汽车系统动力学复习

汽车系统动力学

1.车辆系统动力学研究的内容和范围有哪些？

研究内容：（1）路面特性分析、环境分析及环境与路面对车辆的作用；

（2）车辆系统及其部件的运动学和动力学；车辆内各子系统的相互作用；

（3）车辆系统最佳控制和最佳使用；

（4）车辆－人系统的相互匹配和模型研究、驾驶员模型、人机工程等。

研究范围：（1）车辆纵向运动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) ；

（2）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。2.纵向动力学、行驶动力学和操纵动力学研究的内容有哪些？

答：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，并由此引起车辆侧滑、横摆和侧倾运动。

3.车辆系统动力学涉及哪些理论基础？

答：（1）牛顿矢量力学体系

（2）分析力学体系

（3）虚功率原理

（4）高斯原理

4.何谓多体系统动力学？多刚体系统动力学与多柔体系统动力学各有何特点？有何区别？简单写出多刚体系统动力学在车辆系统动力学研究中的一个应用、

答：多体系统动力学(包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学)是研究多体系统(一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成)运动规律的科学。

多刚体系统动力学特点：多刚体系统动力学的研究对象一般为比较复杂的多体系统，其结构和连接方式也是多种多样的，建立动力学方程很困难；并且，系统的动力学方程多为高阶非线性方程，动力学方程的建立和求解都必须由计算机去完成。

多柔体系统动力学特点：多柔体系统动力学是多刚体系统动力学、分析力学、连续介质力学、结构动力学等多学科交叉发展的产物。

多柔体系统与多刚体系统的区别是：它包含了柔性部件，其变形不可忽略，其逆运动学具有不确定性；它与结构力学的区别是，部件在自身变形运动的同时，在空间中经历着大的刚性移动和转动，刚性运动和变形运动相互影响、强烈耦合。多柔体系统是一个时变、高度耦合、高度非线性的复杂系统，其理论和方法有着自己的独特性。多柔体系统动力学研究可变形体和刚体所组成的系统在经历大范围空间运动时的动力学行为。多刚体系统动力学是将系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各部件连接点(铰接点)处的弹性、阻尼等影响；而多柔体系统动力学则在此基础上还要进一步考虑部件的变形。多刚体系统动力学侧重的是“多体”方面，研究各个物体刚性运动之间的相互作用及其对系统动力学行为的影响；多柔体系统动力学则侧重“柔性”方面，研究柔性体变形与其整体刚性运动的相互作用或耦合，以及这种耦合所导致的独特的动力学效应。

应用：对汽车悬架动力学的分析，可将垂向、纵向及侧向的运动分析统一在同一模型中，将悬架对车辆的行驶平顺性、制动性及操纵稳定性的影响综合起来研究。

5.简述车辆建模的目的？

答：描述车辆的动力学特性，预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案；解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。

6.何谓轮胎侧偏角？何为轮胎侧偏刚度？影响轮胎侧偏的因素有哪些？

答：轮胎侧偏角是影响轮胎侧向力的一个重要因素，定义为车轮平面与车轮中心运动方向的夹角，顺时针方向为正，用α表示。

在小侧偏角的情况下，轮胎侧向力与侧偏角近似成比例，其比值称为轮胎侧偏刚度。

影响侧偏的因素：1.侧向载荷的影响。2.车轮定位的影响。

7.何谓轮胎模型？根据车辆动力学研究内容的不同，轮胎模型可分为哪几种？整车建模中对轮胎模型需考虑的因素有哪些？

答：轮胎模型描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系，即轮胎在特定工作条件下的输入和输出之间的关系。

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

(2)轮胎侧偏模型和侧倾模型

(3)轮胎垂向振动模型

需考虑的因素：1)在基本的线性操纵动力学模型中，轮胎只需产生与垂向载荷和侧偏角呈线性关系的侧向力(包括回正力矩)。

2)如果车辆模型考虑了车轮载荷重新分配的影响，那么轮胎模型还必须包括侧向力与轮胎垂向载荷的关系。

3)如果建模中还考虑了车身侧倾角与车轮外倾角的关系，那么轮胎模型中必须包含车轮外倾对轮胎力的影响。

4)在非线性域分析中(即侧向加速度大于0.3g时)，随着车辆模型复杂程度和精度的进一步提高，轮胎模型必须能充分考虑大侧偏角情况下的受力情况，并对其进行精确计算。

5)如果车辆模型包括纵向自由度，那么轮胎模型必须能产生纵向力。因此，在需要同时考虑纵向力和侧向力的联合工况下，轮胎模型必须能够在两个方向准确地分配所能获得的轮胎力。

8.简述轮胎噪声产生的机理？

答：(1)空气泵吸效应随着轮胎的滚动，空气在胎面与路面的空隙中被吸入和挤压。当压缩的空气在接地区间的出口处被高速释放到空气中时，就会产生噪声。

(2)胎面单元振动当轮胎滚动时，胎面单元作用于路面，当它离开接触区时，胎齿便由高变形状态下恢复，从而引起胎面噪声，此为主要的轮胎噪声源。同时，胎体振动、胎面花纹沟、花纹凸块空隙就像谐振管一样，也促进了轮胎的噪声辐射。

9.画出轮胎坐标系并标出六分力。

答：

10.车辆空气动力学研究的主要内容有哪些？车辆的空气阻力有哪些？产生的原因是什么？试分析空气阻力对汽车动力学性能的影响？

答：车辆空气动力学的主要研究内容：

1)通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道的设计来减小车辆的空气阻力。

2）在空气阻力一定的情况下，尽可能增加向下的气动压力以提高轮胎附着性，但同时减小对轮胎侧偏力的影响。

3)比例模型或全尺寸车辆空气动力学试验，以及对试验结果的分析。

4)研究空气动力与底盘设计及车辆使用情况之间的相互关系及影响。

阻力：车辆在路面上行驶时所受到的总的空气阻力由压差阻力分量(包括形状阻力、内循环阻力和诱导阻力)和摩擦阻力两大部分组成。

原因：形状阻力占压差阻力的大部分，主要与边界层流态和车身后端流体分离产生的尾涡有关。运动中车辆不仅被周围的空气所环绕，而且冷却总成和室内通风空调气流也会进出车辆。当冷却系统、发动机、驾驶区和乘客室被气流环绕时，由于摩擦和车辆内部的湍流以及气流分离而产生阻力。诱导阻力是伴随压差阻力所产生的附加阻力。由于空气粘性使其在车身表面产生切向力，它们在行驶方向的合力即为摩擦阻力。

影响：

11.简述风洞试验的特点？

答：风洞试验首先要做出车辆模型，然后安装在风洞的人工流场中，用仪器测量作用在模型上的力和力矩，以及用喷烟或气流染色或贴丝线等办法来观察模型附近流线的变化。风洞一般由动力段、收缩段、试验段以及扩散段组成。动力段的作用是鼓动空气在风洞中流动，以调节试验段中的风速。收缩段的作用是使气流加速，使其达到试验要求的速度。气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现气流分离，阻止旋转，消除涡流，保证出口的气流均匀、平直且稳定。试验段是放置被测车辆实车或模型的部分，是风洞的中心。试验段应能尽可能地模拟车辆的真实流场。扩散段是使气流速度降低，把气流的动能部分地转化为压力能，以减少洞壁的摩擦损失，节省风扇电动机的功率。

12.车辆的制动性能主要由哪三个方面评价？试分析汽车制动跑偏的原因。

答：1）制动效能，即制动距离与制动减速度。

（2）制动效能的稳定性，即抗热衰退性能，它是指车辆高速行驶或下长坡连续制动时保持一定制动效能的程度。

（3）制动时的方向稳定性，即制动时车辆不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。它通常用制动时车辆按给定路径行驶的能力来评价。

原因：

13.车辆动力传动系统由哪几部分组成？在激励作用下通常会产生何种振动？标出图示车辆简化扭振系统各部分名称？并说明其主要激振源。

答：组成：离合器、变速器、万向节、传动轴、主减速器、差速器、驱动半轴和轮毂，在激励作用下通常会产生弯曲振动和扭转振动。主要激振源是发动机。