汽车系统动力学复习资料.doc

研究内容与评价指标1、纵向动力学 2、垂向(行驶)动力学 3、横向(操纵)动力学动力性、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、耐久性主要内容绪论： 基础知识：轮胎力学 纵向动力学：动力性、经济性、制动性 垂向动力学：平顺性 侧向动力学：操纵稳定性 车辆计算机仿真：章节主要内容1：概述1、汽车动力学概述系统动力学概述、历史回顾、研究内容和范围、汽车特性和设计方法、汽车动力学术语、标准和法规、汽车动力学发展趋势2、汽车动力学建模方法动力学方程的建立方法、非完整系统动力学、多体系统动力学方法章节主要内容2：汽车空气动力学基础汽车空气动力学基础、空气的特性、伯努利方程、压力分布和压力系数、实际气流特性、空气动力学试验、汽车空气阻力章节主要内容3：汽车纵向动力学汽车纵向动力学纵向动力学控制系统防抱死制动系统、驱动力控制系统、车辆稳定性控制系统动力传动系统的振动分析扭振系统的激振源、扭振系统模型与分析、动力传动系统的减震措施章节主要内容4：轮胎动力学+操纵5、充气轮胎动力学轮胎的功效、结构与发展、轮胎模型、轮胎纵向力学特性、轮胎垂向力学特性、轮胎侧向力学特性、汽车横向动力学、二自由度操纵模型6、考虑车身侧倾的3自由度运动模型转向系统振动分析、轮转向系统、电动助力转向系统章节主要内容5：垂向动力学7、汽车垂向动力学路面输入及其模型、路面测量技术与数据处理、路面输入模型、特殊路面输入、人体对振动的反应与平顺性标准、汽车振动模型8、智能悬架系统车身高度调节系统、自适应阻尼调节系统、可切换阻尼系统、全主动系统、有限带宽主动系统、连续可变阻尼的半主动悬架、各类悬架系统的性能比较、主动悬架控制算法介绍章节主要内容7：动力学分析方法9、计算机建模与仿真汽车动力学计算方法与软件 、基于MATLAB 的汽车动力学仿真 、应用ADAMS 软件的多体动力学分析 历史回顾车辆动力学是近代发展的新兴学科，大体分以下阶段：阶段一（190020世纪年代初期）：最早有关车辆行驶振动分析阶段二（30年代初期 1952年）：简单的轮胎力学，建立了简单的两自由度操纵动力学方程； 阶段三（1952年以后）：对轮胎侧向动力学、独立悬架等有了新的认识阶段四（90年代以后）： 新技术与计算机技术提高，使车辆动力学出现了百花齐放的局面阶段一（19-20世纪30年代初）主要工作：最早的有关车辆行驶振动分析的理论研究可追溯到 1900年。20世纪20年代，人们对车辆行驶中的振动问题开始有了一些初步的了解；对于车辆动态性能经验性观察，注意到车轮摆振问题；认识到乘坐舒适性是车辆性能的一个重要方面；零星出现了提高车辆行驶性能的方法，但效果微小。阶段二（30年代初-1952年）主要工作：建立了简单的两自由度操纵动力学方程；定义了不足转向和过度转向，稳态转向的特性；了解简单的轮胎力学，定义了侧偏角；开始行驶特性的实验研究，提出了平稳行驶的概念；英国lanchester、美国Olley、法国Broulhiet开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。阶段三（1952年以后）主要工作：操纵动力学 “黄金时期”，理论、试验测量手段、计算手段的提高；肯定轮胎重要性，通过试验分析和建模，加深轮胎特性了解；建立了三自由度的操纵动力学方程，扩展操纵动力学内容，操纵与转向的基础理论形成，建立较为完整的车辆操纵动力学线性域的理论体系；开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测。阶段四（90年代以后）主要工作：试验方面：仪器、测试技术提高，路面特性的测量操纵动力学：向高侧向加速度非线性域方向发展 建立的整车系统模型自由度越来越多，虚拟样机、虚拟现实等先进技术的使用更方便。先进控制技术：ABS、TCS、VDC等先进控制技术各种新技术的不断涌现纵向动力学防抱死制动系统ABS：通过控制制动压力来保证最佳滑移率 加速防滑系统ASR（驱动控制系统TCS） ：防止汽车在加速时因驱动轮打滑而产生的侧滑，通过限制发动机输出转矩等措施防止车轮滑转，以维持车辆行驶方向的稳定性，是在ABS基础上的扩充 ESP电子稳定程序系统：沃尔沃称其为 DSTC，宝马称其为DSC，凌志称其为VSC。为加速防滑控制的进一步延伸，高速行驶中的汽车紧急避障或转弯制动时，该系统通过改变车轮切向力，使车辆克服偏离正常路径的倾向，保证车辆的横向稳定性。各种新技术的不断涌现垂向动力学：被动悬架：汽车状态只能被动地取决于路面及行驶状况以及弹性元件、减振器。 主动悬架：调节减振器的阻尼与悬架系统的刚度，消耗能量，根据行驶条件，随时对悬架系统的刚度、减振器的阻尼以及车身的高度和姿态进行调节，使性能始终处于最佳状态。 半主动悬架：调节减振器的阻尼，不需消耗能量侧向动力学：4WS：低速、高速 ；动力转向控制：减轻驾驶员负担，提高响应特性 总 结过去60多年，理论取得了成就，计算机软件功能强大。 实际上：没有完全用理论取代车辆开发，主要还依赖丰富测试经验与高超主观评价技能的工程师队伍，说明实际测试和主观评价在车辆开发中不可替代的作用。 不同国家、地区的用户对行驶平顺性和操纵稳定性之间的协调关系有着不同的看法和要求，这也说明主观评价在车辆动力学中的重要性。内容简介 车辆系统动力学系统、系统动力学、车辆系统动力学系 统什么叫做系统? 钱学森对系统作如下定义：把极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，具有特定功能的有机整体，而且这个系统的本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分系统特征这个定义表明系统具有以下四个特征：1. 系统具有层次性； 2. 系统具有整体性； 3. 系统具有目的性； 4. 系统具有功能共性。系统具有层次性系统是由两个以上（或更多）元素（或称为元件）组成的事物。一个大系统往往可以分成几个子系统，每个子系统是由更小的子系统（称为二级系统）构成。每个子系统或更小的子系统都有自己的属性，以便和其它系统加以区别。所以，如果将大系统分解，可以形成很多层次的结构，这就是系统层次性。系统具有整体性系统虽是由多种元素组成，但系统的性能不是各元素性能的简单组合，而是相互影响的，所以这种组合使系统的整体功能获得新的内容，具有更高的价值。例如一辆汽车是由发动机、传动系、车轮、车身、操纵系统组成。单由发动机只能发出动力，不会自己行走，但当发动机装在具有车轮的汽车底盘上，就会成为可以行走的汽车，成为一种交通工具，其功能就与一台发动机大不相同。由此可见，研究系统特性应从整体的观点来看，系统的性能是由其整体性能为代表，而不是由某一元素所能代替的。系统具有目的性主要针对人工设计系统。指人工系统为了某一个大目的而构成。目的不同，系统的构成也不同。例如，货车的功能就是为了运输货物，必须有货箱，而客车则是为了运输乘客，车厢内必须有供乘客使用的座椅，运输货物则退居次要位置或取消。所以，在设计中必须研究系统的整体目的，才能正确选择各元素的构成。系统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（环境）进行物质、能量和信息的交流，即可以从外界环境向系统输入或从系统向外界环境输出物质、能量和信息。这是任何系统都具有的功能， 称为系统的功能共性。如汽车系统中把燃料的燃烧热能转换为汽车的行 驶动能，在这一过程中，发动机吸收氧气，而排 除废气。该过程即有能量的交流，也有物质交流。系统输入输出系统与外界环境同样存在着物质、能量和 信息的交流，从环境向系统的流动称为系 统的输入，从系统向环境的流动成为系统 统的输出，它可以用框图来表示 研究任务在系统动力学研究，从三者之间的关系可引出三个不同的任务1.已知输入和设计系统的特性，使得它的输出满足一定的要求，这样的任务可称为系统的设计。所谓优化，就是把一定的输入通过选择系统的特性成为最优化的输出； 2.如已知输入和输出来研究系统的特性，这样的任务叫系统识别； 3.如已知系统的特性和输出来研究输入则称为环境预测，例如对一振动已知的汽车，测定它在某一路面上行驶时所得的振动响应值（如车身上的振动加速度），则可以判断路面对汽车的输入特性，从而了解到路面的不平特性。系统动力学定义根据美国著名学者绪方胜彦的定义：“讨论 动态系统的数学模型和响应的学科” 。汽车系统动力学：把车辆看作是一个动态系统，对其行为进行研究，讨论其数学模型和响应。经典的车辆动力学主要研究一辆车辆受到各种力时其相互作用和由此产生的各种动态工况，并讨论这些动态工况及其变化对使用性能的影响。不足之处是讨论的外界力都是理想化了的，模型也过于简单。而车辆系统动力学也研究车辆的受力与运动，但把车辆看作置于真实环境中的一个系统，并研究环境，如路面不平整度、土壤物理性质、车密度、气流及风向对车辆系统的作用，把它们看作是系统的输入，而把车辆系统对这些输入的响应看作是输出。为了确定输入与输出之间的关系就要研究由车辆结构及设计参数所决定的传递特性，亦称动态特性，并使这种动态特性适应预定的要求。车辆系统动力学系统动力学与经典动力学不同之处就在于：系统动力学要对系统所处环境进行研究，并找出其特性，如路面不平整特性、空气动力特性等即是，在此基础上对系统在真实环境下进行动态分析，这是第一点不同。车辆作为一种现代化的交通运输工具，随着现代科学技术的发展，功能不断扩大，社会保有量激增，车速日益不断提高，在高速工况下对车辆的操作和控制的要求也越来越严，因为在高速情况下，驾驶员稍有不慎，车辆将偏离预定行驶轨迹，“差之毫厘，失之千里”，很容易引起交通事故，所以要求车辆的可控性几乎和一个控制系统的要求一样。因此，在系统动力学中把车辆看成是控制系统来进行分析，这是与经典车辆动力学的第二个不同点。 动力、转向系统、主动半主动式悬架系统、电子防抱系统等都是比较典型的控制系统，应用现代控制理论来研究其系统动态特性。车辆系统动力学的第三个特点是把驾驶员作为一个主动因素考虑到车辆系统中去组成一个人一车系统来加以研究。在此基础上，将要利用人体工程学(工效学)的知识来研究车辆系统的工程技术设计如何适应于人的作用，从而使系统工作效能最高。车辆系统动力学的第四个特点是强调系统之间的联系，研究系统间的相互作用。众所周知，车辆可分成若干个子系统，如传动系、转向系、悬架系等。这些系统在车辆运动过程中是相互影响、相互制约的，但在经典动力学中，这方面的研究和阐述较少，往往孤立地单独地研究各子系统性能，而系统动力学不仅研究以上内容，而且逐步揭开了这些子系统间的内在联系和相互作用。例如：轮胎与转向系、轮胎与制动系、悬架系性能之间的密切关系。悬架系统导向机构的运动学关系对转向系和制动系性能的影响；传动系的扭转振动和悬架系的振动之间也有相互作用。汽车系统动力学的研究内容路面特性分析、环境分析及环境与路面对汽车的作用；汽车系统及其部件的运动学和动力学；汽车内各个子系统 的相互作用；汽车系统最佳控制和最佳使用；车辆-人系统的相互匹配和模型的作用，驾驶员模型，以及车辆的工程技术设计适合于人的使用，从而使人-机系统对工作效率最高。为简单起见，把汽车对系统的输入输出响应按车辆运动 方向分为纵向、垂向和侧向动力学三大部分。 也有按汽车的性能分类的，如动力性、经济性、操纵稳 定性、平顺性、制动性、通过性等。纵向动力学（驱动与制动动力学）研究车辆直线运动及其控制的问题，主要是车辆沿前进方向的受力与其运动的关系主要受发动机、传动系统、制动系统影响。 内容：驱动动力学/制动动力学 动力性、燃油经济性、制动性行驶动力学（垂向特性）主要目的：在有限的悬架工作空间内，必须为驾驶员和乘客提 供良好的乘坐舒适性、可接受的车身姿态以及对车轮动载荷的合理控制。 主要内容：随机路面模型、悬架结构、刚性轮胎特性、人体对 振动的反应、行驶动力学模型、发展行驶动力学分析行驶动力学问题最简单的数学模型：4、7个自由度的整车系统模型。 多体动力学仿真软件应用， 衬套等复杂细节在内的车辆模型也可方便地得到。评价分析：利用数学分析在解决动力学问题，让设计者通过模型来了解系统内在的复杂关系，并提供性能趋势的预估。 由于影响行驶有众多不确定的因素，生产厂家必须依靠经验丰富的测试驾驶员来进行主观评价。操纵动力学主要内容：基本操纵模型及扩展、操纵响应分析、人车闭环系统开环系统： 研究定输入的车辆响应，关注车辆本身的结构和性能 闭环系统： 从提高人-车-环境闭环系统的整体效益出发，探讨汽车与人和环境间的规律，从设计上探索主动措施，控制车辆动态特性开环系统线性域：侧向加速度小于0.3g 考虑车身横摆、侧倾、侧向运动，悬架、转向系等影响。非线性域：侧向加速度可高达极限（约为0.8g） 非线性联合工况：指转弯制动或转弯加速时的情况闭环系统目前开展的主要研究包括：在开发型驾驶模拟器上进行汽车仿真设计的工程方法；汽车驾驶员控制行为模型；汽车性能的闭环评价模型；高速汽车智能辅助驾驶控制方法。 汽车系统动力学的研究方法比例的物理模型 、数学模型比例的物理模型模型与实物的物理本质相同，仅在尺寸上有差别。 尺寸比例为1 ：1 的，即称为足尺模型，如撞车试验中的汽车模型。 按比例缩小的，即为缩尺模型。例如风洞试验中的汽车模型，用以预测空气动力学性能。数学等效模型1. 各种数学方程式微分方程式，差分方程，状态方程，传递函数等。2. 用数字和逻辑符号建立符号模型方框图方框图又称动态结构图，采用它便于求传递函数，同时能形象直观地表明输入函数在对象中的传递过程。 3.用能量键、功率流建立模型。方框图是一些符号组成的，有表示输入和输出的通路及 箭头，有表示信号进行加减的综合点，还有一些方框，方框两侧为输入量和输出量，方框内写入该输入、输出的传递函数。车辆动力学的研究方法以试验为主的主观评价法：对应比例的物理模型根据试验的感觉来评价性能及影响因素 采用此种方法设计周期长，耗资巨大以理论分析为主的客观评价法：对应数学模型通过理论分析确定汽车评价指标与结构参数之间的关系, 揭示影响其性能的内在规律，进而优化提高汽车的性能 。汽车结构、受力非常复杂，想通过理论分析得到符合实际的结果，还比较困难，都做一定的简化。 随着计算机等技术的发展，可建立更加完善的动力学模 型，减少试制样车过程中的大量浪费，提高质量，缩短设计周期。 建立数学模型后，经常遇到的一个问题就是求响应的问题，求解方法：用解析法求解，只能解自由度较少的系统，且对非线性系统，只能求近似值。用数值法或定值法求解，应用计算机后可用来处理复杂系统的近似解，对非线性系统虽说有误差，但精度符合工程要求。理论分析设计方法纵向、垂向、侧向三个方向的运动受力是同时存在的，各方向所表现的运动响应是相互作用、相互耦合的。举例：转向过程中，路面在给车辆提供侧向力的同时，也给悬架提供垂直输入干扰。故行驶特性和操纵特性必然是相 互作用的。 同样的车身运动可由行驶输入引起（路面不平引起的车 身侧倾）；也可出操纵方面引起，如转向时引起的车身 侧倾。 利用纵向力来控制极限工况下的操纵稳定性控制系统理论分析方法分开？ 一起研究？对此问题一直存在着不同的看法。 分开研究？实用主义减少模型自由度，易于处理 原因：主要影响平顺性的力和运动对操纵性能不产生显著影响；反之，主导操纵性的力和运动对行驶特性也无显著影响。行驶振动主要与悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰运动有关，而操纵特性主要与轮胎侧向力有关。一起研究？ 理想主义三个方向的运动是同时发生的， 那么研究也要与实际一致目前，该领域基本上采用分开处理的方式， 随着功能强大的计算机技术的发展，可将三者结合起来进行分析。理论分析方法步骤分析流程：对实际问题分析建立动力学模型 解释、 改进等 建模基本原则：要明确什么是最关心的信息， 模型的简化不仅有利于对基本原理的理解，而且有利于获得结果。建模目的：帮助对车辆动力学特性基本原理的理解；预测车辆性能并产生一个最佳设计方案；解释现有设计中存在的问题、并找出解决方案。研究车辆系统辆系统动力学问题时，当系统的力学模型建立之后，正确地确定描述系统运动的动力学方程就成为首要任务。可以用不同的力学原理来建立这类方程，而视系统简化程度而异，对于单自由度、两自由度、或某些简单类型的多自由度振动问题，可以使用牛顿定律、达朗贝尔原理、动量定理或动量矩定理，就能建立起振动微分方程或方程组。对于一般的多自由度系统，特别是复杂的多自由度系统，则往往应用分析力学的方法。分析力学是从能动量观点建立起来的，它利用广义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(Lagrange)方程来建立系统的运动方程。线性系统理论和现代控制系统理论是车辆系统动力学的另一重要理论基础。过去研究车辆动力学没有考虑环境和人的因素，而系统动力学在研究车辆时也研究环境及其影响，研究人对车辆的作用，故实际上把它们组合成为地面-车辆-人这样一个系统来加以研究。研究系统在给定输入下的响应，如果把人的控制考虑在内，则就形成一个带反馈的闭路控制系统，但是由于输入往往是瞬息万变的，单靠人力控制不很完善，因此必须在系统中装有调节装置或控制装置，它们往往是自动或半自动的装置。没有系统分析的知识和现代控制理论的指导，设计师就不能对系统的动态特性作出科学的分析，也就不能设计出能保证最佳性能的控制设备。所以应该把系统分析、优化设计和现代控制理论(包括最优控制理论)作为系统动力学的重要的基础理论。 车辆作为系统经常受到地面作用，新发展的车辆地面力学对研究地面(硬、软)与车辆相互作用起了很大作用。车辆驶过的道路不平度是随机的，道路不平度的输入使车辆系统的响应也是随机的，因而现在研究系统的动态和输出必须采用统计规律。所以概率论及其分支随机过程是研究这一课题的有力工具，必须具备这方面的知识。而人体工程学则是研究车辆-人系统的一项十分有用的基础理论，这项学科的研究对象是工程技术设计中与人体有关的问题。目的是解决工程技术设计如何与人体的各种要求相适应，从而使人机系统工作效能达到最高。所以它也应列为车辆系统动力学的理论基础之一。车辆系统动力学的研究方法抽象成物理模型、数学模型 分析力学、达朗贝尔原理（虚位移） 控制理论、概率论及随机过程、人体工程学 车辆的期望特性纵向动力学很好的动力性、燃油经济性和制动性。通过设计车辆的动力、 传动系统及制动系统获取最佳效果：发动机、传动比、档位数垂向动力学：乘坐舒适性主要评价指标：使乘员所感受到的加速度水平降至最小。（轿车）尽管侧向、纵向、转向运动对舒适性有影响，但垂直方向的加速度影响仍占主导地位。其他指标：在车辆加速、制动、转向时车身能否保持良好的姿态方面，明显的车身俯仰和侧倾运动一般不可接受。实施：必须在一定的约束条件下（悬架的工作空间和轮胎动载荷的范围）尽可能地减小加速度水平和车身姿态角。侧向动力学：操纵稳定性能总体目标：对驾驶员的输入响应应达到最优。对于风扰动或不平路面的干扰，产生运动响应控制在最小范围驾驶员：在操纵过程中，驾驶员可以快速处理大量的信息，并根据具体情形调整控制策略实际情况：普遍期望在正常驾驶时，投入的精力最小，如高速公路上稳定直线行驶时驾驶员操纵控制模式开环：通常在轻松的驾驶情况下（驾驶员对车辆响应的熟悉程度）。闭环：操纵难度较大的情况下，如大转弯、超车或紧急转向时。驾驶员注意力高度集中地监视车辆的实际路径，而实际的行驶路径则被用来作为反馈信号，以使驾驶员持续不断地对控制输入进行校正。车辆操纵特性稳定性 伴随着外部干扰，车辆应具有迅速恢复原先稳定状态的能力，并且系统响应时间延迟要小。转向性 尽管车辆的控制是由驾驶员通过转向盘来实现，但实际的 作用机理却是通过轮胎侧向力间接实现对车辆的转向运动 控制。因此，任何削弱轮胎力生成与转向盘运动关系的因素，都将会降低汽车可操纵性和可控制性。举例说明：当 车辆出现前轮抱死时、前轮胎无法提供侧向力，因而驾驶 员此时就根本无法控制车辆的转向运动。一致性：指人们期望车辆的操纵行为能始终表现如一。原因：外部输入条件变化范围广泛、如不同路面、天气等一致性优势：如果车辆在外部条件变化时仍能保持一致的 行为模式，就能降低操纵难度，减轻驾驶员的负担。标准性通常驾驶员对某车辆的操纵特性会有一些比较明确的估计或期望。当首次驾驶一辆新车时，我们期望其特性最好与其他同类 车辆相差不大，这样会比较安全。标准和法规行驶振动方面有：描述人体对振动响应的标准；有关平顺性测量仪的标准；有关座椅悬架的标推；路面测量报告标准指南。操纵动力学方面：稳态试验； 各种不同输入的瞬态试验；转向制动试验；注意：标准仅描述了试验的步骤及过程，没定义性能评价指标发展趋势车辆的主动控制控制算法（自适应与鲁棒性）、传感器技术、执行机构（成本）车辆底盘控制系统的大集成：ABS、ASR、VDC、4WS 多体系统动力学刚柔体、约束，建立多自由度模型，MXF成为CAD/CAE/CAM技术的集成手段，可准确分析虚拟样机性能，检查缺陷，缩短周期、节约费用人-车-路闭环系统和主客观评价驾驶员与车辆的配合因人而异，评价困难：驾驶员模型建立汽车模型的基本方法汽车特性的求解汽车的动态特性由作用在轮胎上的力、重力及空气阻力等决定，研究汽车及其部件以确定在何种运动条件下的受力、以及汽车响应， 必须有较精确的系统建模方法，使用通用的习惯来描述汽车运动。集中质量：汽车是由多部件组成，对具体情况具体考虑；加速、制动及大多数转向分析时，汽车为一个集中力量的代表，位 于质心的集中质量； 在平顺性分析时：通常将车轮（非悬挂质量）与车身（悬挂质量） 分别看待。车辆动力学术语(1)平衡条件(Equilibrium Condition) 指稳定状态下车辆的基准条件。它是指在恒定输入下(通常是零输入)的车辆状态，在车辆稳定性分析及控制中通常作为分析的参考点。(2)干扰(Perturbations) 指在平衡条件下系统参数的小幅度波动。(3)稳态(SteadyState) 指当周期性(或恒定)操纵输入(或扰动输入)施加在车辆上引起的周期性(或恒定)车辆响应，在任意长的时间内不发生变化时，便称该车辆处于稳态。(4)瞬态(TransientState) 指车辆的运动响应和作用在车辆上的外力或操纵位置随时间变化而变化，便称此时车辆的运动处于瞬态。(5)阿克曼(Ackermann)转向角 假定车辆转弯时，轮胎作无侧偏滚动，内外车轮转角必须不同。阿克曼转向原理被用来描述车辆稳态转向时的运动学效应。车辆动力学的建模方法及基础理论一、牛顿矢量力学体系：牛顿第二定律 式中：m 质点系总质量；rc 质心位移； F i 外力。欧拉方程式中：I刚体绕某轴的转动惯量矩阵；刚体的角速度投影矩阵；M o外力对于O点的主矩。二、分析力学体系：拉格朗日方程式中： 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 。三、多体系统动力学1、以经典力学为基础。2、多刚体、柔体的运动；采用分布参数体系。3、由计算机建立动力学方程并进行求解。4、ADAMS、SIMAPCK等。多刚体动力学方法；多柔体动力学方法: 动力学+有限元充气轮胎动力学轮胎的基本功能：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。2、缓冲路面引起的振动、冲击。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轮胎基本结构胎体轮胎最重要的部分，其结构决定了轮胎 的基本性能胎圈便于胎体从轮辋上装卸，需有一定刚度，以保证与轮辋紧密贴合胎面包括胎冠、胎肩和胎侧 轮胎运动坐标系轮胎模型轮胎模型简介轮胎建模的方法分为三种：1）经验半经验模型 针对具体轮胎的某一具体特性。目前广泛应用的有Magic Formula公式和吉林大学郭孔辉院士利用指数函数建立的描述轮胎六分力特性的统一轮胎半经验模型UniTire，其主要用于车辆的操纵动力学的研究。2）物理模型 根据轮胎的力学特性，用物理结构去代替轮胎结构，用物理结构变形看作是轮胎的变形。比较复杂的物理模型有梁、弦模型。特点是具有解析表达式，能探讨轮胎特性的形成机理。缺点是精确度较经验半经验模型差，且梁、弦模型的计算较繁复。3）有限元模型 基于对轮胎结构的详细描述 ,包括几何和材料特性，精确的建模能较准确的计算出轮胎的稳态和动态响应。但是其与地面的接触模型很复杂，占用计算机资源太大，在现阶段应用于不平路面的车辆动力学仿真还不现实，处于研究阶段。主要用于轮胎的设计与制造。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。幂指数统一轮胎模型幂指数统一轮胎模型的特点采用了无量纲表达式，其优点在于由纯工况下 的一次台架试验得到的试验数据可用于各种不同 的路面无论是纯工况还是联合工况，其表达式是统一 的可表达各种垂向载荷下的轮胎特性保证了可用较少的模型参数实现全域范围内的 计算精度，参数拟合方便，计算量小 能拟合原点刚度魔术公式轮胎模型魔术公式轮胎模型的特点统一性强，编程方便，需拟合参数较少， 且各个参数都有明确的物理意义，容易确定其初值；拟合精度比较高；参数的拟合较困难，计算量大；c值的变化对拟合的误差影响较大；不能很好地拟合小侧偏情况下轮胎的侧偏 特性轮胎纵向力学特性1）滚动阻力（ Rolling resistance ）滚动阻力是如何形成的？弹性车轮在硬路面上的滚动、从动轮在硬路面上滚动时的受力情况、加载前后胎侧形状的变化、轮胎径向压缩模式图、由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力、滚动阻力(波阻)示意图弹性车轮在硬路面上的滚动 从动轮在硬路面上滚动时的受力情况滚动阻力 加载前后胎侧形状的变化 轮胎径向压缩模式图 由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力滚动阻力(波阻)示意图不平路面造成的滚动阻力：车轮在不平路面上行驶时，它和车身也会有相对运动车身阻尼和路面不平度一起，造成了平均值不为零的振荡的Fu和Fz减振器压缩和伸长时做了功，这个功与汽车行驶过的路程之比被看作滚动阻力（波阻）滚动阻力构成There are at least seven mechanisms responsible for rolling resistance: 1)Energy less due to deflection of the tire side wall near the contact area. 2)Energy loss due to deflection of the treads elements（外胎面）. 3)Scrubbing in the contact patch. 4)Tire slip in the longitudinal and lateral directions. 5)Deflection of the road surface. 6)Air drag on the inside and outside of the tire. 7)Energy loss on bumps.滚动阻力的影响因素（1）车速（2）轮胎气压 （3）轮胎结构 （4）路面 （5）温度 （6）转弯行驶（7）驱动力系数 滚动阻力计算有人推荐用下式计算良好道路上货车轮胎滚 有人推荐用下面的公式估算轿车轮胎在良好 路面上的滚动阻力系数 对转鼓上测得的各试验曲线进行拟合，求得 上式中的系数f0、 f1、f4的数值如下滚动阻力系数与驱动力系数的关系(驱动 力系数：驱动力与径向载荷之比车轮的三态 纯滚动v=r* 驱动车轮vr*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： 滑转率制动时： 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。滑动率 滑动率 影响附着系数的因素路面、车速、轮胎花纹（Sm无花纹光胎、Rbd有沟槽胎面、Spd有沟槽且有小切缝胎面）、滑水现象轮胎运动参数轮胎侧偏角 ：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。轮胎垂向力学特性充气轮胎的一个基本功能是在不平路面行驶时起缓冲作用，该缓冲作用与充气轮胎 的弹性有关，通常以轮胎所受的载荷和变形 的曲线来表示轮胎的刚度特性，它对车辆的 行驶平顺性行驶稳定性和制动性均有重要影响。 轮胎垂直振动的力学模型轮胎的侧向力学特性直线行驶：轮胎承受垂直力和纵向力， 纵向力有制动力、驱动力、滚动阻力。 用纵向附着系数模型来解决制动力、 驱动力与垂直力的关系， 用滚动阻力系数模型来解决滚动阻力与垂直力的关系。难点： 动阻力与垂直力的关系。曲线行驶：侧向力轮胎的侧偏特性 轮胎的侧偏特性定义： 侧偏角车轮行驶方向与车轮平面的夹角称为侧偏角。 方向：轮胎的尺寸、 型式和结构参数对侧偏刚度 有显著影响，扁平率对轮胎侧偏刚度影响 很大。轮胎的充气压力对侧偏刚度也有显著影响垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有显著影响路面、行驶车速对侧偏刚度的影响很小。轮胎的侧偏特性回正力矩绕轴的力矩，回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。回正力矩的影响因素：垂直载荷、地面切向反作用力、有外倾角时轮胎的滚动 轮胎的侧偏特性1） 、 为三条相 互平行的直 线，故可认为在各种外倾角下，胎侧偏刚度是一样的 2）侧偏角为 零时的地面侧 向力便是外倾 侧向力Y,3）地面侧向力为Y 时的侧偏角，等于外倾角为零时Y产生的侧偏角 与由此外倾角产生的侧偏角 之和。 4）侧偏角为时的地面侧向反作用力 为Y ，即Y为外倾角等于 零时的侧偏力与外 倾侧向力之和。因 此，有外倾角时的 地面侧向反作用力 与外倾角、侧偏角 的关系式为：5）地面侧向力 为零时的侧偏角就是由外倾角产生的侧偏角空气动力学基础汽车空气动力学是研究汽车与周围空气在相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的学科，它属于流体力学的一个重要部分。1、通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道的设计来减小车辆的空气阻力2、在空气阻力一定的情况下，尽可能增加向下的气动压力以提高轮胎的附着性，同时减小对轮胎侧偏力的影响3、比例模型或全尺寸车辆空气动力学试验4、研究空气动力与底盘设计及车辆使用情况之间的相互关系及影响六分力名称及系数公式气动阻力空气作用于车身的向后的纵向分力称为气动阻力，这种阻力与车速平方成正比，为了克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急剧增加的，当车速超过100km/h时，发动机功率有80%用来克服气动阻力，要消耗很多燃料，在高速行使时，如能减少10%的气动阻力，就可使燃料经济性提高百分之几十，当前汽车设计师十分重视气动阻力系数Cx，因为它直接关系到汽车动力性，经济性和轻量化带来很多好处。气动阻力由五部分组成： 1 形状阻力 ，占总阻力58% ；2 摩擦阻力 ，占总阻力9% ；3 诱导阻力 ，占总阻力7% ；4 干扰阻力 ，占总阻力14% ；5 内循环阻力 ，占总阻力12% 。 形状阻力当汽车行使时，气流流经汽车表面过程，在汽车表面局部气流速度急剧变化部位会产生涡流，涡流产生意味着能量的消耗，使运动阻力增大，汽车在前窗下凹角处，在后窗和行李箱凹角处，以及后部尾流都出现了气流分离区，产生涡流，即形成负压，而汽车正面是正压，所以涡流引起的阻力也称压差阻力，又因为这部阻力与车身形状有关，也称形状阻力，它占整个阻力的58%。内部循环阻力它是指为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起空气气流通过车身的内部构造所产生的阻力，它占总阻力12% 。 诱导阻力诱导阻力是由于气流经车身上下部时，由于空气质点流经上下表面的路程不同，流速不同从而产生压差，即升力，升力在水平方向上的分力称为诱导阻力。 摩擦阻力汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面上产生的切向力造成的。空气与其它流体一样都具有粘性，当气流流过平板时，由于粘性作用，空气微团与平板表面之间发生摩擦，这种摩擦阻碍了气体的流动，形成一种阻力称为摩擦阻力。 干扰阻力它是车身外面的凸起物例如后视镜、流水槽、导流板、挡泥板、天线、门把手、底盘下面凸出零部件所造成的阻力，占总阻力的14% 。 车辆上的压力分布车表空气压力分布图 (试验法测得) 不同车辆形式的空气升力和阻力 现代轿车的空气阻力系数汽车空气动力学试验的基本方法进行汽车空气动力学试验的主要设施就是汽车风洞，汽车工程需要通过风洞试验解决的主要问题可以归纳成如下几个方面：空气动力稳定性、升力、空气阻力、通风、气流噪声、污染发动机和传动装置的散势、风窗雨刮器的功能、汽车的气候环境适应性等 试验基本方法1模型风洞试验法：用汽车比例模型在风洞中进行试验，模型的常用比例一般为3/8、1/4、1/5、1/10及全尺寸11模型。模型一般不动，空气流过模型，应满足必要的相似条件，与实车在静止空气中运行具有相同的物理规律。这种试验方法的优点是测量方便，气流参数如速度、压强等易于控制，试验不受气候变化的影响。其缺点是试验的流场一般不能与实车运行的流场完全相似，特别是洞壁和模型支架会对模型产生干扰，故试验数据一般都要进行修正。2实车风洞试验法：用实车在风洞中进行试验。3实车道路试验法：用实车在试车场进行试验。风洞试验的测量方法风洞试验分为定性和定量测量。1天平测力法 适用气动力天平测出作用在模型上的空气动力，即测出在直角坐标系中沿三个坐标轴的力和绕三个坐标轴的力矩，可侧六分量亦可测其中一个或几个分量。 气动力天平结构很多，有机械式天平和电阻应变片式两类。2压强的测量 车身表面的静压测量，通常在模型表面上沿法向开小孔，测量局部静压，为提高测量准确度，应注意侧压孔直径d在0.52,h/d大于2，测压孔的轴线应与壁面垂直，孔内壁应光滑，孔口应无刺或导角，孔口表面无凹坑或凸起，顺流动方向物面上该点处的压强梯度不应很大。 压强分布测量，测出模型表面的压强分布，研究汽车绕流状态。3流态显示试验 汽车表面的流态显示 丝线法 油膜法 烟流法