车辆系统动力学发展1
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。
汽车系统动力学
1汽车系统动力学的主要研究内容、范围及其发展方向。
答：内容和范围：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特性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引起车辆的侧滑、横摆和侧倾运动。
发展方向：计算机技术和控制技术共同推动了现代汽车系统动力学的发展。
随着各种底盘控制系统在车辆中应用的增长趋势及各功能控制系统集成程度的日益提高，车辆动力学在未来车辆控制系统设计中的作用将愈加重要，可以预见，未来的发展将在车辆主支控制、车辆多体动力学和向“人—车—路”闭环系统的扩展等方面有所体现。
2汽车空气阻尼及怎么样降低汽车空气阻力。
答：汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力成为空气阻力。
空气阻力是空气对前进中的汽车形成的一种反向作用力，它的计算公式是：×sc w v2其中v为行车速度；s为汽车横截面面积，c w为风阻系数。
空气阻力跟速F D=116度成平方正比关系，也就是说：速度增加1倍，汽车受到的阻力会增加3倍。
因此高速行车对空气阻力的影响非常明显，车速高，发动机就要将相当一部分的动力，或者说燃油能量用于克服空气阻力。
换句话说，空气阻力小不仅能节约燃油，在发动机功率相同的条件下，还能达到更高的车速。
空气阻力的大小除了取决于车的速度外，还跟汽车的截面积s和风阻系统c w有关。
通过改善汽车的空气动力学性能，比如变化尾翼、底盘罩、前部进风口和轮毂帽，都能降低风阻系数。
而降低车身高度，等于减小了截面积，或使车身更多地着盖住轮子，也有利于降低空气阻力。
3描述主动悬架的工作原理。
答：主动悬架的控制环节中安装了能够产生抽动的装置，采用一种以力抑力的方式来抑制路面对车身的冲击力及车身的倾斜力。
一、动力学的发展过程分为三个阶段
一、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.引入前独立悬架阶段三（1952年以后）1.通过试验结果和建模，加深了对轮胎特性的了解2.在两自由度操纵模型的基础上，建立了包括侧倾的三自由度操纵动力学方程3.扩展了对操纵动力学的分析，包括稳定性和转向响应特性分析4.开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测二、1.定义：汽车系统动力学就是把汽车看作是一个动态系统，对其行为进行研究，讨论其数学模型和响应。
2.目的：是研究汽车受的力及其与汽车运动之间的相互关系，找出汽车主要性能的内在规律和联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据动力学：包括一切与车辆运动系统有关的方面，包括轮胎力学、驱动特性（动力性能）、制动特性、空气力学特性、操纵稳定性、平顺性、驾驶员—汽车—环境闭环系统特性等内容。
而最核心的是行驶动力学（平顺性）和操纵动力学（操纵稳定性）两大领域。
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（安全、节能、降低污染、舒适）都与汽车动力学密切相关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。
三、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。
汽车系统动力学
汽车系统动力学
1 什么是汽车系统动力学
汽车系统动力学是一个新兴的技术领域，它是汽车技术的分支，
专注于研究和设计汽车系统的总体行为。
该领域主要关注汽车的运动
规律、动力学和控制特性。
汽车系统动力学的研究旨在发展改善汽车
性能并适应日新月异的技术变化和社会需求。
2 动态特性
汽车系统动力学考虑多个机械系统的动态行为，以全面评估和调
整车辆的性能。
它是建立汽车的核心内容，涉及汽车的悬架系统、动
力系统、发动机、传动系统和控制系统的研究与设计。
动力学技术可
以通过实验和数值分析的方法，精确计算车辆的动力和运动特性，提
高车辆的整车性能，提高可靠性和安全性。
3 模拟与控制
把汽车系统抽象化，建立一个车辆动力学模型，可以使研究者以
虚拟的方式实现无限的试验。
运行模拟，发现汽车的动力和控制问题，这也是汽车技术发展中不可替代的方法。
同时，采用模拟技术可以大
大减少汽车系统开发周期。
4 汽车系统动力学的未来发展
汽车系统动力学是一个容易引起现代技术的新领域，随着技术的
不断更新，汽车系统动力学也在发生变化，多层次有趣的课题正在研
究，比如自动驾驶系统的研究，发动机的新能源研究等。
由于其独特
的特性，汽车系统动力学还可以发展到其他领域，如人体工程学，机
器人及空间科学等，将更多新奇的机器人及汽车系统动力学应用于日
常生活中。
汽车系统动力学融合了物理学、数学、机械工程，以及一系列的
有关技术，是一个全新的领域，它将与日俱增，未来有很大发展潜力。
汽车系统动力学习题答案
汽车系统动⼒学习题答案1.汽车系统动⼒学发展趋势随着汽车⼯业的飞速发展，⼈们对汽车的舒适性、可靠性以及安全性也提出越来越⾼的要求，这些要求的实现都与汽车系统动⼒学相关。
汽车系统动⼒学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较⼴，除了影响车辆纵向运动及其⼦系统的动⼒学响应，还有车辆在垂向和横向两个⽅⾯的动⼒学内容，随着多体动⼒学的发展及计算机技术的发展，使汽车系统动⼒学成为汽车CAE技术的重要组成部分，并逐渐朝着与电⼦和液压控制、有限元分析技术集成的⽅向发展，主要有三个⼤的发展⽅向：（1）车辆主动控制车辆控制系统的构成都将包括三⼤组成部分，即控制算法、传感器技术和执⾏机构的开发。
⽽控制系统的关键，控制律则需要控制理论与车辆动⼒学的紧密结合。
（2）多体系统动⼒学多体系统动⼒学的基本⽅法是，⾸先对⼀个由不同质量和⼏何尺⼨组成的系统施加⼀些不同类型的连接元件，从⽽建⽴起⼀个具有合适⾃由度的模型；然后，软件包会⾃动产⽣相应的时域⾮线性⽅程，并在给定的系统输⼊下进⾏求解。
汽车是⼀个⾮常庞⼤的⾮线性系统，其动⼒学的分析研究需要依靠多体动⼒学的辅助。
（3）“⼈—车—路”闭环系统和主观与客观的评价采⽤⼈—车闭环系统是未来汽车系统动⼒学研究的趋势。
作为驾驶者，⼈既起着控制器的作⽤，⼜是汽车系统品质的最终评价者。
假如表达驾驶员驾驶特性的驾驶员模型问题得到解决后，“开环评价”与“闭环评价”的价值差别也许就不存在了。
因此，在⼈—车闭环系统中的驾驶员模型研究，也是今后汽车系统动⼒学研究的难题和挑战之⼀。
除驾驶员模型的不确定因素外，就车辆本⾝的⼀些动⼒学问题也未必能完全通过建模来解决。
⽬前，⼈们对车辆性能的客观测量和主观之间的复杂关系还缺乏了解，⽽车辆的最终⽤户是⼈。
因此，对车辆系统动⼒学研究者⽽⾔，今后⼀个重要的研究领域可能会是对主观评价与客观评价关系的认识2.⽬前汽车系统动⼒学的研究现状汽车系统动⼒学研究内容范围很⼴，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。
车辆系统动力学
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。
4. 系统具有功能共性
系统中存在着物质、能量和信息的流动， 并与外界(环境)进行物质、能量和信息的交 流，既可以从外界环境向系统输入或从系统向 外界环境输出物质、能量和信息。这是任何系 统都具有的功能，称为系统的功能共性。如汽 车系统中把燃料的燃烧热能转换为汽车的行驶 动能，在这一过程中，发动机吸收氧气，而排 除废气。这一过程有能量的交流，也有物质的 交流。
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。 本文主要是研究人工的物理系统及其特性。 如果把汽车的构成看成是一大系统，那么这一系 统应表示为(如图1-1)：
一个系统可能由若干个环节组成，画出各环节的 方框图，然后将这些方框图联系起来，就构成了系 统的方框图。因此，方框图是数学模型－传递函数 的图解化 。
车辆系统动力学结构模型
mb2
Ib2
kp
mw4
zw4
cp
z b2 b2
mw3
zw3
I hp
m 2lc
oc
hp
zc c
cs
kp
mb1
Ib1
cp
zb1 b1
mw2
zw2
mw1
zw1
29
车辆部件受力分析
Fs(2)
Mc. g
Fs (1)
Fp(4) Mb. g Fp(3)
Fp(2) Mb. g Fp(1)
Fw(4)
Fw(3)
Fw(2)
Mb Kp Cp zb
Mw
zw
19
三自由度系统振动方程
（7.3）
M c zc cs (zs zb ) k s (zs zb ) 0
M b zb cs (zs zb ) k s (zs zb ) c p (zb zw ) k p (zb zw ) 0
M w zw c p (zb zw ) k p (zb zw ) 0
Fs
Fg
mx Fg Fs
Fg mg
mx cx kx mg
Fc kx cx
x (Fg Fs ) / m
xn1
xn1
xn xn
xnt (1/ 2 )xnt2 (1 )xnt xn1t
xn1t 2
(2)
17
m 1000kg, k 108 N/m, c 104 N s/m, t 10-4, 0.5
26 22 30 34
17 18
33
29 21 25
11,12 3,4
9,10 1,2
1-8 轮轨力 17-20 中央悬挂力 25-28 抗蛇行减振器阻尼力 33-36 牵引拉杆力
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
车辆系统刚柔耦合多体动力学的发展综述
车辆系统刚柔耦合多体动力学的发展综述摘要：随着科技的发展，货物列车的轻量化设计成为趋势。
采用轻型部件可以显著地降低车辆的质量，达到了货车重载、低动力的目标。
轻型部件的刚度小，采用传统刚体模型不能准确模拟实际性能。
本文介绍了刚柔耦合多体动力学的发展，研究证明刚柔耦合模型可以比较准确的模拟实际车辆的性能。
关键词：重载货车、刚柔耦合、多体动力学1引言重载货车的大轴重转向架的低动力设计以及车体的轻量化设计都要求尽量地降低质量，所以在重载货车设计中应用了大量轻型部件。
传统的车辆动力学仿真计算将车辆中的各个部件均考虑为刚体，根据实际情况，刚体之间、刚体与固定坐标系之间用铰接、力元等联系起来，以此建立车辆动力学模型进行仿真计算。
由于轻型部件的刚度比以前的小，而车辆运行速度的提高，部件之间的作用力增大，所以这些部件在车辆运行的过程中会产生相对较大的弹性变形。
所以这种将所有部件全部考虑为刚体建立的模型不能准确地反映现代新设计的车辆的性能。
因此，将车辆结构中一些刚度比较小、在运行过程中可能发生弹性变形的一些部件考虑为柔性体，其它部件仍考虑为刚体，以此建立的车辆系统刚柔耦合多体动力学模型可以更准确的模拟实际车辆的性能。
这种方法在车辆动力学模拟及部件疲劳寿命预测中得到了广泛应用。
2刚柔耦合多体动力学原理多体系统是由若干刚体或柔体通过力元或铰连接而成的一个完整系统。
多体系统的基本元素包括：惯性体、力元、约束和外力(偶)。
多体系统动力学主要应用在机构的静力学分析、特征模态分析、线性响应分析、运动学分析和动力学分析等，主要是应用计算机技术进行复杂机械系统的动态仿真分析。
柔性多体系统动力学主要研究客体本身刚度较低、受冲击易发生变形或客体的附属部件刚度较大而本身刚度较低，在进行耦合之后，会产生弯曲、变形等特征的大型动力学系统，分析动力学特性时需要考虑其弹性振动的影响。
由于柔性体上任意两点的位移在受到外界激励的情况下会发生位移变化，所以，多柔体系统不但需考虑零部件之间连接元件的刚度、阻尼等特性，还需要考虑部件本身结构的变化特征。
车辆系统动力学报告
车辆系统动力学报告
车辆系统动力学报告是对车辆的动力学性能进行分析和评估的报告。
动力学是研究物体在运动过程中的力学性质和力学规律的学科，车
辆动力学则是研究车辆运动的力学性质和规律。
车辆系统动力学报告一般包括以下内容：
1. 车辆运动学分析：对车辆的运动状态进行分析，包括位移、速度、加速度等参数的计算和分析。
2. 动力学模型建立：建立车辆的动力学模型，包括车辆的质量、惯性、摩擦等参数的确定。
3. 动力学性能评估：根据动力学模型，对车辆的动力学性能进行评估，例如加速度、制动距离、悬挂系统的稳定性等。
1
4. 动力学优化设计：根据动力学性能评估结果，对车辆的设计进行优化，从而提高车辆的动力学性能。
5. 动力学仿真分析：通过使用动力学仿真软件，对车辆的动力学性能进行模拟和分析，从而预测车辆在不同工况下的行驶性能。
6. 动力学实验验证：通过实际的测试和测量，验证动力学模型和仿真结果的准确性，进而提供更可靠的动力学性能评估结果。
总之，车辆系统动力学报告旨在分析和评估车辆的动力学性能，并提出优化设计建议，以提高车辆的运动性能和安全性。
2。
车辆系统动力学
车辆系统动力学概述车辆系统动力学是研究车辆运动和控制的重要分支，主要关注车辆在不同条件下的运动特性和动力学行为。
它涉及到车辆控制、悬挂系统、轮胎力学、车辆稳定性等多个方面的知识，并在实际应用中对车辆的设计、开发和安全性能有着重要作用。
车辆运动模型在车辆系统动力学中，常用的车辆运动模型有点模型、刚体模型和多体模型。
点模型点模型是简化的车辆运动模型，将车辆简化为质点，只考虑车辆的整体运动特性，忽略车辆的细节结构和内部力学行为。
虽然点模型失去了对车辆细节的描述，但其简单性使得其在一些特定的场景中得到广泛应用，如路径规划、运动控制等。
刚体模型刚体模型是将车辆看作一个刚性物体，不考虑车辆内部部件的变形和变动。
其关注车辆整体的旋转和平移运动状态，通过刚体模型可以研究车辆的稳定性、操控性和安全性能，对车辆动力学的分析具有重要意义。
多体模型多体模型是将车辆分解为多个连接的刚体，考虑车辆内部各个部件之间的相互作用和相互影响。
多体模型可以更准确地描述车辆的运动特性，并考虑轮胎和地面之间的接触力、悬挂系统的影响等因素，对于研究车辆的运动控制和动力学行为更具有实用性。
轮胎力学轮胎是车辆系统动力学中一个重要的组成部分，其力学特性对车辆的运动和稳定性有着直接影响。
轮胎在车辆运动过程中扮演着传递动力、提供支撑力和提供制动力的重要角色。
轮胎的力学特性主要包括纵向力学、横向力学和侧向力学。
纵向力学纵向力学研究轮胎在车辆加速和制动过程中的力学行为。
在车辆加速时，轮胎需要传递动力到地面，提供足够的附着力，以确保车辆的稳定性。
在制动过程中，轮胎需要提供足够的制动力，使得车辆能够迅速停下来。
了解轮胎的纵向力学特性对于车辆的动力学行为分析和控制具有重要意义。
横向力学横向力学研究轮胎在车辆转向过程中的力学行为。
在车辆转向时，轮胎需要提供足够的侧向力，以保持车辆的稳定性。
横向力学的研究对于车辆的操控性能分析和提升具有重要意义。
侧向力学侧向力学研究轮胎在侧向偏移和滑移过程中的力学行为。
车辆系统动力学一PPT课件
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8
第一节 车辆系统运动认识
•车辆系统是一个复杂的多自由度的动态系 统 •一般情况下，车辆系统考虑成多刚体系统， 如车体、构架等 •每一刚体可考虑成6个自由度，三个位移 和三个转动，沿x,y,z轴3个方向的直线运 动和绕三根轴的回转运动。
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9
6个名称： 1、伸缩振动 2、横摆振动 3、浮沉振动 4、侧滚振动 5、点头振动 6、摇头振动
针对被动悬挂的局限性，20世纪50年代便有学者 提出了主动悬挂的概念。主动悬挂实际上是一个 闭环控制的动力驱动系统，通过合理调节输入到 减振系统的能量来抵消来自外界的激扰，从而达 到减振的目的。
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半主动悬挂的概念于20世纪70年代中期提出，半主 动悬挂采用阻尼特性可调的可控减振器和/或刚度特 性可调的可控弹簧作为作动器，通过实时调节可控减 振器的阻尼特性或可控弹簧的刚性特性，间接地获得 合理的悬挂力。实际应用中，可控弹簧实现起来比较 困难，目前的半主动悬挂一般采用可控减振器。
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当列车与对面列车交汇行驶时会产生多大程度的振 动？同时会产生多大的横向压力？
在新建供各种不同速度车辆行驶用的线路时，如何 考虑复线间隔、舒适度和安全上的限制？
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5、脱轨安全性
如何保证列车既能够高速行驶又不至于脱轨？
当外界因素如地震、泥石流等引发大面积轨 道转移时，车辆能否保证不脱轨？ 对于目前脱轨安全评价标准体系中仍无法评估 的振动，将如指同一车辆两转向架中心之 间的纵向距离，车辆定距决定了车辆长度和载 客量。客车/动车组25m，轻轨车辆一般为13m， 货车一般9m。
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4、轴箱悬挂。是将轴箱和构架在纵向、横向以 及垂向联接起来，并使两者在这三个方向的相 对运动受到相对约束的装置。 对于客车/动车组而言，主要包括轴箱弹簧、轴 箱定位装置以及轴箱减振器等。 5、中央悬挂。是将车体和构架/侧架联结在一起 的装置，一般具有衰减车辆系统振动、提高车 辆运行平稳性和舒适性的作用。
车辆系统动力学第一章 (2)
一、转向架基本作用及要求
运输：车辆上采用转向架是为增加车辆的载重、 长度与容积，提高列车运行速度，以满足铁路运 输发展的需要；
运动形式转换：保证在正常运行条件下，车体都 能可靠地坐落在转向架上，通过轴承装置使车轮 沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动；
轴重设计
轴重不应过高，以便将轮和轨的磨损降至最低水 平，并可避免疲劳；
轴重不应过低，以便保证交叉风的稳定性，特别 是对于头车来说更应如此；
达到最好均衡轴重分配因素如下： 运行稳定性 车轮磨损 交叉风的稳定性 粘着力 疲劳情况
车体几何学设计
车体横断面应相对于限 界来优化（考虑动态包 络线）；
因此，本课程将围绕采取哪些措施来提高或获 得优良的车辆系统动力学性能来讲解。
• 结构形式设计与要求 • 参数设计与要求
第一章 概论
24
课程讲解思路
讲解思路
结构与参数 轨道不平顺 动力学计算
轮轨接触 轴箱定位 中央悬挂
动力学模型
第一章 概论
25
转向架基本结构及功能实现 • 转向架基本作用及要求 • 客车转向架基本结构
车辆动力学基础 任尊松
北京交通大学 机电学院
第一章 概论
1
高速列车/动车组的运行要求
稳定性
舒适性
安全性
可靠性
经济性
高速
第一章 概论
振动的加剧，相对运动的速度提高
2
第一章 概论
第一节 第二节 第三节 第四节
第五节 第六节
研究内容和目的 车辆动力学研究与实践 铁路发展趋势 世界高速铁路
我国铁路高速技术发展
❖ 上世纪90年代，国外技术进入相对成熟期；
❖ 国内在70年代末在该方面的研究才真正开始起步， 并形成对国外先进技术的追赶之势；但终因基础薄 弱、起步晚，虽然经过20多年的致力发展，目前仍 与国外先进技术有一定的差距。
车辆系统动力学课件
11
Vehicle System Dynamics
1.3 车辆特性和设计方法
1、期望的车辆特性
● 操纵动力学：人为因素多（驾驶员）
评价：利用系统转向特性，开环评价和闭环评价（如图）
Open
Closed
2021/4/14 星期三
12
Vehicle System Dynamics
1.3 车辆特性和设计方法
47
轮胎模型
2021/4/14 星期三
48
轮胎模型
2021/4/14 星期三
49
第3章 轮胎动力学
概述 轮胎的功能、结构与发展 轮胎模型 轮胎纵向动力学 轮胎垂向动力学 轮胎侧向动力学
2021/4/14 星期三
50
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
51
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
2021/4/14 星期三
20
动力学方程的建立方法
2021/4/14 星期三
21
动力学方程的建立方法
2021/4/14 星期三
22
Hale Waihona Puke 动力学方程的建立方法2021/4/14 星期三
23
动力学方程的建立方法
2021/4/14 星期三
24
第2章 车辆动力学建模方法
动力学方程的建立方法 动力学方程的求解方法 从控制工程角度看动力学系统 处理动力学系统的方法和步骤
59
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
60
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
61
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
62
第3章 轮胎动力学
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。
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车辆系统动力学发展1汽车系统动力学的发展和现状摘要：近年来，随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车的舒适性、可靠性以及安全性也提出越来越高的要求，这些要求的实现都与汽车系统动力学相关。
汽车系统动力学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有车辆在垂向和横向两个方面的动力学内容。
本文通过对汽车系统动力学的的介绍，对这一新兴学科的发展和现状做一阐述。
关键字：汽车系统动力学动力学响应发展历史Summary：In recent years, with the rapid development of automobile industry, people on the vehicle comfort, reliability and safety are also put forward higher requirements, to achieve these requirements are related to vehicle system dynamics.Vehicle system dynamics is the study of all related to the movement of the car system discipline, it involves the scope is broad, in addition to the effects of dynamic response of vehicle longitudinal motion and its subsystems, and vehicles to and dynamic content crosswise twoaspects in the vertical.Based on the vehicle system dynamics is introduced, the development and status of this emerging discipline to do elaborate. Keywords：Dynamics of vehicle system dynamics Dynamic response Development history 0 引言车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科。
有关车辆行驶振动分析的理论研究，最早可以追溯到100年前。
事实上，知道20世纪20年代，人们对车辆行驶中的振动问题才开始有初步的了解；到20世纪30年代，英国的Lanchester、美国的Olley、法国的Broulhiet开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。
开始出现有关转向、稳定性、悬架方面的文章。
同时，人们对轮胎侧向动力学的重要性也开始有所认识。
在随后的20年中，车辆动力学的进展甚微。
进入20世纪50年代，可谓进入了一个车辆操纵动力学发展的“黄金时期”。
这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域（即侧向加速度约小于0.3g）理论体系。
随后有关行驶动力学的进一步发展，是在完善的测量和计算手段出现后才得以实现。
人们对车辆动力学理解的进程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。
随后的几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽车产品竞争中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。
计算机及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高。
在过去的70多年中，车辆动力学在理论和实际应用方面也都取得了很多成就。
在新车型的设计开发中，汽车制造商不仅依靠功能强大的计算机软件，更重要的是具有丰富测试经验和高超主观评价技能的工程师队伍。
传统的车辆动力学研究都是针对被动元件的设计而言，而采用主动控制来改变车辆动态性能的理念，则为车辆动力学开辟了一个崭新的研究领域。
在车辆系统动力学研究中，采用“人—车—路”大闭环的概念应该是未来的发展趋势。
作为驾驶者，人既起着控制器的作用，又是车辆性能的最终评价者。
控制技术的应用，使得车辆设计的目标可以是：力求使车辆系统在各种工况下都有一种较易为驾驶者适应的特性[2~4]。
1 历史回顾回顾车辆动力学的发展过程，首先要肯定20世纪30年代英国的Lanchester对这门学科的早期发展所做的贡献。
另一位本学科发展有卓越贡献的人物是美国的Olley，他率先系统的提出了操纵动力学分析理论。
1932年Olley在美国狄拉克公司建立了著名的“K2”试验台（一个具有前后活动质量的车架），来研究前后悬架匹配及轴距对前后轮相位差的影响。
以Olley为核心人物提出的有关行驶平顺性问题的讨论一直延续到20世纪30年代末，其中关于车身震动、固有频率、俯仰固有频率机器与前后悬架刚度匹配关系等重要问题的讨论极为有意义。
在随后的20年中，车辆动力学进展甚微。
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。
在1993年举办的一次关于车辆舒适性和操纵稳定性的会议上，Segel发表了一篇重要的演讲，对车辆动力学的发展进行了系统的回顾。
在他的文章中，他以自己的深刻理解回顾了这门学科的发展，并以阶段划分的方式对本门学科的早期成就进行了概括。
动力学的发展过程分为三个阶段[8~9]：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引入前独立悬架阶段三（1952年以后）①通过试验结果和建模，加深了对轮胎特性的了解②在两自由度操纵模型的基础上，建立了包括侧倾的三自由度操纵动力学方程③扩展了对操纵动力学的分析，包括稳定性和转向响应特性分析④开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测随后几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在产品中的重要作用。
随着计算机技术的发展,复杂的模型得到了明确的表达的方便的求解。
随后的发展中，逐步引进ABS（防抱死制动系统）, TCS(驱动力控制系统),ASR（防滑转控制）,DCS(动力学控制),PPS(液压助力)，等技术，推动着汽车工业的发展。
2 汽车系统动力学的研究内容和范围2.1 定义：汽车系统动力学就是把汽车看作是一个动态系统，对其行为进行研究，讨论其数学模型和响应。
2.2 目的：是研究汽车受的力及其与汽车运动之间的相互关系，找出汽车主要性能的内在规律和联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据2.3 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④安全、节能、降低污染、舒适2.4 研究内容：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。
2.4.1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部分。
2.4.2行驶动力学行驶动力学研究中的首要问题是建立考虑悬架特性在内的车辆动力学模型，而分析这些动力学问题的最简单的数学模型应该是具有七自由度的整车系统模型。
随着功能愈来愈强大的多体动力学仿真软件的普及应用，包括衬套等复杂细节在内的车辆模型也可以方便地解决。
2.4.3操纵动力学[1]由于轮胎的重要性，因此操纵动力学建模中必须要与轮胎模型精度相吻合。
分析车辆操纵特性可以从最基本的两自由度车辆模型入手，该模型中，车辆向前的速度被假定为恒定的，而两个变量是车辆的侧向加速度和横摆速度。
经过对基本模型的动力学分析，得到了一个关于车辆操纵特性的最基本的概念，即车辆的“不足或过度转向”特性。
通常，操纵动力学的研究范围分为三个区域，即：（1）线性域：侧向加速度约小于0.4g时，通常意味着车辆在高附着路面作小转向运动；（2）非线性域：在超过线性域且小于极限侧向加速度（约为0.8g）范围内；（3）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。
3 发展趋势车辆动力学研究由被动元件设计转变为采用主动控制来改变车辆动态性能。
随着多体动力学的发展及计算机技术的发展，使汽车系统动力学成为汽车CAE技术的重要组成部分，并逐渐朝着与电子和液压控制、有限元分析技术集成的方向发展。
3.1 车辆主动控制车辆控制系统的构成都将包括三大组成部分，即控制算法、传感器技术和执行机构的开发。
而控制系统的关键，控制律则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合。
3.2 多体系统动力学多体系统动力学的基本方法是，首先对一个由不同质量和几何尺寸组成的系统施加一些不同类型的连接元件，从而建立起一个具有合适自由度的模型；然后，软件包会自动产生相应的时域非线性方程，并在给定的系统输入下进行求解。
系统方程组可以写成这样一个通式：MX=F式中M表示一个系统参数矩阵，F为所有外力的矢量。
3.3 “人—车—路”闭环系统和主观与客观的评价采用人—车闭环系统是未来汽车系统动力学研究的趋势。
作为驾驶者，人既起着控制器的作用，又是汽车系统品质的最终评价者。
假如表达驾驶员驾驶特性的驾驶员模型问题得到解决后，“开环评价”与“闭环评价”的价值差别也许就不存在了。
因此，在人—车闭环系统中的驾驶员模型研究，也是今后汽车系统动力学研究的难题和挑战之一。
除驾驶员模型的不确定因素外，就车辆本身的一些动力学问题也未必能完全通过建模来解决。
目前，人们对车辆性能的客观测量和主观之间的复杂关系还缺乏了解，而车辆的最终用户是人。
因此，对车辆系统动力学研究者而言，今后一个重要的研究领域可能会是对主观评价与客观评价关系的认识[5~7]。
参考文献[1] 郭孔辉著.汽车操纵动力学[M].长春：吉林科学技术出版社，1991[2] 林逸，施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[M].公路交通科技，2001,18（3）：79～87[3] 中国汽车技术研究中心标准所.汽车定型与通用试验方法标准汇编[M].天津：中国汽车技术研究中心，1994[4] 林逸，陈欣.轿车悬架系统空间多提弹性系统运动学研究[J].中国公路学报，2000，13（3）：120～122[5] 崔胜民.汽车系统动力学研究内容综述[D].山东工程学院学报，1995,9（4）：32～34[6] 温吾凡,张本德. 多刚体系统动力学及其在汽车动力学分析中的应用[J]. 汽车工程. 1986(04)[7] 林逸,张洪欣,李润,温吾凡. 多刚体系统动力学在汽车单斜臂悬架运动分析中的应用[J]. 吉林工业大学学报. 1987(02)[8] Lanchester F W.Some problems peculiar to the design of automobile[J].Automobile Engineers,1908,II:187[9] Olley M.Road manners of the modern car[J].Automobile Engineers,1946-47,51:147～182[10]唐岚，李涵武．汽车测试技术[M]．北京：机械工业出版社，2006．。