汽车系统动力学基础

会计学1汽车系统动力学基础汽车系统动力学基础一.汽车是一种复杂产品为什么要研究汽车系统动力学？为什么要研究汽车系统动力学？容量：210L额定制热量：5320W额定出水温度：55最高出水温度：100太阳光吸收率：95%？第1页/共23页二.我们期望汽车具有什么样的性能？怎样达到设计目标？为什么要研究汽车系统动力学？为什么要研究汽车系统动力学？样样 机机控控 制制设设 计计性能优良的性能优良的汽车汽车初步设计试验评价理论评价计算理论车辆系统动力学是基础！第2页/共23页1、描述车辆的动力学性能。为什么要研究汽车系统动力学？为什么要研究汽车系统动力学？三、研究车辆动力学，为车辆设计、控制服务：2、预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案。3、解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。第3页/共23页研究内容与评价指标研究内容与评价指标1、纵向动力学 3、横向(操纵)动力学 2、垂向(行驶)动力学 第4页/共23页研究内容与评价指标研究内容与评价指标动力性、燃油经济性安全性：制动、驱动、操纵稳定性、被动安全性舒适性：平顺性、NVH机动性：通过能力可靠性、耐久性第5页/共23页多学科基础多学科基础轮胎力学轮胎力学空气动力学空气动力学一般力学一般力学学体系学体系第6页/共23页车辆动力学的建模方法及基础理论车辆动力学的建模方法及基础理论一、牛顿矢量力学体系：式中：m-质点系总质量；r -质心位移；F i -外力。式(1)式中：I-刚体绕某轴的转动惯量矩阵；-刚体的角速度投影矩阵；M 0 -外力对于O点的主矩。式(2)牛顿第二定律 欧拉方程 第7页/共23页车辆动力学的建模方法及基础理论车辆动力学的建模方法及基础理论二、分析力学体系：式中：ET、E v、ED -系统总动能、总势能、总耗散能；q i -描述系统的广义坐标(主变量)；Q i -作用于系统的广义力(力或力矩)；n-系统方程阶数。式(3)拉格朗日方程 虚功率原理 高斯原理 非完整系统动力学第8页/共23页车辆动力学的建模方法及基础理论车辆动力学的建模方法及基础理论三、多体系统动力学1、以经典力学为基础。3、由计算机建立动力学方程并进行求解。2、多刚体、柔体的运动；采用分布参数体系。4、ADAMS、SIMAPCK等。第9页/共23页轮胎的基本功能轮胎的基本功能 决定一辆汽车如何转向、制动和加速的关键控制力产生于四块不大于人手掌大小的接触区。1、支撑垂直载荷。3、提供加速和制动所需的纵向力。4、提供转向所需的侧向力。2、缓冲路面引起的振动、冲击。第10页/共23页轮胎模型轮胎模型轮胎纵向滑动率s 侧偏角 径向变形车轮外侧角车轮转速横摆角t纵向力 Fx 侧向力 Fy 法向力 Fz 侧倾力矩 Mx 滚动阻力矩 My 回正力矩 Mz轮胎运动参数 轮胎六分力 第11页/共23页轮胎模型轮胎模型一、轮胎运动参数1、纵向滑移率s：表示车轮相对于纯滚动或纯滑动状态的偏离程度。它是影响轮胎产生纵向力的一个重要因素。驱动时：制动时：滑转率滑移率式中：u -轮心前进速度；r d -车轮滚动半径；-车轮角速度。第12页/共23页轮胎模型轮胎模型2、轮胎侧偏角：影响轮胎侧向力的一个重要因素。式中：u -轮心前进速度；v -车轮侧向速度。3、轮胎径向变形：无负载时的轮胎半径与负载时轮胎半径之差。式中：r t -无负载时的轮胎半径；r tf -负载时的轮胎半径。第13页/共23页轮胎模型轮胎模型二、三个比较权威的轮胎模型 试图完整描述轮胎力与运动参数之间的数学关系，揭示轮胎的本质特性。如：侧向力=侧偏刚度*侧偏角1、幂指数统一轮胎模型(半经验模型)郭孔辉院士。2、“魔术公式”轮胎模型(Magic Formula Tire Model)。3、SWIFT轮胎模型。难以准确描述！实际中一般是查阅经验(试验)数据。这样做足够了！第14页/共23页伯努利方程的含义伯努利方程的含义单位体积空气的总能量守恒：静压动压式中：P-气动压强；a-空气密度；v-空气流速。上部流速高，动压大，所以静压小。下部流速低，动压小，所以静压大。因此飞机能飞起来！第15页/共23页车辆上的压力分布车辆上的压力分布车表空气压力分布图(试验法测得)第16页/共23页车辆受到的空气升力和阻力车辆受到的空气升力和阻力不同车辆形式的空气升力和阻力第17页/共23页车辆空气阻力系数车辆空气阻力系数 CD SAEJ1594标准中定义了一个无量纲的空气阻力系数CD。式中：FD-空气阻力，N A-迎风面积，m2 q-动压力，Pa，等于0.5a*v2第18页/共23页车辆空气阻力系数车辆空气阻力系数 CD车型车型C CD D迎风面积迎风面积A /mA /m2 2C CD D*A /m*A /m2 2雪铁龙雪铁龙2CV2CV0.510.511.651.650.850.85大众大众BeetleBeetle0.480.481.801.800.870.87大众大众PoloPolo0.320.321.901.900.610.61大众大众GolfGolf0.300.301.991.990.600.60福特福特MondeoMondeo0.320.322.002.000.640.64宝马宝马5series(E39)5series(E39)0.270.272.172.170.590.59奔驰奔驰-class-class0.310.312.382.380.740.74欧宝欧宝CalibraCalibra0.260.261.901.900.490.49现代轿车的空气阻力系数值第19页/共23页作用在车辆上的气动力和力矩作用在车辆上的气动力和力矩Direction Force MomentLongitudinal(x-axis,positive rearward)Drag Rolling moment Lateral(y-axis,positive to the right)Sideforce Pitching momentVertical(z-axis,positive upward)Lift Yawing moment第20页/共23页车辆空气动力学的研究内容车辆空气动力学的研究内容1、通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道的设计来车辆的空气阻力。2、尽可能增加向下的气动压力来轮胎附着性，同时对轮胎侧偏力的影响。3、空气动力学试验(比例模型或全尺寸车辆)，以及对试验结果的分析。4、研究空气动力学与底盘设计及车辆使用之间的关系与影响。第21页/共23页复习题复习题1为什么要研究汽车系统动力学?2你能说出多少对汽车动力学性能进行评价的参数？3、汽车轮胎的作用是什么？4、试用公式说明汽车轮胎滑动率的物理意义。5、试用公式说明汽车的空气阻力系数。第22页/共23页