汽车动力学-5ppt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,*,.,*,第五章 汽车悬架系统动力学,5.1,被动式悬架参数优化,5.2,主动悬架工作原理,2024/11/11,1,.,5.1,振动系统运动微分方程,根据机械、汽车的等的实际结构简化成多自由度系统模型后，要研究其振动问题，关键在于建立,系统的运动微分方程,2024/11/11,2,.,5.1.1,用牛顿定律建立系统微分方程（,1,）,二自由系统,质量在水平光滑平面上作往复直线运动,2024/11/11,3,.,5.1.1,用牛顿定律建立系统微分方程（,2,）,采用隔离法,m,1,，,m,2,的任一瞬时位置只要,x,1,，,x,2,两个独立坐标就可以确定，,系统只有两个自由度,2024/11/11,4,.,5.1.1,用牛顿定律建立系统微分方程（,3,）,可以看出，这是一组两个联立的微分方程。第一个方程中不仅有,x,1,及其导数，也有,x,2,及其导数，第二个方程也是如此。这种现象就是前面提到的,“耦合”现象,。,当位移项,x,1,与,x,2,耦合时，称为,“弹性力耦合”,(,或静力耦合,),当加速度项,x,1,与,x,2,耦合时，称为,“惯性力耦合”,(,或动力耦合,),。,归并整理得,2024/11/11,5,.,转换为矩阵形式,2024/11/11,6,.,5.1.1,用牛顿定律建立系统微分方程（,4,）,多自由度振动系统的微分方程就具有这种形式，如果上述各矩阵能够直接写出，则建立系统方程就方便多了。,系统微分方程的矩阵中，,如质量矩阵为对角形的，则惯性力不耦合，否则则为惯性力耦合,。,刚度矩阵一般为对称形，所以为弹性力耦合,。,阻尼矩阵一般也为对称形。,2024/11/11,7,.,5.1.2,二自由度系统的自由振动,系统阻尼为,0,二自由度无阻尼自由振动系统,2024/11/11,8,.,(1),自由振动微分方程,2024/11/11,9,.,(2),固有频率、主振型及主振动,从单自由度系统振动理论得知，,系统的无阻尼自由振动是简谐振动,。所以可设在振动时两个质量按同样的频率和相位角作简谐振动，则方程组的特解可设为,振幅,A,1,与,A,2,、相位角,、频率,p,都有待于确定。,分别取一、二阶导数,关于振幅,A,1,与,A,2,的线性齐次代数方程组,2024/11/11,10,.,固有频率,p,1,和,p,2,只与振动系统本身的物理性质有关，称为,系统的固有频率,，也可称为,主频率,。,较低的,p,1,称为,第一阶固有频率,，简称,基频,。较高的,p,2,称为,第二阶固有频率,可见,二自由度振系有二阶固有频率,。,理论证明，,n,个自由度系统的频率方程是,p,2,的,n,次代数方程，在无阻尼的情况下，它的,n,个根必定是正实根，故,固有频率的个数与系统的自由度数相等,。,展开,关于,p,2,的一元二次方程，称为频率方程或特征方程，它的两个特征根为,2024/11/11,11,.,主振型,振幅的大小可用振动的初始条件来确定，但当系统按任一固有频率振动时，振幅比却和固有频率一样，只决定于系统本身的物理性质。,在振动过程中，系统各点位移的相对比值都可由振幅比确定。可见，,振幅比确定了系统的振动形态，因此，称为主振型,。,主振型和固有频率一样，只决定于系统本身的物理性质，而与初始条件无关。,主振型与固有频率密切相关，系统有几 个固有频率，就有几个主振型。,多自由度系统具有多个固有频率和相应的主振型。与,p,1,对应的振幅比,1,称为第一阶主振型；与,p,2,对应的振幅比,2,称为第二阶主振型。,固有频率,p,1,、,p,2,代入,得到对应于,p,1,和,p,2,振幅,A,1,和,A,2,之间有两个确定的比值。这个比值称为,振幅比,，用,1,和,2,表示：,2024/11/11,12,.,在第二主振型中有这样一点，它在整个振动过程的任一瞬间始终保持不动，这样的点称为“节点”。,在二自由度系统的第二阶主振型中存在着一个节点，而在第一阶主振型中却不存在节点。,振动理论证明，多自由度系统主振型的阶数越高，节点数越多，第,i,阶主振型一般有,i,1,个节点。,对于弹性体,(,无穷多自由度系统,),来说，节点已经不再是一个点，而是连成线或面，称为节线和节面。,振型图,由于振动系统在节点处不动，因而振幅受节点的限制就不易增大。节点数越多，其相应的振幅越难增大。,相反，低阶的主振型由于节点数少，故振动容易激起。,所以，在多自由度系统中低频主振动比高频主振动危险。,2024/11/11,13,.,5.2,被动式悬架参数优化,1,取,1/4,汽车作为分析模型；,2,只考虑垂直方向振动；,3,不考虑非线性因素；,4,认为轮胎不离开路面。,2024/11/11,14,.,系统在时域中的动力学方程,拉氏变换,K,t,C,s,S+k,2,+,+,+,+,2024/11/11,15,.,车身位移与路面激励之间的传递函数,2024/11/11,16,.,车身位移与车身干扰力的传递函数,2024/11/11,17,.,随机路面输入下悬架参数的优化,不考虑车身上干扰力的影响，即,F,b,(S)=0,2024/11/11,18,.,车身垂直加速度的均方根值,随机路面输入可用功率谱表示为,式中,R,路面不平系数,v,车速,车身垂直加速度的均方根值,式中 相对阻尼系数,=,/,0,2024/11/11,19,.,悬架参数对车身垂直加速度均方根值的影响,f,s,较大（弹簧较软）时，,min,可选得小一些；,f,t,较大（轮胎较软）时，,min,可选得大一些,2024/11/11,20,.,悬架动挠度和车轮动载,悬架动挠度（,x,2,-,x,1,）,使用条件一定时，弹簧行程将随阻尼的增大而单调地减小,车轮动载,F,d,=,K,t,(,x,1,-,x,0,),与地面静载,G,c,=(,M+m,),g,此式表明当,A,，,v,一定时，使车轮动载最小有一最佳阻尼值,车轮动载最小的阻尼比为,2024/11/11,21,.,选取被动悬架汽车的最佳,值时要考虑以下两点,以平顺性为主则,要接近,x,2,min,以安全性为主则,要接近于,F,min,被动悬架的参数优化问题，由于其刚度和阻尼不能随频率而调节，因而即使采用优化方法来设计也只能把其性能改善到一定的程度。,为了克服常规悬架对其性能改善的限制，性能更加优越的主动悬架和半主动悬架便应运而生,2024/11/11,22,.,5.3,主动悬架工作原理,主动式悬架,也可称为,“可调悬架”,，主要通过各种反馈信息实现悬架刚度和阻尼值的可调，以保证汽车行驶时的,舒适性和安全性,都很好。,主动式悬架主要由三部分,组成：,能源,反馈控制系统（微机、传感,器、信号处理器等）,执行机构（力发生器）,2024/11/11,23,.,主动悬架的数学模型,仅进行垂直振动分析时常采用,1,4,整车所简化的模型。,该模型与一般被动式传统悬架系统不同之处在于：,弹性元件和减振器被执行机构代替,，执行机构一方面和,动力源,相连以获得能量,(,又称有源悬架,),，另一,方面又和,反馈控制系统,相连，反馈系,统从本身振动参数中获得信息，经过,反馈系统中控制单元的计算机处理，,然后发出指令给执行机构，就能,调节,给车身和车轴的力,f,2,以保证所需的舒,适性和安全性。,如需要控制垂直振动和前后起伏振动,要用,1/2,整车模型分析，而研究包括垂,直、俯仰和侧倾响应的控制，则需用整车模型。,2024/11/11,24,.,主动悬架与被动悬架的比较,主动式悬架能供给能量和调节能量，而被动式悬架只能靠变形贮存和释放能量,。,因为这个特点，主动式悬架又被称为“,有源悬架,”,主动式悬架能产生许多变量函数的力，从而适应外部广泛的干扰。,主动式悬架的优点就在于：,固有频率可以较低，而且不随裁荷而变，从而保证良好的舒适性；,悬架的动态变形小；,对任何输入的响应都很快。,其缺点就在于结构复杂，成本昂贵，但随着汽车技术的发展，这些问题必然会得到解决。,2024/11/11,25,.,主动悬架的分类,慢主动悬架,通常作动器与一个弹簧串联（如液气弹簧），再与一个减振器并联此系统在,56Hz,以下,可实现有限带宽主动控制，高于此频率则控制阀不再起响应，恢复为被动悬架，因为被动悬架在高频时隔振效果比较好,全主动悬架,作动器带宽一般至少覆盖,015Hz,，能有效跟踪力控制信号。为了减少能量消耗，一般作动器与一个承受车身静载的弹簧并联,2024/11/11,26,.,主动悬架的运动方程,拉氏变换,K,t,G,c,(,S,),+,+,+,+,H,2024/11/11,27,.,车身位移与路面激励之间的传递函数,车身位移与车身干扰力的传递函数,2024/11/11,28,.,