汽车系统动力学

汽车系统动力学

武一民

河北工业大学机械学院车辆工程系

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。

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。

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

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ADMAS,ABS, TCS(驱动力控制),ASR,VDC(动力学控制),4WS,PPS(液压助力),

§1.2汽车系统动力学的研究内容

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

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.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。

①纵向动力学

驱动力，行驶阻力，制动力等，包含：ABS（防抱死制动系统），CTS(驱动力控制系统),ASR（驱动防滑控制系统）,VDC(动力学控制),4WS（四轮转向系统）,PPS(液压助力),

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。

80年代国际上成立了车辆系统动力学学会（V ehicle System Dynamics，简称VSD），总部设在荷兰，定期出版刊物《V ehicle 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。

5.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。

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

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Q

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+

Q

C

K

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动力学分析软件ADMAS，混合刚柔多体动力学分析软件RecuDyn，用于汽车碰撞安全仿真的显式动力学分析软件LS-DYNA，

③“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

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。

模态分析法

参数识别法

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

[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

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