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1、车辆动力学基础,刘 祚 时,汽车何以能飞?,柯受良1997年6月1日驾车“飞越”跨度50米的黄河壶口瀑布，汽车何以能“飞”？什么情况下可以腾空“飞越”？,1、描述车辆的动力学性能。,为什么要研究车辆动力学？,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,以多学科为基础,轮胎力学,空气动
2、力学,一般力学体系,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； rc -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： 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,车辆动力学的建模方法及基
3、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。,通过本课程的学习，要求学生掌握以下内容：,1、车辆的动力性分析与计算2、车辆的动力装置参数的选定3、车辆的制动性分析与计算4、了解ABS5、车辆操纵稳定性的分析6、车辆轮胎的受力分析7、车辆平顺性的分析8.、基于AD
4、AMS的车辆动力学建模与模拟,相关书籍推荐,余志生主编汽车理论第5版（美）Thomas D.Gillespie 著.车辆动力学基础.赵六奇，金达锋，译.清华大学出版社吴光强 主编.汽车理论.人民交通出版社傅立敏 著.汽车空气动力学. 机械工业出版社喻凡 ，林逸 编著.汽车系统动力学. 机械工业出版社,1.2 建模的基本知识,集中质量 车辆由众多零部件构成。在不同工况、不同研究目的中，对这些零部件有不同的处理方法。例如，在制动过程中，车辆作为整体减速，可以假设整车是一个集中质量块，这个质量块的质心位置与整车质心位置重合，这个质量块拥有与整车相同的质量和惯性特性。实际上，加速、制动和大多数转向分析
5、，把整车作为一个集中质量来研究都可以满足要求。但在乘坐舒适性研究中，我们不能忽视弹性元件的作用，而必须把整车质量分为“悬挂质量”和“非悬挂质量”。,车辆固定坐标系统,地面固定坐标系统,车辆操纵过程的姿态和运行轨迹，参照固定在地面上的右手直角坐标系来确定。一般情况下，车辆固定坐标系选择与操纵的起始点相一致。此坐标系的定义如下：X向前运动；Y向右运动；Z垂直运动（向下为正方向）； 方向角（水平面上x轴与X轴之间的夹角）； 路径角（车辆速度向量与X轴之间的夹角）； 侧滑角（车辆速度向量与x轴之间的夹角）。,欧拉角,用来确定刚体位置的3个一组独立角参量，为欧拉首先提出而得名。由三个方向上的依次旋转构成
6、，它们有多种取法，以不同的顺序转动同样3个欧拉角得到的变换结果一般是不同的，会导致不同的车辆姿态。常用转动顺序是3-1-3。3表示z轴，1表示x轴。即表示，第一次绕地面固定坐标系Z轴转动；第二次绕X轴转动；第三次绕z轴转动。,第一欧拉角,第二欧拉角,第三欧拉角,轮胎静态负荷,1.最高车速uamax,重型货车（总质量14t） 90km/h,中型货车（总质量614t） 100km/h,微型和轻型货车（总质量6t） 80 130km/h,城市铰接客车 60 90km/h,客车 125km/h,商用车的速度相对较低，其主要技术参数是载质量或载客量。,微型（经济型）轿车（发动排量/L1.0 ） 奥拓 0
7、.8 120km/h 吉利 1.0 120km/h 夏利 1.0 137km/h 奇瑞QQ 0.8 130km/h,普及（紧凑）型轿车（1.0发动排量/L 1.6） 吉利 1.3 155km/h 夏利 1.3 165km/h 羚羊 1.3 168km/h 西耶那 1.5 168km/h 赛欧 1.6 165km/h 波罗 1.4 172km/h 富康 1.6 180km/h 捷达 1.6 170km/h 飞度 1.3手动 165km/h 飞度 1.3CVT 160km/h 飞度 1.5手动 180km/h 飞度 1.5CVT 175km/h,从这组数据能获取什么信息？,中高级轿车2.5发动机排
8、量/L4.0凯迪拉克赛威 2.8 201km/h奥迪A6L 2.8 235km/h宝马530i 250km/h奔驰E 280 250km/h,中级轿车（1.6发动机排量/L2.5）普桑 1.8 150km/h桑塔纳3000 1.8 185km/h宝来 1.8手动 206km/h宝来 1.8T手动 221km/h宝马318i 214km/h蒙迪欧 2.0 205km/h本田雅阁 2.0 197km/h本田雅阁 2.4 219km/h奥迪A4 1.8T 220km/h奥迪A4 2.0 230km/h,跑车的最高车速,跑车的最高车速,跑车的最高车速,思考,汽车的最高车速这么高，在高速公路上可以得到充
9、分发挥吗？,中国高速公路允许的最高车速120km/h德国高速公路不限速,SUV的最高车速宝马X5(4.4L) 230km/h陆虎览胜(4.0L) 210km/h宝马X5(3.0L) 202km/h大众途锐(3.0L) 197km/h捍马H2(6.0L) 180km/h帕杰罗速跑(3.0L) 175km/h,对最高车速的总结,通过以上数据的对比分析，能得到一些什么结论？,思考,查阅资料：F1方程式赛车的最高车速可以达到多少？,发动机排量越大，汽车最高车速越高；配置相同发动机的前提下，手动挡比自动挡车速更高；发动机排量相同的前提下，车身越小，最高车速越高；SUV配备的发动机排量普遍较大，但与配备相
10、同发动机排量的轿车相比，最高车速要低。,现今内燃机汽车的最高车速记录为660km/h，由塞默兄弟在1965年11月创造。,世界上车速的最高记录是英国飞行员安迪格林（Andy Green）在美国内华达州西北的盐湖上，于1997年10月驾驶一辆喷气式发动机驱动的“冲刺”号汽车创造的，车速第一次超过了声速，达到1227.73km/h。,2.加速时间t,飞度1.5L 12.0s 红旗CA7460 10.5s 捍马H2 10.0s 宝马523Li 9.6s 奥迪A8 7.0s 宝马750 6.6s 奔驰S600 6.5s,宝来1.8 M（手动挡）/A（自动挡） 11.1s/12.7s宝来1.8T M （
11、手动挡）/A（自动挡） 9.0s/10.5s手动挡汽车的加速时间更短,法拉利 575M Maranello 4.2s宝时捷911 3.9s兰博基尼 Gallardo 4.2s,（1）原地起步加速时间,1） 0100km/h的加速时间,2）静止到400m或静止到1km的冲刺时间,60100km/h （4挡/5挡） 10.8s / 13.7s80120km/h （4挡/5挡） 10.6 s/ 14.1s,思考：从这组数据可得到什么信息？,奥迪A6 1.8T 静止到400m冲刺时间7.9s 静止到1km冲刺时间33.4s在一般的技术参数中往往不给此项数据,（2）超车加速时间,宝马520i,低挡的超车加速能力更强。,坡度的概念,货车满载 imax=30越野车 imax=60,一些SUV车型的最大爬坡度,3.最大爬坡度imax,美国对轿车的爬坡能力有如下规定： 能以104km/h（65mile/h）通过6的坡道； 满载时不低于80km/h； 在6的坡道上，096km/h（60mile/h）的 加速时间不应大于20s。,水平路面加速,坡道加速,曲线斜坡加速,
