUV、跑车和越野车向轿车上应用。主动转向系统、ARS技术在未来几年内也会从高级轿车向中级轿车上普及和应用。

4、汽车制动

汽车的制动性能对车辆运行的安全性起着至关重要的作用。对轿车制动性能的检测就显得特别重要。汽车安全检测，作为在用汽车不解体检测的主要手段，在我国已基本得到普及。目前已建成的汽车检测站中，其制动检测普遍采用反力滚筒式制动检测台。随着科学技术的发展，人们在汽车制动性能方面作了大量的工作如：ABS(汽车制动方抱死系统)、EBD(制动力分配装置)、ESP(电子稳定程序)、BAS(制动辅助系统)、ASR(驱动防滑系统)、EBA(电子刹车辅助系统) 汽车ABS&ASR控制系统是一种有效减少交通肇事，提高公路交通运输能力，全面提高汽车制动、驱动和高速行驶性能的主动安全装置。ABS&ASR 作为一种汽车电子控制技术，大大地提高了汽车在各种附着系数路面的通过性、操纵稳定性。

5、结论

通过对本门课程的学习和参看了大量的期刊、论文。我对车辆动力学和相关的知识有了更多的了解，