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1、1,汽车系统动力学,主 讲：马 天 飞,电子讲稿,2,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,第一章 车 辆 动 力 学 概 述,3,第一节 历史回顾,车辆动力学的发展史 20世纪20年代，开始了解车辆振动问题； 30年代开始研究独立悬架； 开始分析转向运动学、悬架运动学； 英国Lanchester的见解对学科的早期发展具有重要贡献。 1932年，美国Olley在凯迪拉克公司建立了K2试验台； 是一个前后质量可变的车架； 研究前后悬架的匹配及轴距对前后轮相位差的影响； 完全依靠感觉进行主观评价； 提出了平稳行驶（flat ride）的概念及一些重要结论。,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,4,车
2、辆动力学的发展史（续） 20世纪50年代，车辆操纵动力学迅猛发展。 建立了较完整的车辆操纵动力学线性域理论体系； 1956年，机械工程师学会（I Mech E）伦敦会议。 主题是汽车稳定性控制和轮胎性能研究； 其会议论文具有重要历史意义。 英国汽车研究所（MIRA）在行驶动力学方面的贡献。 路面特性的测量 主观评价和客观测试的关系 平顺性测量仪器的开发 率先利用计算机进行动力学计算研究,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,5,车辆动力学的发展史（续） 美国的Clark、德国的Mitschke等人的研究 采用集中质量模型（Lumped Model） 以轮胎接地点的随机路面输入作为模型激励 随着对
3、车辆动力学理解的加深，控制理论被有效的应用，并且开始认识到轮胎的重要性。 1993年，在IMechE会议上，Segel对车辆系统动力学发展历史的回顾。（表1-1）,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,6,仿真技术和控制理论的应用,多刚体系统动力学分析软件的应用 ADAMS、DADS 先进控制理论与技术的应用,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,7,纵向动力学控制研究 20世纪70年代，防抱死制动系统（ABS） 通过限制制动轮缸的压力 避免了车轮抱死 保证车轮最佳滑移率 80年代，驱动力控制系统（TCS） 通过限制发动机输出转矩防止车轮滑转。 80年代末，防滑转控制装置（ASR） 在ABS和TC
4、S的基础上发展起来的； 车速急剧变化时，改善附着力，避免侧滑。,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,8,利用纵向力的分配控制操纵性能 90年代初，动态稳定性控制（DSC或VSC） 轮胎接地印记处的摩擦力满足摩擦圆规律； 高速行驶时，通过控制驱动力保证横向稳定性。 在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作，利用控制左右车轮制动力或驱动力之差产生的横摆力矩来防止出现难以控制的侧滑现象，保证车辆的路径跟踪能力。,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,9,垂向动力学的控制研究可控悬架系统 车身高度调节系统 应用电控可调阻尼器的自适应阻尼调节系统 基于控制阀快速切换技术的可切换阻尼系统 全主动悬架（ACS
5、）系统 70年代，Thomson完善了设计思想和控制规律 80年代，Lotus公司生产出原形样车 有限带宽主动系统 阻尼连续可变的半主动系统,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,10,转向系统动力学的控制研究 四轮转向（4WS）系统 通过控制后轮转向角，提高车辆操纵性和稳定性 80年代末，日本开始生产4WS汽车 电子液压助力转向（PPS）系统 利用电子系统控制液压系统进行助力； 电动助力转向（EPAS)系统 根据车速等行驶条件调整助力的大小使转向轻便；,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,11,理论分析与实验测试的关系 建模仿真分析的作用 可以了解系统内在关系； 找出关键影响因素； 对车辆性能
6、的变化趋势进行预估。 实际测试和主观评价在车辆开发中的作用不可替代。,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,12,第二节 研究内容和范围,车辆动力学研究内容 纵向动力学传动、加速、制动、俯仰 行驶动力学车身、车轮跳动、俯仰、侧倾 操纵动力学侧滑、横摆、侧倾 分成三方面研究的理由和缺陷 适当的简化可以减少分析工作量； 但输入是共存的，响应特性是耦合的； 现在已经有条件进行复杂模型、复杂工况的仿真,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,13,纵向动力学,研究车辆直线运动及其控制问题，纵向受力与其运动之间的关系； 驱动动力学 车辆行驶阻力 驱动轮所需的力矩和功率 制动动力学 制动性能的评价指标 前后车轮
7、制动力的分配关系 车辆的制动稳定性 转向制动动力学分析,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,14,行驶动力学,主要内容和性能指标 良好的乘坐舒适性 良好的车身姿态 车轮动载荷的控制 悬架工作行程的约束 首要问题是建立考虑悬架特性在内的车辆动力学模型。 行驶动力学问题的分类 主要行驶舒适性问题可通过数学建模来分析 次级行驶舒适性问题涉及到乘员主观感受,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,15,操纵动力学,车辆操纵动力学的两自由度基本模型 纵向速度为定值，侧向速度、横摆速度为变量； 线性范围内，预估精度可达70%； 不足转向与过度转向 稳定裕度（stability margin） S.M = bC
8、r- aCf 后、前轮产生绕车辆质心的力矩的能力 S.M为正，是不足转向；否则，是过度转向。 轮胎模型是操纵动力学建模的关键,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,16,操纵动力学（续）,研究范围 线性域 侧向加速度小于0.4g 车辆在高附着路面作小转向运动 非线性域 超过线性域，小于极限侧向加速度（约0.8g） 非线性联合工况 车辆转弯制动或转弯加速工况,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,17,第三节 车辆特性和设计方法,期望的车辆特性 纵向动力学性能要求 很好的动力性、燃油经济性和制动性 行驶动力学（乘坐舒适性） 乘员所感受的加速度水平降至最小； 车身的侧倾、俯仰运动姿态保持良好； 尽量减
9、小轮胎与路面间的载荷波动，保证接地性； 操纵动力学性能要求 希望付出极小的控制输入就可以轻松安全驾驶车辆,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,18,期望的车辆特性,驾驶员的操纵控制模式 开环控制模式 用于轻松驾驶情况 熟悉车辆响应特性，无须校正 闭环控制模式 用于操纵难度较大的情况，超车、急转弯 监视实际路径作为反馈信号，校正输入,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,19,期望的车辆特性,车辆操纵特性总结 稳定性 抗干扰，恢复快，阻尼适当 可操纵性 保证转向盘运动，保证轮胎侧向力 一致性 外部条件变化时，汽车的操纵行为始终如一 常规性 操纵性能与其他同类车辆相差不大,汽 车 系 统 动 力 学
10、 马天飞,20,设计方法,根据所要研究的问题建模，分析要服务于设计 通过建模分析来理解和检验设计是否合理、可行 开始阶段 模型对实际问题的模拟程度 结尾阶段 针对实际问题如何解释计算结果（图1-4） 建模的目的 描述车辆的动力学特性 预测车辆性能并产生最佳设计方案 解释现有设计中存在的问题，找出解决方案,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,21,第四节 术语、标准和法规,国际汽车工程师协会（SAE）标准坐标系 车身坐标系 轮胎坐标系 定义了轮胎的作用力和力矩,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,22,第五节 发展趋势,车辆的主动控制 车辆控制系统 控制算法 要求自适应、鲁棒性要好 在保证系统稳定的前提下，控制器可以在线的调节自己以适应当前特定的运行条件。 传感器技术：前视预瞄、轴距预瞄 提供前轮前方路面信息，对前后轮进行控制。 执行机构 车辆底盘控制系统的集成,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,23,多体系统动力学,多个刚体通过铰链连接，生成复杂车辆模型； 软件自动生成时域非线性方程，并根据输入求解； 刚柔耦合模型可以提高建模精度。 系统方程组的通式 MX = F 只提高某一项的精度是没有意义的,汽 车 系 统 动 力 学 马天飞,“人车路”闭环系统和主、客观评价,驾驶员模型的研究是难点 主观评价与客观评价关系的认识,
