车辆系统动力学 第三章
车辆系统动力学【可编辑全文】
可编辑修改精选全文完整版车辆系统动力学车辆系统动力学是一门涉及汽车系统的动力性研究的学科，旨在分析和模拟汽车的动力性能。
它是由应用力学和流体力学原理来研究动态特性，从而为汽车开发工程人员提供关键性信息和支持，以实现车辆系统的有效运行。
车辆系统动力学的研究分为两个主要方面:静动力学和结构动力学。
静动力学是研究汽车静力学和动力学系统，以及它们之间的相互作用。
静动力学的研究内容包括汽车的刚性构件的静力学计算，汽车转矩和加速度的动态测定，车辆悬架系统的构造、测量和控制，动力性能的行驶特性测定，以及汽车的操纵和漂移特性的研究。
结构动力学包括研究汽车结构，如悬架、底盘和发动机，以及这些系统的动态特性测定。
车辆系统动力学的研究可以分为三个主要领域：实验动力学、分析动力学和仿真动力学。
实验动力学主要负责试验机械结构以及机械系统的动力特性测定。
它可以分析出机械系统的动力特性，以及机械系统和动力学分析模型之间的关系。
分析动力学是通过数学分析的方法，计算和分析汽车的动力特性。
仿真动力学则使用计算机模拟技术，模拟汽车在不同行驶条件下的性能，并进行动力学和控制分析。
车辆系统动力学是一个复杂的研究领域，需要广泛的原理、理论和技术来支持。
它为车辆开发工程人员提供关键的研究信息，以便更好地了解汽车的动力性能，从而更好地解决汽车发动机、悬架和底盘等系统的限制问题，实现更低排放、更安全的汽车运行。
车辆系统动力学的研究目标是提高汽车的动力性能：提高燃油经济性、排放控制效果，降低汽车维护成本，延长汽车使用寿命，减少汽车故障发生率，并提高汽车在不同地形环境下的行驶质量。
未来，随着新技术的发展，车辆系统动力学的研究将不断进步，为汽车的改进和开发提供可靠的技术支持。
从而，车辆系统动力学是一门跨学科领域的非常重要的研究领域，它不仅涉及传统的汽车工程学科，还涉及力学、控制、物理、流体、电子、计算机等学科，是一门复杂而又有应用前景的学科。
因此，车辆系统动力学是汽车研发、维护和诊断的重要基础，也是汽车系统安全、经济、高效运行的关键。
车辆系统动力学第三讲
• 4、车辆踏面斜度 轮对径向通过曲线时可以减小运行阻力，减轻磨耗 ，避免脱轨。为达到轮对径向通过曲线目的，同 一车轴上外侧车轮的滚动圆半径必须大于内侧车 轮的滚动圆半径。 同一时间间隔内，外侧轮对走过的距离大于内侧车 轮滚过的距离，因此，车轮踏面必须有斜度，增 大踏面斜度，有利于通过半径较小的曲线。
• 轮对横移量为yw时由于重力产生的横向复原力为
• 由此可见，在轮对一定横移量情况下，锥形踏面 的重力刚度是和轮对横移量无关的量。
• 当轮对在轮轨间隙范围内横移时，磨耗型踏面的 重力刚度值有较大范围变化，该特性有利于轮对 有一定横移量后自动回复到对中位置。
• 2、重力角刚度 • 当轮对横移量为yw而且有摇头角ψ时，作用在左右 车轮上的轨道横向力将对轮对产生一个力矩Mg， 摇头力矩与摇头角之比称为轮对的重力角刚度。作 用在轮对上的摇头力矩为
• 3．对轮重减载率的影响
六、轮对低动力设计方法
• 轮对在钢轨上运行时，由于各种激扰因素的影响，轮轨间 必然发生振动，尤其是车辆运行速度越高，轮轨间振动越 激烈。为了缓和和降低轮轨振动，轮对结构设计应遵循低 动力设计原则。如何满足低动力设计要求呢?目前主要有 以下几种方法。 • 1．减小簧下质量：采用空心车轴，采用小轮径车轮。 • 2．采用合理的车轮踏面 • 3．采用弹性车轮
三、车轮踏面类型与作用 • 1、车轮踏面主要作用
• （1）便于通过曲线； • （2）可自动对中； • （3）踏面磨耗沿宽度方向比较均匀。 • 车轮踏面应具备下列条件：应具有较好的抗蛇行 运动稳定性；应具有良好的防止脱轨的安全性； 轮轨之间的磨耗少，发生磨耗后，不仅磨耗要均 匀，而且外形变化也要小；易于曲线通过；轮轨 之间接触应力要小；旋修车轮时无益的磨耗少， 切削去掉部分的质量要小等。
车辆系统动力学第三讲共37页
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
13_基本操纵模型 车辆系统动力学课件
汽 载荷的横向转移（续）
车
➢通过车辆前后悬架侧倾刚度的合理匹配，可以实现转
系
向特性的微小调整。
统
➢前悬架侧倾刚度略高于后悬架的；
动
➢前轴车轮载荷转移大于后轴的；
力
学
➢前轴轮胎侧向力减少的较多；
➢前轴侧偏刚度减小，稳定裕度增加，增加了不足转
向特性。
➢这种作用的效果随转向程度（侧向加速度）的增加而
统 50m/s时，其系统特征值在复平面内的位置。
动
➢不足转向时，车速增加，系统阻尼比减小。
力
➢过多转向时，特征值为实数。
学
当车速达到临界车速（41m/s）
时，特征值为正，系统处于不
稳定状态。
➢中性转向时，特征值为实数，
马
保持在原点左侧。
天
飞
24
汽 频率响应分析
车
➢频率响应特性可以完整地描述车辆在小扰动下的动态
稳定性分析
系 ➢车辆参数见表13-2，其稳定裕度为零，车辆具有中性
统 转向特性。
动 ➢特征根分别为-5.30和-5.11，系统是稳定的且恰好处 力 于临界阻尼状态。
学 ➢通过改变质心位置改变其转向特性。
马 天 飞
23
稳定性分析
汽
车 具有理想参数的车辆的稳定性分析（续）
系 ➢三种不同转向特性的车辆在前进速度由10m/s增至
马 ➢稳态分析的实车试验相对简单，成本低；且不足转向 天 等概念也可用于瞬态特性分析。
飞
16
汽 稳定性分析
车
➢假定转向输入角f为零，则系统运动方程代表了直线
系
行驶工况。
统
➢车辆受到风、路面不平度等小干扰的作用；
车辆系统动力学讲义
车辆系统动力学讲义
4) 列车动力学模型 传统的列车动力学模型主要研究列车状态下车辆之间 的动力学作用，例如车钩力分析。现在的列车动力学 也有向大系统、复杂模型发展（尤其是动车组）。传 统模型包括： (a) 列车纵向动力学模型 (b) 列车横向动力学模型 (c) 列车垂向动力学模型 由于列车动力学研究的车辆数目一般较多，对车 辆都做了大量简化。由于所关注的问题主要是列车系 统的影响，所以一般都能取得较满意的精度，没有必 要建立复杂的模型。
1.
2.
3. 4.
车辆系统动力学讲义
1.1 车辆动力学的发展
车辆动力学系统是一个复杂的系统，其发展依靠科学 技术和研究手段的进步。至今仍有大量问题没有解决。 60年代以前的传统方法 轮轨蠕滑理论的提出和应用
计算机技术的大量采用
大系统方法和复杂动力学模型
车辆系统动力学讲义
1.2 车辆动力学的主要研究内容
车辆系统动力学讲义
2.3 车辆动力学性能
常规的车辆动力学性能主要包括：运行平稳性、 运动稳定性和曲线通过动力学性能。这几方面都比较 成熟了，它们包含了我们最关系的安全性和舒适性的 问题。当然，车辆动力学性能还有很多其他的方面， 例如结构弹性振动、噪声、空气动力学等，这些都还 处于研究阶段，不是常规动力学计算的任务。
车辆系统动力学讲义
2） 非线性稳定性 车辆系统的蛇行运动是其本身的固有属性，是决 定车辆能否高速运行的关键因素。已有的研究表明车 辆在直线轨道上的稳定性通常具有图4-43所示的三种 主要形式[2, 156]，图中实线表示稳定平衡位置或极限环 （蛇行运动），虚线则表示不稳定平衡位置或极限环， 系统的平衡位置为横坐标轴。图中A点的车速定义为线 性临界速度，可通过建立车辆系统线性化数学模型来 求得，线性临界速度只有在具有极微小激扰的理想轨 道上才会出现，因此，是系统的理想临界速度。拐点B 为车辆系统等幅蛇行运动出现和消失的分界点，其车 速值定义为非线性临界速度，通常，非线性临界速度 只有在极差的轨道条件下才会出现，为系统的最低临 界速度。
车辆系统动力学第四讲
• 3、轮对踏面及轨头外型数值离散和接触参数求 解
• 一、道岔区轮轨接触特点 • 1、踏面与轮缘接触
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 2、护轨轮背接触 护轨由平直段、两侧缓冲段和两端开口段组 成，是道岔的重要组成部分。 作用： 控制车轮运行方向、引导轮对进入相应的轮 缘槽、防止其在有害空间冲击或爬上心轨尖 端、保证行车安全。
• 如果轮对有向外侧的横移量，那么轮对轮背将与 护轨发生接触，并产生横向冲击作用，迫使轮对 回到对中位置，以使外侧车轮与钢轨间有足够的 轮轨间隙，并以此防止心轨或辙叉过度磨损。
• 通过仿真对比得出，轮对摇头角越大，越 容易发生轮缘与钢轨贴靠现象，甚至出现 两点接触； • 仅从轮轨接触角度来看，适当加宽轨距有 助于减少轮缘贴靠机率，并有利于减小轮 缘磨耗、减轻钢轨侧磨。
第四节 道岔区轮轨接触几何关系
道岔是铁路轨道最薄弱环节之一，是限制列车速度 的最主要线路部位。
本节在介绍道岔区轮/岔接触特点的基础上，给出 了轮对与并列两股钢轨同时接触的判定方法以及 轮缘槽位置车轮轮背与护轨接触的计算方法。 利用数值计算结果，分析了道岔区法伤两点接触 和轮背接触时轮轨力作用与分配特点，以及道岔 系统的振动特性。
0
• 迭代求解轮轨最小距离 虑：
时，需要考
车轮踏面外形、基本轨或翼轨轨头外形、尖轨或心轨轨头 外形 尖轨或心轨轨顶下降量及顶宽 道岔平面内相邻钢轨排列关系 轮对横移量、基本轨垂向和横向位移、尖轨或心轨垂向和 横向位移等。
汽车系统动力学第二版
汽车系统动力学第二版《汽车系统动力学第二版》是一本关于汽车系统动力学的专业书籍，旨在为读者提供关于汽车动力学的全面理解。
本书通过详细介绍汽车动力学的基本概念、原理和数学模型，帮助读者深入了解汽车系统的运行原理，并掌握相关的分析和设计方法。
第一章介绍了汽车系统动力学的基本概念和研究对象。
汽车系统动力学是研究汽车运动和力学特性的学科，涉及到车辆的加速、制动、转向和悬挂等方面。
本书强调了汽车系统动力学的重要性，指出了它对汽车性能和安全性的影响。
第二章详细介绍了汽车的运动学特性。
运动学是研究物体运动规律的学科，而汽车的运动学特性则包括车辆的速度、加速度和位移等参数。
本章通过引入几何学和向量分析的知识，解释了汽车运动学的基本原理，并给出了相关的计算方法。
第三章讨论了汽车的轮胎力学特性。
轮胎是汽车与地面之间的唯一接触点，它对车辆的牵引、制动和操纵性能起着至关重要的作用。
本章介绍了轮胎的结构和工作原理，并详细阐述了轮胎与地面之间的力学相互作用。
第四章介绍了汽车的悬挂系统。
悬挂系统是连接车身和车轮的重要组成部分，它对车辆的舒适性、稳定性和操控性起着重要作用。
本章从悬挂系统的基本原理入手，介绍了常见的悬挂结构和悬挂元件的设计原则，并讨论了悬挂系统对车辆动力学性能的影响。
第五章讨论了汽车的转向系统。
转向系统是控制车辆转向运动的关键部件，它对车辆的操纵性和稳定性有着重要影响。
本章介绍了转向系统的工作原理和组成部分，并讨论了转向系统的设计和调整方法。
第六章介绍了汽车的制动系统。
制动系统是保证车辆安全的重要组成部分，它对车辆的制动性能和稳定性起着至关重要的作用。
本章详细介绍了制动系统的原理、结构和工作过程，并讨论了制动系统的设计和优化方法。
最后一章总结了全书的内容，并展望了汽车系统动力学领域的未来发展方向。
本书通过详细的理论分析和实例应用，帮助读者深入了解汽车系统动力学的原理和方法，并为汽车工程师和研究人员提供了有价值的参考资料。
车辆系统动力学资料PPT课件
• 三、高速客车转向架悬挂特点
中央悬挂均采用了结构简单可靠、性能优越的 空气弹簧装置；
在衰减振动方面，都是在轴箱位置设置垂向油 压减振器、二系采用可变节流阀进一步衰减传 向车体的垂向振动，二系横向均加装有横向减 振器和缓冲器以抑制车体横向振动，为抑制转 向架高速蛇行失稳，在车体和构架之间都设置 有抗蛇行减振器。
轴箱定位形式一般采用干摩擦导柱式定位，该型 定位形式在运行初期能够有较为良好的表现，但 在运行一段时间后，由于定位部分部件的磨耗和 松动，造成轴箱定位性能下降较为严重。
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• 二、准高速客车转向架悬挂特点
• 该类客车转向架悬挂特点主要有： ✓中央悬挂装置一般采用空气弹簧加摇动台形式； ✓减振形式上，垂向上设置有轴箱单向油压减振
主要内容：
第一节 客车轴箱悬挂系统
第二节 客车中央悬挂系统
第三节 不同速度客车转向架悬挂特点
第四节 轴箱定位参数对系统动力学性能 影响 第五节 中央悬挂参数与系统动力学性能 关系
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第三节 不同速度客车转向架悬挂特点
一、普通客车转向架悬挂特点 中央悬挂装置为外侧圆弹簧悬挂，其缺点是在空
• 轮轨脱轨系数和减载率低是为了确保曲线通过 时的安全性，磨耗功率小是为了减轻轮轨间磨 耗，
• 轮对冲角小是为了使得轮对在曲线通过时能够 以径向位置顺利通过曲线。
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• 1、轴箱定位刚度
• 轴箱纵向定位刚度和横向定位刚度对转向架蛇
行运动临界速度起着决定性的影响，并且影响
着车辆曲线通过性能。 a.临界速度 b.曲线通过
空气弹簧纵向和横向刚度又称水平刚度，一 般在0.2MN/m左右。
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第三章二自由度系统
二自由度系统振动 / 不同坐标系的运动微分方程
以汽车的二自由度振动模型为例
汽车板簧以上部分被简化成为一根刚性杆，具有质量m和绕质心 的转动惯量Ic。质心位于C 点。分别在A点和B点与杆相联的弹性 元件k1、k2为汽车的前，后板簧。
若系统有 n 个自由度，则各项皆为 n 维矩阵或列向量
二自由度系统振动 / 运动微分方程
式中：
[M
]
m11 m21
m12
m22
m1
0
0
m2
[K
]
k11 k 21
[C]
c11 c21
k12
k
22
k1 k2
k2
c12
c22
2 ET x1x1
2 ET x12
m1
m12
2 ET x1x2
2 ET x2x1
m21
0
m22
2ET x2x2
2 ET x22
m2
[M
]
m11 m21
m12
m22
m1
0
0
m2
二自由度系统振动 / 能量法
(t ) (t)
如同在单自由度系统中所定义的，在多自由度系统中 也将质量、刚度、位移、加速度及力都理解为广义的。
汽车系统动力学第三章 充气轮胎动力学
第三章充气轮胎动力学§3-1 概述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。
一、轮胎运动坐标系二、车轮运动参数1．滑动率2．轮胎侧偏角a3．轮胎径向变形§3-2 轮胎的功能、结构及发展轮胎的基本功能包括：1)支撑整车重量；2)与悬架元件共同作用，衰减由路面不平引起的振动与冲击；3)传递纵向力，以实现驱动和制动；4)传递侧向力，以使车辆转向并保证行驶稳定性。
为实现以上功能，任何一个充气轮胎都必须具备以下基本结构：(1)胎体(2)胎圈(3)胎面常用的车用充气轮胎有两种，即斜交轮胎和子午线轮胎。
二者在结构上有明显不同，主要区别在于胎体帘线角度的不同。
所谓“帘线角”即为胎体帘布层单线与车轮中心线形成的夹角。
根据车辆动力学研究内容的不同，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。
(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。
(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)。
这里仅对几种常用的轮胎模型给予介绍。
(1)幂指数统一轮胎模型幂指数统一轮胎模型的特点是：。
1)采用了无量纲表达式，其优点在于由纯工况下的一次台架试验得到的试验数据可应用于各种不同的路面。
当路面条件改变时，只要改变路面的附着特性参数，代人无量纲表达式即可得该路面下的轮胎特性。
2)无论是纯工况还是联合工况，其表达式是统一的。
3)可表达各种垂向载荷下的轮胎特性。
4)保证了可用较少的模型参数实现全域范围内的计算精度，参数拟合方便，计算量小。
在联合工况下，其优势更加明显。
5)能拟合原点刚度。
(2)“魔术公式”轮胎模型“魔术公式”轮胎模型的特点是：1)用一套公式可以表达出轮胎的各向力学特性，统一性强，编程方便，需拟合参数较少，且各个参数都有明确的物理意义，容易确定其初值。
汽车系统动力学 (1)
第一章车辆动力学概述（1学时）
第一节研究内容和范围
第二节车辆特性和设计方法，及发展趋势
第二章车辆动力学建模方法及基础理论（2学时）
第一节动力学方程的建立方法
第二节多体系统运动学，动力学
第三章轮胎动力学（3学时）
第一节轮胎模型
第二节轮胎纵向力学特性
第三节轮胎垂向力学特性
第二节基于matlab的车辆系统建模、仿真与控制器设计实例
第三节应用adams软件的多体动力学实例分析（课外上机）
三、教材和参考书
教材：
喻凡，林逸编著，汽车系统动力学，机械工业出版社，2005.9
Rajesh Rajamani，Vehicle Dynamics And Control，Birkhäuser, 2006
作业安排：要求学生自学几个主流的汽车动力学软件，布置几个相关的大作业（车辆动力学建模与仿真分析），加深了解相关的学习内容。
考核安排及成绩评定方法：以平时的上课出勤率，提交计算分析报告的情况，以及最后的考试为依据，进行本课程成绩的最终评定。
五、拟任课教师情况
申焱华（主讲），副教授，博士，近3年的任课情况：（本科）车辆人机工程，现代设计方法概论；（研究生）多体动力学；
参考书：
（1）Thomas D.Gillespie著，赵六奇，金达锋译，车辆动力学基础，清华大学出版社，2006.12
（2）Manfred Mitschke, Henning Wallentowitz著，陈荫三，余强译汽车动力学（第四版）清华大学出版社，2009.12
（3）Dave Crolla,喻凡著，车辆动力学及其控制，人民交通出版社，2004。1
第一节车辆扩展操纵模型的推导
系统动力学第三章(2)
16
3.9 模型体系的演进及其应用
4、SD为主体与其他理论、方法的结合 SD为主体与其他理论、 为主体与其他理论 与数理经济学、 （1）SD与数理经济学、计量经济学相结合 ） 与数理经济学 与ห้องสมุดไป่ตู้业关联分析、 （2）SD与产业关联分析、 SD与投入产出分析结合应用 ） 与产业关联分析 与投入产出分析结合应用 （3）SD与优化理论结合 ） 与优化理论结合 （4） SD与自组织理论结合 ） 与自组织理论结合 （5）SD与灰色理论相结合 ） 与灰色理论相结合 （6）SD与图论相结合 ） 与图论相结合
12
3.8 速率与状态关系图
用图表示状态变量（ LEV ）与速率变量（ RATE ）之间关 用图表示状态变量（ 与速率变量（ 之间的函数关系为： 系，RATE与LEV之间的函数关系为： 与 之间的函数关系为
RATE = f (LEV )
速率-状态关系图如下 速率 状态关系图如下
速率图3.6 速率-状态关系图
3
3.7 存量流量图
存量流量图与因果关系图的比较 因果关系图只能描述反馈结构的基本方面， 因果关系图只能描述反馈结构的基本方面 ， 而 存量流量图 不仅能描述反馈结构的基本方面 而且能区别变量的性质。 描述反馈结构的基本方面， 不仅能 描述反馈结构的基本方面 ， 而且能区别变量的性质 。
图3.4 库存系统的因果关系图
17
3.9 模型体系的演进及其应用
5、SD和其他多种方法组成综合模型体系 SD和其他多种方法组成综合模型体系 6、智能化综合系统 智能化综合系统是以SD与复杂系统理论（耗散结构、 智能化综合系统是以 与复杂系统理论（耗散结构、协同 与复杂系统理论 突变论等）相结合建立以SD为核心的模型库 为核心的模型库， 学、突变论等）相结合建立以 为核心的模型库，加上知 识库与数据库等。 识库与数据库等。
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。
车辆系统动力学(三合一)
2. 系统具有整体性
系统虽是由多种元素组成，但系统的性能不 是各元素性能的简单组合，而是相互影响的，所 以这种组合使系统的整体功能获得新的内容，具 有更高的价值。例如一辆汽车是由发动机、传动 系、车轮、车身、操纵系统组成。单有发动机只 能发出动力，不会自己行走，但当发动机装在具 有车轮的汽车底盘上，就成为可以行走的汽车， 成为一种交通工具，其功能就与一台发动机大不 相同。由此可见，研究系统特性应从整体的观点 来看。系统的性能是由其整体性能为代表，而不 是由某一个元素所能代替的。
第一章 绪论
• 1.1 系统与系统动力学的概念 • 1.2 汽车系统动力学的研究内容和特点 • 1.3 汽车系统动力学的研究方法
1.1 系统与系统动力学的概念
在我们真实的大千世界中，存在着许多由一组物 件构成，以一定规律相互联系起来的实体，这就是系 统，自然界就有太阳系、银河系这样的大系统，这种 系统是脱离人的影响而自然存在，称为自然系统，还 有如生物、原子内部也构成了自然系统，还有一种系 统是通过人的设计而形成的系统，称为人工系统，如 生产系统、交通运输系统、通信系统；人工组合和自 然合成的组合系统,如导航系统。
3. 把驾驶员作为一个主动因素考虑到汽车 系统中去组成一个人－机－地面系统来加以 研究 ；驾驶员在车辆系统运动中的调节作用，
可以用图1－3来表示。汽车系统动力学就是 研究人－车系统中，人和车辆作用的相互匹 配问题；
4. 强调系统之间的联系，研究系统间的相 互作用。众所周知，汽车可分为若干个子系 统，如传动系、转向系、悬架系等，这些系 统在汽车运动过程中相互影响相互作用相互 制约。
3. 系统具有目的性
这一特点主要是指人工设计系统而言， 而不是指自然系统(例如银河系)。系统的目 的性是指人工系统是为了某一个大目的而构 成。目的不同，系统的构成也就不同。例如， 货车的功能就是为了运输货物这一目的而构 成，它必须有货箱以装载货物，而客车则是 为了运输乘客而设计，因此，车厢内必须有 供乘客使用的座椅，而运输货物就退居次要 位置或取消。所以，在设计中必须研究系统 整体目的，才能正确选择个元素的构成。
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W Fgy Fr Fl tg ( r ) tg ( l ) 2
36
轮对重力刚度
锥形踏面
R L l
2l y 2b
ly
b
tg ( R ) R tg ( L ) L Leabharlann K gy Fgy y
W tg ( R ) tg ( L ) 2y
14
3. 踏面类型
圆筒踏面（踏面为没有锥度的平坦圆筒、日 本轨检车上，有利于轨道高低变形的测定） 圆锥踏面（踏面带有一定的锥度） 圆弧踏面（磨耗型踏面，踏面带有圆弧）
为了使无论哪种踏面形状均能够防止 车轮脱轨， 因而车轮都设有轮缘。 踏面锥度是使轮对具有复原功能和转向功能的 根本原因，也是引起蛇行运动的根源。
8
（3） 轮对内侧距
9
轮对内侧距
保证轮缘与钢轨之间有一定游（间）隙，可以： 减少轮缘与钢轨磨耗；
实现轮对自动对中作用；
有利于车辆安全通过曲线；
有利于安全通过辙叉； 轮缘与钢轨之间的游（间）隙太小，可能会造成 轮缘与钢轨的严重磨耗；
轮缘与钢轨之间的游（间）隙太大，会使轮对蛇 行运动的振幅增大，影响车辆运行品质；
左轮和左轮与左轨和右轨在轮轨接触点处的接触角；
重力刚度与重力角刚度。
53
第三节 轮轨接触几何关系求解
轮轨接触几何关系求解发展过程 影响轮轨接触几何关系参数
空间轮轨接触几何关系求解方法 不同踏面轮轨接触状态比较
54
1 轮轨接触几何关系发展过程
八十年代初期 ： 研究由分段圆弧组成的磨耗型踏面和磨耗型钢轨相互接 触时的几何参数，以及各种因素对它们的影响 八十年代中后期： 研究任意形状的轮轨空间几何约束关系，并提出了一个 具有足够精度、适用于任意形状的空间几何约束关系的 数学方法及计算程序； 九十年代初期 ： 提出迹线法来处理空间轮轨接触几何关系问题。基本思 路：暂时抛开轨面的形状，仅由轮对的位置（摇头角、 侧滚角）以及踏面主轮廓线参数（滚动半径、接触角） 确定可能的接触点。
W w tg ( R ) tg ( L ) l K gy y 2y b
Fgy
有使轮对恢复到原来对中位置的作用
37
轮对重力刚度
160 120
Kgy / N.m-1
80 40 0 0
磨耗踏面 锥形踏面
4
8 yw/mm
12
16
38
轮对重力角刚度
Fl
Fr
M g FRb sin FL sin
15
车轮踏面外型
车轮踏面几何形 状是影响行车安 全和运行平稳性 的重要因素。
16
锥形踏面 (TB)
17
磨耗型踏面形成
锥形车轮踏面和钢轨头部的接触面积很小，接触 应力很高，因此在车轮运用初期，局部位置的磨 耗很快，使踏面不久即呈现凹陷。
当磨耗范围逐渐遍及整个踏面并与轨头的轮廓外 形相吻合后，接触应力就明显减小，表面又经过 ‘冷硬’处理，以后的磨耗减慢，踏面外形也相 对稳定。此时的踏面形状接近于磨耗型踏面。
F m V / t
降低作用力途径有三种：
1. 减小质量； 2. 减小速度变化量； 3. 延长力作用时间。
42
专题三：轮对低动力设计方法
1. 减小簧下质量。目前在减小轮对质量上主要两种方法：①采 用空心车轴。在不降低车轴强度的条件下，尽可能采用空心 车轴，这不仅有利于降低簧下质量，而且还便于车轴疲劳裂 纹内部探伤。②采用小轮径车轮。减小车轮直径同样可以起 到降低轮对质量的作用。 2. 采用合理的车轮踏面。合理的车轮踏面对降低轮轨相互作 用、保证车辆系统具有良好的运行稳定性和曲线通过能力具 有重要的意义。 3. 采用弹性车轮。采用弹性车轮不仅可以降低轮轨噪声，而且 还可以缓和轮轨冲击，降低轮轨动作用力。 4. 严格控制车轮质量，降低车轮动不平衡质量。 车轮设计制 造过程中，应尽可能保证车轮质心与形心重合，严格控制轮 对动不平衡质量，避免质心与形心出现位置偏差时形成轮轨 间持续冲击作用。
Comparison between Wheel profiles
40 50 60 70 80 90 100
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55 30
5
0
31
等效斜度
Traction motor 牵引马达 Gearbox 齿轮箱
265 kW (360 Hk) max 5000 rpm
Coupling连挂
32
等效斜度
锥形踏面车轮滚动圆附近成斜率为 0.l的直线段， 在直线段范围内车轮踏面斜度为常数。
当轮对中心离开对中位置向右移动横移量 yw，那 么左右车轮的实际滚动圆半径分别为：
第三章 轮对结构与轮轨接触几何关系
1
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 轮对结构认识 轮轨接触状态认识 轮轨接触几何关系求解 道岔区轮轨接触几何关系
2
3
第一节 轮对结构
4
5
1 轮对设计要求
应该有足够的强度，以保证在容许的最高速 度和最大载荷下安全运行（减轻轮对重量）； 应不仅能够适应车辆直线运行，同时又能够 顺利通过曲线和道岔，而且应具备必要的抵 抗脱轨的要求； 应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样可以 只需要较小的牵引动力并能够提高使用寿命。
车轮磨耗特性参数
• Sh: 轮缘高
28.1 27.9 28.0 29.0
9.8 10.7 10.8 11.0
• Sd: 轮缘厚度 • qR: 轮缘形状限度
磨耗型踏面（XP55）
23
车轮外形吻合
Comparison between Wheel profiles
S1002 - SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h (China) - SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h (China) - XP55 0 15 10 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
能够顺利通过道岔； 耐磨性要好，即使产生了磨耗，其形状变化也 要小。
踏面设计目的性问题
25
两种踏面接触面积比较
锥型踏面轮轨接触斑
磨耗型踏面轮轨接触斑
26
对踏面动力学性能认识差异
一般地，在曲线通过方面采用磨耗型踏面 有利，而在抑制蛇行运动、车体振动方面 锥形踏面有利。
实际上，现阶段研究结果表明，在抑制车 体蛇行运动和提高稳定性方面，磨耗型踏 面有时也能够取得良好的效果。
10
安全通过辙叉
11
顺利通过曲线
r0 + y r0 - y
o
R
y
2b
12
轮缘内侧距选取
13
轮轨间隙计算
标准轨距：1435mm 轮对内侧距：1353mm 轮缘厚度：32mm（单侧），64mm（双侧）
国内轮轨间隙：9=（1435-1353-64）/2 （mm） 欧洲轮轨间隙：5.5=（1435-1360-64）/2 （mm）
40
合理的轮轨踏面外型不仅可以减缓磨耗， 延长使用寿命，而且有利于车辆曲线通过， 降低轮轨动力作用；
只要轮轨外型参数确定，利用轮轨接触几 何关系，可以确定轮对在不同横移量时车 轮踏面等效斜度、等效重力刚度和等效重 力角刚度等参数；
41
专题三：轮对低动力设计方法
F t m V 动量定理：
《国外内燃机车》 藤本裕[日本] 1999年第2期
28
车轮踏面形状和接触参数对从钢轨 向车上输入的能量影响
0.20 0.15
能量输入率
0.10
0.05
0.0
圆弧踏面
第1种变化 第2种变化 锥形踏面
29
两种踏面对线路激扰响应比较
速度V=270km/h，波深a=1.0mm
30
与车轮相关的几个参数
车轮踏面锥度 车轮踏面等效锥度（斜度） 重力刚度 重力角刚度
采用凹形车轮踏面，不仅可以减缓磨耗，延长使 用寿命，而且有利于车辆曲线通过，并使轮缘力 有所降低。
18
磨耗型踏面（LM）
19
磨耗型踏面（LMA）
20
4. 车轮参数定义
轮对内侧距
滚动圆半径 轮缘 轮缘厚度
轮缘角度 轮缘高度
踏面 等效踏面锥度 回转半径差 接触角度差
• • • •
中国标准 ; 中国轨道的典型磨耗型外形SYSZ40-00-00-00 (160 kph) ； S1002欧洲标准外形； XP55 TGV 韩国外形
z [mm]
-5 -10 -15 -20 -25 -30 y [mm] S1002 SYSZ40-00-00-00 for 160 km/h SYSZ40-00-00-02A for 200 km/h XP55
6
2 轮对形状尺寸与线路相互关系
轮缘 滚动圆直径 轮缘内侧距 车轮踏面斜度
7
2 轮对形状尺寸与线路相互关系
① 轮缘：轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮 脱轨的重要部分。 ② 滚动圆直径：车轮直径大小，对车辆的影响各 有利弊：轮径小可以降低车辆重心，增大车体 容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴 距，对于地铁车辆还可以减小建筑限界，降低 工程成本；但是，小直径车轮可使车轮阻力增 加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快，通过 轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响增大。轮 径大的优缺点则与之相反。
21
轮轨接触分析
车轮外形的主要参数