汽车系统动力学基础

Lecture01:Basis of Vehicle System Dynamics,SUBTITLES,概 述,充气轮胎动力学,空气动力学基础,一 般 力 学,复 习 题,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？,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%,？,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？,样 机,控 制,设 计,性能优良的,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！,1,、描述车辆的动力学性能。,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。,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,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,多学科基础,轮胎力学,空气动力学,一般力学,学体系,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,车辆动力学的建模方法及基础理论,二、分析力学体系：,式中：,E,T,、,E,v,、,E,D,-,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,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。,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。,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,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。,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,。,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！,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！,车辆上的压力分布,车表空气压力分布图,(,试验法测得,),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,车辆空气阻力系数,C,D,SAEJ1594,标准中定义了一个无量纲的空气阻力系数,C,D,。,式中：,F,D,-,空气阻力，,N,A,-,迎风面积，,m,2,q,-,动压力，,Pa,，等于,0.5,a,*,v,2,车辆空气阻力系数,C,D,车型,C,D,迎风面积,A /m,2,C,D,*A /m,2,雪铁龙,2CV,0.51,1.65,0.85,大众,Beetle,0.48,1.80,0.87,大众,Polo,0.32,1.90,0.61,大众,Golf,0.30,1.99,0.60,福特,Mondeo,0.32,2.00,0.64,宝马,5series(E39),0.27,2.17,0.59,奔驰,-class,0.31,2.38,0.74,欧宝,Calibra,0.26,1.90,0.49,现代轿车的空气阻力系数值,作用在车辆上的气动力和力矩,Direction,Force,Moment,Longitudinal(x-axis,positive rearward)Drag Rolling moment,Lateral(y-axis,positive to the right),Sideforce,Pitching moment,Vertical(z-axis,positive upward)Lift Yawing moment,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。,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。,