汽车系统动力学-kejian

对学科发展卓越影响的人物是美国卡迪拉克公司的Olley， 1932年，他建立了“K2”实验台，研究悬架匹配及轴距对汽车 的影响，得到前悬要软于后悬的结论。
在50年代，人们建立了较为完整的汽车操纵和转向动力学 的基础理论体系，其中德国的Milliken出版《汽车动力学》标 志着汽车动力学的成熟。
第一章 概述
汽车系统动力学
河北工业大学机械学院车辆工程系 武一民
第一章 概述
§1.1 汽车系统动力学的发展概况 汽车系统动力学是近代发展起来的一门新兴学科，大约有
100多年的历史。汽车动力学最早是研究车辆行驶的振动分析， 20世纪30年代，英国的Lanchester、美国的Olley、法国的 Broulhiet开始了有关汽车转向、稳定性、悬架方面的研究。
4. 五自由度模型 70年代提出此模型，加了人椅系
统形成了5自由度模型，其中减振环 节有轮胎、悬架、座椅等部件。
对于人体模型，我们一般看成为 一质量块，但在人体模型的研究中， 可把人头、胸腔、腿部等看成质量块 ，而把脖颈、腹部等看成弹性，使人 体模型变成E型模型。如考虑多自由 度的人体模型，5自由度模型又可变 为7自由度模型。
二、多体系统动力学
MX=F 动力学分析软件 三、“人—车—路”闭环系统和主观与客观的评价
对操纵动力学进行璧还控制研究，研究驾驶员模型
§1.3 汽车系统动力学的研究方法和理论基础
1.研究方法 把实际问题抽象并转化为简化的模型，即建模。
①物理模型：物理本质相同，形状尺寸有别 模型的分类： ②力学模型：经过简化后的物体实际受力模型
MZ2 Cs Z2 Z1 Ks Z2 Z1 0 mZ1 Cs Z1 Z2 Ks Z1 Z2 Kt Z1 0
3. 四自由度系统 如果考虑车桥对车身的影响，此
时将以上两个两自由度系统结合便成 为四自由度系统模型。
此模型为62年吉林工业大学建 立的力学模型，该模型考虑了汽车前 后轮对车身振动的影响，描述系统运 动的最少独立坐标个数为4。
MZ Ks1Z L1 Ks2 Z L2 0 Ic Ks1Z L1 L1 Ks2 Z L2 L2 0
或写为 设：
MZ Ks1 Ks2 Z Ks1L1 Ks2L2 0
Ic
K
L2
s1 1
K
s2
L22
Ks1L1 Ks2L2
Z
0
（1）
Z t Z cost t cost
动力学的发展过程分为三个阶段：
阶段一（20世纪30年代） 1.对车辆动态性能的经验性的观察 2.开始注意到车轮摆振的问题 3.认识到车辆舒适性是车辆性能的一个重要方面 阶段二（30年代—50年代） 1.了解了简单的轮胎力学，给出了轮胎侧偏角的定义 2.定义不足转向和过度转向 3.建立了简单的两自由度操纵动力学方程 4.开展了行驶平顺性研究，建立了K2实验台， 5.引入前独立悬架
dynamics》，SAE，1992 [德] H-P威鲁麦特著， 《车辆动力学模拟及其方法》，北京理工
大学出版社，1998年 [中] 喻凡、 《车辆动力学及其控制》，人民交通出版社，2004年 [中] 雷雨成 ， 《车辆系统动力学及仿真》 同济大学出版社，2001
第二章 建模方法及汽车模型
当汽车作为一个自然界的实体来观察时，它是一个连 续性的振动系统。这个系统有许多在三维空间无数自由度 的单个部件组成。所以在进行汽车动力学时，通常先将实 体模型简化成不可变形、有一定质量和惯性矩的刚体，其 间连着弹簧和减震器。通过转化使汽车实际系统被由多个 质量块、弹性体和阻尼组成的理想系统所代替，而保留了 系统的基本特征。这样就能够计算很复杂的系统。根据上 述的简化处理和分析作出研究系统相应的力学模型，由相 应的力学理论基础建立研究系统的数学模型。根据系统的 数学模型，在获知系统参数的情况下对系统进行仿真、
5. 六自由度模型 通常在考虑发动机振动对整车的振动影响时，用此模
型。 此时，假设车架为刚体，发动机悬置于车架上，发动
机作为空间缸体，存在着X、Y、Z三个方向的平动和绕三 个坐标轴的转动，共计为六个自由度。
发动机的橡胶垫，被 看作为具有阻尼和刚度的结 合体。发动机整个刚体的固 有频率应避开发动机的怠速 激励频率，并与车架的固有 频率尽量不要重合。
8. 十三自由度模型 对一个非独立悬架的车辆，如果我们考虑发动机三个自
由度，车身三个自由度，座椅三个自由度，非簧载质量4 个自由度，此时可得到13个自由度模型。 §2.2 汽车系统建模应用实例 我们以考虑座椅垂直振动的 5自由度模型为例， 一：力学模型如图 二：数学模型
按照各部件的受力状况， 建立方程如下：
2a 例如图,若车身质量M=1500kg,回转半径c=1.1m，L1=1.5m， L2=1.6m，Ks1=36kN/m，Ks2=39kN/m，试确定车辆质心的 铅垂运动及绕质心的俯仰运动的主频率和主振型。
解：取质心相对于静平衡位置的坐标x及车体绕质心的转角 坐标系为两个广义坐标。由达朗伯原理建立如下方程：
频率方程为： 1500 2 7500
8400
8400
1815 2 180840 =0
（2）
即：
2.7225 4 407.385 2 13492.44 0
则求得固有频率为：
1 7.0344rad / s
2 10.0077rad / s
由方程（2）得： 则第一阶固有振型
r Z Ks1L1 Ks2 L2 M 2 Ks1 Ks2
c.计算机方法： 有限元法；多体动力学法 2.理论基础
①力学体系：牛顿定律，达朗贝尔原理，动量定理，动量矩 定理，拉格朗日方程，虚功原理
②线性系统理论和现代控制系统理论
汽车动力学参考书目
[苏] E. A.曲达可夫，《汽车理论》龙门联合书局，1954 [德] M.米奇克，《汽车动力学》，人民交通出版社，1992 [中] 余志生，《汽车理论》，机械工业出版社，1982 [中] 郭孔辉，《汽车操纵动力学》，吉林科学技术出版社， 1991 [加] 黄祖录，《地面车辆原理》， 机械工业出版社， 1985 [日] 小林明，《汽车力学》，机械工业出版社， 1982 [美] Thomas D. Gillespie. ，《Fundamentals of vehicle
①纵向动力学 驱动力，行驶阻力，制动力，ABS,CTS
②行驶动力学 汽车舒适性内容，1/4车，整车建模分析
③操纵动力学 车辆转向特性，稳定裕度：bKr-aKf
50年代，随着科技的发展，控制论，系统论理论体系的建立， 人们的思想有了质的飞跃，系统的观点引入汽车产生了汽 车系统动力学。此时把汽车看作为系统，系统中，汽车对 人产生影响，人对汽车产生作用。人-车-路作为一个系统 看待，汽车系统动力学产生分支，可分为：汽车地面力学、 汽车轮胎力学、汽车空气动力学、汽车操纵动力学、人机 工程学。
Vehicle System Dynamics
80年代国际上成立了车辆系统动力学学会（ Vehicle System Dynamics，简称VSD），总部设在荷兰，定期出 版刊物《Vehicle System Dynamics》并举行学术年会，发 表了大量的最新研究成果，使汽车动力学的研究发展到一 个崭新的阶段。
③数学等效模型：动态行为的数学形式是相同的，可 用等效的常系数微分方程来描述 数学模型有理论建模和试验建模两类： a.理论建模是指从机械结构的设计图样出发，作出必要的假 定和简化，根据力学原理建模。
系统分析法 理论方法： 状态空间法
健合图法 b.试验建模包括系统识别和参数识别。
实验方模法态:分析法 参数识别法
弹性系数减振系数）
§时，把汽车分成三个部分考虑： 车身、车架、车桥。汽车的部件看成刚体，且质量集中于质 心位置。由于汽车沿纵向平面看横向布置几乎是对称的，因 此可以把汽车沿纵向平面分开成为1/2汽车模型。对车身质 量由悬挂质量分配系数ε进行分配，当ε接近于1时，汽车 前、后轴上方车身部分的集中质量的垂向运动是相互独立的， 这样汽车的1/2模型就可以分解成汽车的1/4模型。 1. 单自由度系统
代入方程（1）得
M 2 Ks1 Ks2 Z Ks1L1 Ks2 L2 0
K s1L1 K s2 L2 Z Ic 2 K s1L21 K s2 L22 0
带入数据得：（IC=M c ）
1500 2 75000 Z 8400 0
8400Z 1815 2 180840 0
模拟计算分析。计算和研究的目的是研究系统的固有动态特 性（自由振动）和受迫振动特性（频率响应特性）。 模拟计算分析包括两个方面： ① 解析分析：利用工程数学方法并辅以相应的程序计算 ②仿真分析：利用CAD实体模型用动态仿真软件—虚拟仿 真技术 通常在计算分析中系统参数数据的获取方法：
实测法：利用相关仪器测量参数 传统计算法：根据几何尺寸确定参数（如质量、惯性矩、
假设汽车等速直线行驶， 只考虑车身垂直方向一个自由度Z 悬架可简化成图2-1模型 方程：
MZ CsZ KsZ F cost
2. 两自由度系统模型
a、考虑Z方向上的振动及绕Y轴的俯
仰运动，此为研究汽车点头时模型。
MZ K s1 Z L1 Ks2Z L2 0 Ic Ks1Z L1 L1 Ks2Z L2 L2 0
3.重要性：①阐述汽车运动规律的理论基础 ②汽车动态设计的必要手段 ③当今汽车技术发展的四大主题都与汽车动 力学密切相关
安全、节能、降低污染、舒适
4.内容： 研究内容范围很广，包括车辆纵向运动及其子系统的动力 学响应，还有车辆垂向和横向动力学内容。及行驶动力 学和操纵动力学。行驶动力学研究路面不平激励，悬架 和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰运动；操纵动力学 研究车辆的操纵稳定性，主要是轮胎侧向力有关，引起 的车辆侧滑、横摆、和侧倾运动。
TCS(驱动力控制),ASR,VDC(动力学控制),4WS,PPS(液压助 力),