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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？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
2、以多学科为基础以多学科为基础轮胎力学轮胎力学空气动力学空气动力学一般力学一般力学体系体系车辆动力学的建模方法及基础理论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
3、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通过本课程的学习，要求学生掌握以下内容
4、：n1、车辆的动力性分析与计算n2、车辆的动力装置参数的选定n3、车辆的制动性分析与计算n4、了解ABSn5、车辆操纵稳定性的分析n6、车辆轮胎的受力分析n7、车辆平顺性的分析n8.、基于ADAMS的车辆动力学建模与模拟相关书籍推荐相关书籍推荐相关书籍推荐相关书籍推荐n n余志生主编汽车理论第5版n（美）（美）Thomas D.Gillespie 著著.车辆动力学车辆动力学基础基础.赵六奇，金达锋，译赵六奇，金达锋，译.清华大学出版社清华大学出版社n吴光强吴光强 主编主编.汽车理论汽车理论.人民交通出版社人民交通出版社n傅立敏傅立敏 著著.汽车空气动力学汽车空气动力学. 机械工业出版机械工业出
5、版社社n喻凡喻凡 ，林逸，林逸 编著编著.汽车系统动力学汽车系统动力学. 机械机械工业出版社工业出版社1.2 建模的基本知识 集中质量集中质量 车辆由众多零部件构成。在不同工况、不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。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、制动车
6、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，把整车作为一个集中质量来和大多数转向分析，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，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，而必须把整车质我们不能忽视弹性元件的作用，而必须把整车质量分为量分为“悬挂质量悬挂质量”和和“非悬挂质量非悬挂质量”。车辆固定坐标系统车辆固定坐标系统地面固定坐标系统 n n车辆操纵过程的姿态和运行轨迹，参照固定在地面上的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，车辆固定坐标系右手直角坐标系来确定。一般情况下，车辆固定坐标
7、系选择与操纵的起始点相一致。此坐标系的定义如下：选择与操纵的起始点相一致。此坐标系的定义如下：n nX X向前运动；向前运动；n nY Y向右运动；向右运动；n nZ Z垂直运动（向下为正方向）；垂直运动（向下为正方向）；n n 方向角（水平面上方向角（水平面上x x轴与轴与X X轴之间的夹角）；轴之间的夹角）；n n 路径角（车辆速度向量与路径角（车辆速度向量与X X轴之间的夹角）；轴之间的夹角）；n n 侧滑角（车辆速度向量与侧滑角（车辆速度向量与x x轴之间的夹角）。轴之间的夹角）。欧拉角 n n 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，它
8、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 重型货车重型货车（总质量（总质量14t） 90km/h 中型货车中型货车（总质量（总质量614t） 100km/h 微型和轻型货车微型和轻型货车（总质量（总质量6t） 80 130km/h 城市铰接客车城市铰接客车 60 90km/h 客车客车 125km/h商用车的速度相对较低商用车的速度相对较低，其主要技其主
9、要技术参数是载质量或载客量。术参数是载质量或载客量。微型（经济型）轿车微型（经济型）轿车（发动排量（发动排量/L1.0 /L1.0 ） 奥拓奥拓 0.8 120km/h 吉利吉利 1.0 120km/h 夏利夏利 1.0 137km/h 奇瑞奇瑞QQ 0.8 130km/h 普及（紧凑）型轿车普及（紧凑）型轿车（1.01.0发动排量发动排量/L /L 1.61.6） 吉利吉利 1.3 155km/h 夏利夏利 1.3 165km/h 羚羊羚羊 1.3 168km/h 西耶那西耶那 1.5 168km/h 赛欧赛欧 1.6 165km/h 波罗波罗 1.4 172km/h 富康富康 1.6 18
10、0km/h 捷达捷达 1.6 170km/h 飞度飞度 1.3手动手动 165km/h 飞度飞度 1.3CVT 160km/h 飞度飞度 1.5手动手动 180km/h 飞度飞度 1.5CVT 175km/h从这组数据能获从这组数据能获取什么信息？取什么信息？中高级轿车中高级轿车2.5发动机排量发动机排量/L4.0凯迪拉克赛威凯迪拉克赛威 2.8 201km/h奥迪奥迪A6L 2.8 235km/h宝马宝马530i 250km/h奔驰奔驰E 280 250km/h高级轿车高级轿车红旗红旗CA7460 185km/h奔驰奔驰S600(5.8L) 250km/h宝马宝马760 250km/h宾利雅
11、致宾利雅致(6.8L ) 270km/h迈巴赫迈巴赫(5.5L ) 250km/h劳斯莱斯幻影劳斯莱斯幻影(6.7L ) 240km/h中级轿车中级轿车（1.6发动机排量发动机排量/L2.5）普桑普桑 1.8 150km/h桑塔纳桑塔纳3000 1.8 185km/h宝来宝来 1.8手动手动 206km/h宝来宝来 1.8T手动手动 221km/h宝马宝马318i 214km/h蒙迪欧蒙迪欧 2.0 205km/h本田雅阁本田雅阁 2.0 197km/h本田雅阁本田雅阁 2.4 219km/h奥迪奥迪A4 1.8T 220km/h奥迪奥迪A4 2.0 230km/h跑车的最高车速跑车的最高车速
12、跑车的最高车速跑车的最高车速跑车的最高车速跑车的最高车速思思考考汽车的最高车速这么汽车的最高车速这么高高，在高速公路上可在高速公路上可以得到充分发挥吗？以得到充分发挥吗？中国高速公路中国高速公路允许允许的最高车速的最高车速120km/h德国高速公路不限速德国高速公路不限速SUV的最高车速的最高车速宝马宝马X5(4.4L) 230km/h陆虎览胜陆虎览胜(4.0L) 210km/h宝马宝马X5(3.0L) 202km/h大众途锐大众途锐(3.0L) 197km/h捍马捍马H2(6.0L) 180km/h帕杰罗速跑帕杰罗速跑(3.0L) 175km/h对最高车速的总结对最高车速的总结通过以上数据的
13、对比分析通过以上数据的对比分析，能得到一些什么结论？能得到一些什么结论？思思考考查阅资料：查阅资料：F1方程式赛车的最高车速可以达到多少？方程式赛车的最高车速可以达到多少？发动机发动机排量越大，汽车最高车速越高；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；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；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，但与配备相同发动机排量配备的发动机排量普遍较大，但与配备相同发动机排量的轿车相比，最高车速要低。的轿车相比，最高车速要低。 现今内燃机汽
14、车的最高车速记录为现今内燃机汽车的最高车速记录为660km/h，由塞默，由塞默兄弟在兄弟在1965年年11月创造。月创造。 世界上车速的最高记录是英国飞行员安迪世界上车速的最高记录是英国飞行员安迪格林格林（Andy Green）在美国内华达州西北的盐湖上，于）在美国内华达州西北的盐湖上，于1997年年10月驾驶一辆喷气式发动机驱动的月驾驶一辆喷气式发动机驱动的“冲刺冲刺”号汽车创造的，号汽车创造的，车速第一次超过了声速，达到车速第一次超过了声速，达到1227.73km/h。2.加速时间t 飞度飞度1.5L 12.0s 红旗红旗CA7460 10.5s 捍马捍马H2 10.0s 宝马宝马523L
15、i 9.6s 奥迪奥迪A8 7.0s 宝马宝马750 6.6s 奔驰奔驰S600 6.5s宝来宝来1.8 M（手动挡）（手动挡）/A（自动挡）（自动挡） 11.1s/12.7s宝来宝来1.8T M （手动挡）（手动挡）/A（自动挡）（自动挡） 9.0s/10.5s手动挡汽车的加速时间更短手动挡汽车的加速时间更短法拉利法拉利 575M Maranello 4.2s宝时捷宝时捷911 3.9s兰博基尼兰博基尼 Gallardo 4.2s（1）原地起步加速时间1） 0100km/h的加速时间2 2）静止到）静止到400m400m或静止到或静止到1km1km的的冲刺冲刺时间时间60100km/h （4
16、挡挡/5挡）挡） 10.8s / 13.7s80120km/h （4挡挡/5挡）挡） 10.6 s/ 14.1s思考：从这组数据可得到什么信息？思考：从这组数据可得到什么信息？奥迪奥迪A6 1.8T 静止到静止到400m冲刺时间冲刺时间7.9s 静止到静止到1km冲刺时间冲刺时间33.4s在一般的技术参数中往往不给此项数据在一般的技术参数中往往不给此项数据（2）超车加速时间宝马宝马520i 低挡的超车加速能力更强。低挡的超车加速能力更强。坡度的概念坡度的概念货车满载货车满载 imax=30越野车越野车 imax=60车型车型最大爬坡度最大爬坡度imax切诺基切诺基30通用开拓者通用开拓者50长丰猎豹长丰猎豹70帕杰罗帕杰罗70陆虎陆虎100陆地巡洋舰陆地巡洋舰100一些一些SUV车型的最大爬坡度车型的最大爬坡度3.最大爬坡度imax 美国对轿车的爬坡能力有如下规定：美国对轿车的爬坡能力有如下规定： 能以能以104km/h（65mile/h）通过）通过6的坡道；的坡道； 满载时不低于满载时不低于80km/h； 在在6的坡道上，的坡道上，096km/h（60mile/h）的）的 加速时间不应大于加速时间不应大于20s。水平路面加速水平路面加速坡道加速坡道加速曲线斜坡加速曲线斜坡加速
