汽车系统动力学综述

汽车系统动力学综述

摘要：本文通过对大量教科书和文献进行了分析，对汽车系统动力学的研究内容，研究方法及理论基础以及发展趋势做了清晰的阐述。

关键词：系统，汽车，系统动力学

1、系统及系统动力学概念

1.1 系统

“系统“这个名问含义很广，因此对系统的定义很多。我国著名科学家钱学森对系统作如下定义：“把很其复杂的研究对象称为系统．即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结

合而成的具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组

成部分”。

这表明系统具有以下特征：

1、具有层次性

系统是由两个以上的元素或元件组成的事物。一个大系统往往可以分成几个子系统，每个子系统又能分成几个更小的子系统，并且子系统都有与其他系统相区别的特性。所以如果将大系统分解，可以形成很多层次的结构，这就是系统的层次性。

2、具有整体性

系统由许多元素组成，但是系统的性能并不是各个元素性能的简单相加，而是相互影响，相互联系的，所以系统的整体功能具有各个元素所没有的更高的价值。例如一辆汽车是由发动机、传动系统、车轮、车身、操纵系等组成的。如果只有发动机，是不会自己行走的，但当发动机装在具有车轮的汽车底盘上时，就可以成为能够行驶的汽车。由此可见，研究系统应该从整体的观点来看。系统的性能是由其整体性能为代表的，而不是由某一元素所能代表的。

3、具有目的性

是指人工系统是为了某一个目的而构成的。目的不同，系统的构成也就不相同：例如货车是为运输货物这一目的而构成的，所以它必须有货箱来装载货物；而客车则是为运输乘客而设计的，所以必须有客箱和座椅，而运货设备就很小或者没有。

4、具有功能共性

系统中存在着物质、能量和信息的流动，并与外界进行物质、能量和信息的交流，即可以从外界环境输入或向外界输出物质、能量和信息。例如汽车系统把燃料燃烧所释放的能量转换为汽车的动能，这就是能量的流动。而在行驶过程中驾驶员从环境得到信息，加以判断，发出必要的指示信息，以保证汽车安全合理的运动，这就是信息流动。

1.2系统动力学

系统动力学就是讨论动态系统的数学模型和响应的学科。

当系统各变量对时间保持恒定时，称为静态系统。严格来讲真正的静态系统是没有的，而且根据静态分析结果来判断系统特性将会得到不全面或者是错误的结论。所以系统动力学的研究对象放在动态系统上，动态系统的行为是随时间变

化的，是时间的函数，动态系统分析比静态系统分析更为复杂，但更为必要，因为在动态的分析中可以考虑到许多外部干扰或者不稳定性。

2汽车系统动力学研究内容

2.1对纵向动力学的研究

纵向动力学研究车辆直线运动及其控制问题，主要是车辆沿前进方向的受力与其运动关系。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：在驱动动力学研究中，重点要了解车辆的行驶阻力，由此才能决定车辆驱动轮上所需的力矩和功率，以及能量消耗。它由两个最基本的部分组成：滚动阻力和空气阻力。它代表了车辆对动力和功率的要求，而车辆动力与传动系统则为车辆提供了对动力和功率的供应，需求与供应之间的平衡关系还与路面附着系数有关，直接影响车辆驱动性能。

在制动动力学研究中，重要要了解车辆的制动性能评价指标，其次是对车辆前后车轮制动力的分配关系和制动稳定性进行研究。

2.2对行驶动力学的研究

在行驶动力学研究中，最重要的问题是要建立起考虑悬架特性在内的车辆动力学模型，而最简单的数学模型就是具有七自由度的整车系统模型。

行驶动力学问题一般可分为两类：一类是可以通过数学建模来分析的行驶动力学问题，有人称之为“主要行驶舒适性问题”。另一类还有像15Hz高频振动的响应、更高频率范围内的振动噪声问题、悬架系统中橡胶村套的影响等等，这些几乎还没有办法用数学解析模型来准确地预测这些影响，这类问题被称为“次级行驶舒适性问题”。

2.3对操纵动力学的研究

轮胎对于汽车的操纵性具有重要的作用，因此操纵动力学建模中必须要与轮胎模型相吻合，否则建立的操纵模型将失去意义。

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0.3~0.4g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汽车系统动力学研究方法及理论基础

3.1研究方法

解决任何一个系统问题的首要步骤就是把实际问题抽象化，并转变为简化的模型。抽象是通过一种思维去分出现象的本质而抽出其中非本质和次要的性质的一种逻辑方法。

在抽象的基础上就要建立表达系统行为的物理或数学的模式，这就是所谓的物理模型和数学模型。模型也可以定义如下：模型是一种过程或行为的定量或定性代表，它应能显示对所考虑目标只有决定性意义的后果。

模型的分类：

1）比例的物理模型

该模型和实物的物理本质相同，仅在形状和尺寸上有差别。其优点是可以同时观察到整体的物理性能，并作一些记录等，能消除一些次要因素的干扰，能准确的预测系统的性能和参数间的关系。

2）数学等效模型

在工程中有不同的物理系统，但是其动态行为的数学形式是相同的。不同系

统的行为可以用等效的常系数微分方程来描述。这就使得我们用一种系统来模拟另一种系统成为可能。

3）数学模型

这种模型比实物模型、模拟模型更为抽象，但是在实物和数学模型间存在很强的相似性，它建立了一组法则或运算，从而将一个或多个元素（运算对象）与运动结果联系起来。它有很多种表示方法，例如数学方程式、方块图等。

模型建立的目的：

1）描述车辆动力学特性；

2）预测车辆性能并由此产生一个最佳研究方案；

3）解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。

3.2理论基础

在汽车系统动力学研究中，主要的理论基础有分析力学，分析力学是从能动量观点建立起来的，它利用广泛坐标作为独立参数来描述系统的运动，另一方面应用达朗贝尔原理将静力学中的虚位移原理推广到动力学问题中去，从而建立动力学普遍方程式，由此出发推导出可广泛应用的拉格朗日方程来建立系统的运动方程。用分析力学的方法可以较严格地阐明有限自由度体系振动的普遍规律和计算方法，而且所得的规律可推广于无限自由度体系。

另外，线性系统理论和现代控制系统理论，概率论及其分支随机过程以及人体工程学等也都是其理论基础。

4汽车系统动力学发展趋势

随着多体动力学的发展及相应软件的开发和成熟，功能强大的计算机软件能够有效的模拟复杂的车辆模型，使得汽车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、有限元分析等技术集成的方向发展。

传统的车辆动力学研究都是针对被动元件的设计而言的，而采用主动控制技术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。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能有一种较易为驾驶者适应的特性。

或许可以这样说，是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动控制、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。