车辆动力学(1)

东北大学

研究生考试试卷

考试科目：车辆动力学

阅卷人：

考试日期：2011.05

姓名：代洪伟

学号：*******

东北大学研究生院

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。

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。

（a）机械转向系统

机械转向系统以驾驶员的体力作为转向动力源，所有传力件都是机械的。驾驶员通过操纵转向盘施加转向力。后者经过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮从而实现汽车的转向运动。

（b）液压助力转向系统

液压转向系统(HPS)一般由储液罐、油泵、油管、转向控制阀、助力油缸及机械转向系统组件等构成。转向控制阀根据转向盘和转向力矩的大小控制通向助力油缸的油压，控制转向助力的大小。

（c）电控液压动力转向系统

电控液压动力转向系统(EHPS)对液压助力转向系统的不足进行了改进，它在液压助力转向系统中增加了电子控制和执行元件，将车速信号引入系统中，实现车速感应型助力特性。

（d）电动助力转向系统

电动助力转向系统(EPS)是一种直接依靠电动机提供转向助力的转向系统。