汽车纵向动力学解读课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第三章,汽车纵向动力学,问题的提出：,汽车只要在道路上行驶，就会存在驱动和制动方面的,问题 ，其性能如何？是否稳定？传统的汽车理论考虑时,通常将许多因素的影响简化了。本章讨论时，我们将考,虑得更细致。,2009-10-19,1,第三章,汽车纵向动力学,3.1,驱动与制动动力学基础,一、 汽车驱动力与行驶阻力,主,要,内,容,二、 汽车的加速性能,1.,驱动转矩引起的横向载荷转移,2.,附着极限,三、 汽车的制动性能,1.,制动系统功能,2.,制动系统的评价指标,2009-10-19,2,第三章,汽车纵向动力学,汽车驱动与制动动力学,主要研究汽车,纵向运动,与其,受力,的,关系。,驱动动力学,主要涉及,汽车的动力性,，其,主要评价指标,通,常为最高车速、加速时间和最大爬坡度。,制动动力学,则主要涉,及,汽车的制动性,，通常定义为汽车行驶时能在短距离内停车且,维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。,一、汽车驱动力与行驶阻力,研究,驱动动力学,时需要确定沿纵向（行驶方向）作用于汽,车的各种外力，即,驱动力和行驶阻力,。,驱动力,是由,发动,机,的转,矩经传动系传至驱动轮上得到的。,行驶阻力,有滚动阻力、空气,阻力和坡度阻力。,2009-10-19,3,第三章,汽车纵向动力学,1.,汽车的驱动力,它们是,发动机功率,或,驱动轮的附着极限,。具体取决于哪一个极,限主要看汽车的速度。,低速时,轮胎附着力可能是限制因素，而,高速,时,主要受限于发动机功率。,发动机的转矩经传动系传至驱动轮,上时，驱动轮将相对地面转动或具有转,动的趋势，如图所示。,附着力足够大时，车轮匀速转动时的,驱动力大小为：,分析受限于发动机功率的最大驱动,P,F,t,力时首先要了解发动机的特性及其与传,作用在驱动轮上的转矩和驱动力,动系（,发动机,、,传动系）,的匹配。,汽车前进方向,T,t,2009-10-19,r,4,第三章,汽车纵向动力学,T,e,i,tf,tf,r,(,I,e,+,I,t,),i,tf,+,I,d,i,t,+,I,w,2,2,得到驱动力为：,F,t,=,a,X,r,2,由两部分组成：,1,）右边的第一项,代表了产生于地面的稳态驱动力，它被用来克,服各种阻力、使车辆加速。,2,）右边的第二项代表发动机及传动系零件的转动惯量引起的驱,动力,“,损失,”,。,T,e,F,t,一定转速下发动机的转矩,路面提供的附着力,变速器传动比,主传动比,变速器和驱动桥的总传动比,传动效率,i,t,i,f,I,e,I,t,I,w,I,d,a,X,发动机旋转零件转动惯量,变速器旋转零件换算到其输入,端的等效转动惯量,车轮及半轴的转动惯量,传动轴转动惯量,车辆加速度,tf,2009-10-19,i,tf,5,第,三章,汽车纵向动力学,2.,汽车的行驶阻力,汽车在水平道路上行驶时，必须克服来自地面的,滚动阻力,和来,自空气的,空气阻力,，当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服重力,沿坡道的分力，称其为,坡度阻力,。,这部分在汽车理论和第二章 轮胎动力学中有相应介绍，在此不,再重复。,二、汽车加速性能,知道了驱动力和行驶阻力，就可以计算车辆的加速性能了。,1.,取决于发动机功率的极限加速能力,2.,取决于附着力的极限加速能力,假设发动机功率足够大，极限加速能力会受到轮胎与路面之间,摩擦系数的限制。这样的话，驱动力的极限值为,:,2009-10-19,6,第三章,汽车纵向动力学,作用在每个驱动轮上的垂直载荷等于静态载荷加上动态载荷，,后者是由加速时的纵向载荷转移或驱动转矩造成的横向载荷转移引,起的。,(1),驱动转矩引起的横向载荷转移,不管是前桥还是后桥，只要驱动桥是刚性桥就存在横向载荷转,移。绕车桥中心点的力矩平衡方程为,:,T,即,O,= (,W,r,/ 2 +,W,y,W,r,/ 2 +,W,y,),t,/ 2 +,T,s,T,d,= 0,W,y,= (,T,d,T,s,) /,t,T,d,：为传动轴作用在驱动桥上的转矩,T,s,：簧载质量经悬架作用于驱动桥的,转矩,刚性驱动桥受力分析图,2009-10-19,7,第三章,汽车纵向动力学,T,上面方程中，,d,与驱动力有关：,T,d,=,F,t,r,/,i,f,而,T,s,=,T,s f,+,T,sr,=,K,r,+,K,f,=,K,F,t,r K,f,综合以上几式可得：,W,y,=,i,f,t K,r,K,f,注意：,1.,横向载荷转移的大小是驱动力及一些其它车辆参数的函数,;,2.,如果驱动桥的差速器未锁止，传至两侧车轮的转矩将受限于,垂直载荷较小一侧车轮的附着极限。,2009-10-19,8,第三章,汽车纵向动力学,如果坡度为零且无挂钩牵引力，一定加速度,a,X,下的后桥垂直,载荷为,:,a a,X,h,W,r,=,W,(,+,),L,g L,Wa,ma h,=,W L,W,=,W,a,x,L,W,r,=,x,r,r,g h,L,右后轮垂直载荷,W,rr,为,W,r,/2-,W,y,，因此,Wa F,x,h F,t,r K,r,W,rr,=,+,2,L,2,L i,f,t K,再根据差速器的特性，有,Wb,h,2,F,t,r K,r,+,F,x,F,t,= 2,W,rr,=,L,L,i,f,t K,2009-10-19,9,第三章,汽车纵向动力学,(2),附着极限,从上式中求解,F,t,得到其最终表达式，它就是,不带差速锁的整,体式后驱动桥,能够获得的最大附着力：,F,t,max,Wb,L,=,2,r K,r,h,1,+,L,i,f,t K,对于,带差速锁的整体式后驱动桥,，或,独立悬架后驱动桥,，,另,一侧车轮可以获得更大的驱动力，最大时达到其附着极限，最大,附着力的表达式都为：,F,t,max,=,Wb,/(,L,h,),2009-10-19,10,第三章,汽车纵向动力学,汽车的制动性是汽车的主要性能之一。制动性直接关系到行车,三、汽车的制动性能,安全，重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等,情况有关，故良好的汽车制动性是汽车安全行驶的重要保证。,1.,制动系统功能,减少行驶汽车的车速，必要时，可使其在一定距离内停车；,在下长坡时能维持一定车速；,对已停驶（特别是在坡道停驶）的汽车，应使其可靠地驻留,原地不动。,2.,制动系统的评价指标,制动效能：即制动距离与制动减速度；,制动稳定性：即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失,去转向能力（方向稳定性）；,制动恒定性：即抗热衰退、抗水衰退等恒定性。,2009-10-19,11,第三章,汽车纵向动力学,3.2,纵向动力学运动方程,主,要,内,容,一、,SAE,坐标系,二、 空间任一刚体的运动方程,三、 直线运动时簧上质量（或悬挂质量）,的运动方程,四、 纵向动力学的运动方程,2009-10-19,12,第三章,汽车纵向动力学,一、,SAE,坐标系,x,为汽车前进方向；,u,、,v,、,w,为汽车前进、侧,向和垂直方向的速度；,p,、,q,、,r,分别为汽车侧,倾、俯仰和横摆角速,度。,&,p,=,u,x,w,z,&,=,2009-10-19,y,q,=,&,SAE,坐标系,13,第三章,汽车纵向动力学,二、空间任一刚体的运动方程,m,s,(,u,+,w,q,),=,F,x,m,s,(,v,w,p,+,u,),=,F,y,m,s,(,w,u,q,+,p,),=,F,z,I,x,p, (,I,y,I,z,),q,=,M,x,I,z, (,I,x,I,y,),pq,=,M,z,I,y,q, (,I,z,I,x,),p,=,M,y,2009-10-19,14,第三章,汽车纵向动力学,三、 直线运动时簧上质量（或悬挂质量）的运动方程,u,w,p,q,&,p,=,u,x,w,z,&,=,m,s,(,v,w,p,+,u,),=,F,y,m,s,(,u,+,w,q,),=,F,x,y,m,s,(,w,u,q,+,p,),=,F,z,I,y,q, (,I,z,I,x,),p,=,M,y,I,z, (,I,x,I,y,),pq,=,M,z,I,x,p, (,I,y,I,z,),q,=,M,x,&,q,=,x,z,m,s,(,u, +,w,q,),=,s,F,m,(,w, ,u,q,),=,F,I q, =,M,y,y,2009-10-19,15,第三章,汽车纵向动力学,3.3,简单的稳定性讨论,主,要,内,容,一、 制动，前轮抱死,二、 制动，后轮抱死,三、 驱动，前轮滑转,四、 驱动，后轮滑转,2009-10-19,16,第三章,汽车纵向动力学,一、制动，前轮抱死,假设一辆汽车在干扰力作用下质心侧偏角为,。前轮如果抱死，,制动切向力将总是指向速度,v,的反方向，不受车轮行驶方向的影响。,此时，只有当车轮受的力产生的力矩有使质心侧偏角减小的趋势，,汽车才处于稳定状态。,当,F,aH,b,F,pV,a, sin,F,pV,a,其中：,F,aH,=,k,H,即满足,k,H,b,F,pv,a,时，汽车才,处于稳定状态,图,3-3-1,2009-10-19,17,第三章,汽车纵向动力学,二、制动，后轮抱死,后轮抱死的分析过程与前轮抱死相同。汽车处于稳,定状态的前提条件是以下不等式成立,F,aV,a,F,其中：,pV,a,sin,F,pV,a,F,aV,=,k,V,即满足,k,V,a,T,时，,=,(1,T,),2009-10-19,23,第三章,汽车纵向动力学,在此前提下，车辆和车轮的数学,模型可表达为：,I,&,= ,T,b,+,RF,&,m v,= ,F,b,F,b,=,(,),F,z,b,制动力矩可表示为制动,缸压力函数,:,T,b,=,K,f,p,(,t,),K,f,制动效能因数；,p,(,t,),随时间而变的制动缸压力，,MPa,；,2009-10-19,24,第三章,汽车纵向动力学,3. ABS,实现原理,请看动画吧！ 看看需要增加哪些元器件？,4. ABS,仿真实现,借助于,Matlab,的,Simulink,工具箱完成,步骤：,1,）分析：,滑移率,w,silp,= 1,v,v,=,V,V,R,根据车速计算出,的车轮角速度,2009-10-19,25,第三章,汽车纵向动力学,2,）建立数学模型,&,I,= ,T,b,+,RF,&,m v,= ,F,b,F,b,=,(,),F,z,g = 9.8;,b,v0 = 60/3.6;,Rr = 0.38;,Kf = 1;,m = 50;,PBmax = 1500;,TB = 0.01;,I = 0.45;,T,b,=,K,f,p,(,t,),F,b,=,m,(,slip,),mg,&,v,= ,F,b,/,m,液压系统,滞后环节,G,(,s,),=,100,TB,S,+,1,2009-10-19,26,第三章,汽车纵向动力学,2,）,Simulink,仿真模型,2009-10-19,27,第三章,汽车纵向动力学,怎么样一清,二楚了吧！,无,ABS,作用,有,ABS,作用,2009-10-19,28,第三章,汽车纵向动力学,（二）,ASR,的基本工作原理,ASR,也被称为,TCS,（,Traction Control System,，即驱动力控,制系统），,ASR,可以,通过调节,作用于驱动车轮的,驱动力矩,和,制动力,矩,，在驱动过程中,防止驱动车轮发生滑转。,调节方式：, 发动机的输出转矩,节气门开度,常用,点火提前角,燃油喷射量,中断燃油喷射和点火, 变速器传动比, 差速器锁紧系数,很少采用,2009-10-19,29,第三章,汽车纵向动力学,三、,ABS,和,ASR,的比较,ABS,和,ASR,都是通过控制作用于被,控制车轮的力矩,，而将车,轮的,滑动率,控制在设定的理想范围内，以提高车轮附着力的利用,率，从而缩短汽车的制动距离或提高汽车的加速性能，改善汽车,的行驶方向稳定性和转向操纵能力。,2009-10-19,30,第三章,汽车纵向动力学,ABS,与,ASR,在以下几个方面的不同,:,1. ABS,对,驱动和非驱动车轮,都可进行控制，而,ASR,只,有对,驱动车,轮,进行控制；,2.,在,ABS,控制,期间，,离合器,通常都处于,分离,状态，,发动机,也处于,怠速,运转，而在,ASR,控制,期间，,离合器,通常处于,接合,状态，发,动机的惯性会对,ASR,控制产生较大的影响；,3.,在,ABS,控制,期间，汽车,传动系统,的,振动较小,，由此对,ABS,控制,产生的影响也较小，而在,ASR,控制,期间，很容易使,传动系统,产,生,较大的振动,，由此对,ASR,控制产生的影响也很大；,4.,在,ABS,控制,期间，各,车轮之间,的相互,影响不大,，而在,ASR,控制,期间，由于差速器的作用会使,驱动车轮之间,产生,较大,的相互,影响；,5.,ABS,只是一个反应时间近似一定的制动控制单环系统，而,ASR,都是有反应堆时间不同的制动控制和发动机控制等组成的多,环系统,。,2009-10-19,31,第三章,汽车纵向动力学,讨论、思考题、作业：,1.,试分析建立汽车直线制动时的数学模型时，应,考虑哪几个自由度？,（思考）,2.,ABS,和,ASR,的作用有何异同？今后的发展趋势如,何？,（讨论）,3.,建立,ABS,制动系统的数学模型，并用,Matlab,仿,真分析。,（作业）,2009-10-19,32,第三章,汽车纵向动力学,2009-10-19,33,