汽车系统动力学第1章课件

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1、第一章第一章 车辆动力学概述车辆动力学概述第一节第一节 历史回顾历史回顾 第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围 第三节第三节 车辆特性和设计方法车辆特性和设计方法 第四节第四节 术语、标准和法规术语、标准和法规第五节第五节 发展趋势发展趋势第一节第一节 历史回顾历史回顾 车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科。有关车辆行驶振动分析的理论研究,最早可追溯到100年前1。事实上,直到20世纪20年代,人们对车辆行驶中的振动问题才开始有初步的了解;到20世纪30年代,英国的Lanchester2、美国的Olley3、法国的Broulhiet开始了车辆独立悬架的研究,并就转向运动学和悬架运动学对

2、车辆性能的影响进行了分析。开始出现有关转向、稳定性、悬架方面的文章。同时,人们对轮胎侧向动力学的重要性也开始有所认识。第一节第一节 历史回顾历史回顾 回顾车辆动力学的发展过程,首先要肯定Frederick W.Lanchester对这门学科的早期发展所做的贡献。在他所处的时代,尽管缺乏成熟的理论,但作为当时最杰出的工程师,他对车辆设计的见解不但敏锐,而且深刻。即使在今天,Lanchester的思想仍有一定的借鉴意义。第一节第一节 历史回顾历史回顾根据Segel12提出的阶段划分对车辆动力学早期成就的总结第一节第一节 历史回顾历史回顾底盘控制系统与车辆动力学关系示意图第一节第一节 历史回顾历史回

3、顾 在过去的80多年中,车辆动力学在理论和实际应用方面都取得了很多成就。然而,尽管工程师拥有功能强大的计算机软件,可求解几十甚至几百个自由度的复杂车辆模型,但事实上没有一个车辆制造商会完全用理论分析来取代自己详尽的车辆开发过程。在新车型的设计开发中,汽车制造商仍然需要依赖具有丰富测试经验与高超主观评价技能的工程师队伍。实际测试和主观评价在车辆开发中的重要作用显而易见,且二者不可替代,但这并不排除模型分析在动力学中的作用,设计者仍需通过建模来分析和理解系统内在的复杂关系,找出关键的影响因素,并为车辆性能的变化趋势提供预估。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围 严格地说,车辆动力学是研究所有

4、与车辆系统运动有关的学科。它涉及的范围很广,除了影响车辆纵向运动及其子系统的纵向动力学(如发动机、传动、加速、制动、防抱死和牵引力控制系统等方面)的内容外,还有车辆在垂向和侧向两个方面的动力学内容,即行驶动力学和操纵动力学。行驶动力学主要研究由路面的不平激励,通过悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的运动;而操纵动力学研究车辆的操纵特性,主要与轮胎侧向力有关,并由此引起车辆侧滑、横摆和侧倾运动。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围一、纵向动力学 纵向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。按车辆工况的不同,可分为驱动动力学和制动动力学两大部

5、分。 驱动动力学研究中,首先要了解车辆的行驶阻力,由此才可决定车辆驱动轮上所需的力矩和功率,以及能量消耗。行驶阻力的两个最基本部分是轮胎的滚动阻力和车辆的空气阻力,相关内容分别在第三章和第四章中予以详细介绍。行驶阻力代表了车辆对动力和功率的需求,而车辆的动力与传动系统则为车辆提供了对动力和功率的供应,需求与供应之间的平衡关系还与路面附着系数有关,直接影响车辆的驱动性能。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围 制动动力学研究中,首先要了解车辆制动性能的评价指标;在此基础上,介绍直线制动动力学分析(包括前、后车轮制动力的分配关系,并分析车辆的制动稳定性);最后,从章节安排上考虑,将转向制动动力

6、学分析也放在一起给予介绍。 因此,第一篇的主要内容是:首先在概括总结车辆的行驶阻力的基础上,分析车辆对动力及功率的供求关系;然后分析包括动力性、燃油经济性和制动性在内的纵向动力学性能;最后介绍相关的纵向动力学控制系统,如ABS、TCS等。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围二、行驶动力学与车辆行驶动力学有关的主要性能及参数第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围 实际上可将行驶动力学问题分为两类19。一类是可通过数学建模来分析的行驶动力学问题,有人将其称为“主行驶问题”。关于主行驶动力学的数学建模及随机路面输入下车辆响应分析的内容,将在第二篇的行驶动力学中介绍。此外,对用于改善行驶平顺

7、性及包括操纵稳定性在内的车辆总体性能的悬架控制系统,本书在第十章中给出了详细的介绍。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围三、操纵动力学 在车辆动力学研究中,操纵动力学的内容最为丰富,将在第三篇中加以介绍。需要强调的是,由于轮胎的重要性,在操纵动力学建模中必须要与轮胎模型精度相匹配,否则会影响仿真结果的精度,从而使建立的操纵模型失去意义。 分析车辆操纵特性可以从最基本的两自由度车辆模型入手。在两自由度基本操纵模型中,车辆向前的速度被假定为恒定的,而两个变量分别是车辆的侧向速度和横摆角速度。虽然这个模型很简单,但它为操纵性能分析提供了十分重要的基础。在线性范围内,两自由度模型的预估精度可能会

8、达到70%以上。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围 更重要的是,通过对基本操纵模型的分析,得到了一个关于车辆操纵特性的最基本的概念,即车辆的“不足或过度转向”(understeer/oversteer)特性。分析结果表明,不足转向与过度转向的区别取决于一个重要物理量,即所谓的“稳定裕度”(stability margin),定义为(bCr-aCf)。其中,a和b分别为前轴和后轴至车辆质心的距离;Cf和Cr分别代表了前、后轮胎的侧偏刚度。如果稳定裕度为正值,车辆表现为不足转向;否则,为过度转向。可以看出,稳定裕度中的第一项bCr代表了“后轮产生力的能力”(更严格地讲,是指后轮产生的力绕车

9、辆质心的力矩);而第二项aCf则表达了“前轮产生力的能力”。因此,设计者可以利用前后轮胎力(或力矩)的平衡关系,扩展稳定裕度这一概念,并以此来理解以下因素的影响:第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围与车辆负载情况有关的车辆质心位置;与轮胎的结构、尺寸和胎压等相关的轮胎侧偏 刚度;前、后轮外倾角;前、后轴载荷转移;侧倾转向效应;变形转向效应。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围通常,可以将操纵动力学的研究范围分为以下三个区域:线性域:侧向加速度小于(0.30.4)g时,通常意味着车辆在高附着路面做小转向运动;非线性域:在超过线性域且小于极限侧向加速度(约为0.8g)的范围内;非线性联

10、合工况:通常指车辆在转弯制动或转弯加速时的情况。第二节第二节 研究内容和范围研究内容和范围 对模型不太复杂的线性域情况,一霎通过人工计算也可有效地建模和求解。但考虑到实际设计中的可用性,模型中至少应包括车身的横摆、侧倾和侧向运动、悬架的运动学效应、悬架系统特性和转向系统的影响等。在高速直线行驶时,还要包括空气阻力和力矩。尽管线性模型已经在操纵性能定量分析中得到了有效应用(如前面提到的设计参数对车辆性能的影响分析),但对非线性域和非线性联合工况,则通常需要采用更为复杂的多体动力学仿真软件,以求解这些非线性方程。第三节车辆特性和设计方法第三节车辆特性和设计方法一、期望的车辆特性 人们对车辆纵向动力

11、学性能的要求是:有很好的动力性、燃油经济性和制动性。为实现这些理想特性,首先要保证车辆的动力与传动系统及制动系统的设计良好。在车辆行驶平顺性方面,也有明确而且被普遍认可的车辆特性评价指标;而对操纵性能而言,其中涉及了许多人为的主观因素,所以其评价指标通常较难被广泛接受,因而成为本节主要讨论的内容。第三节车辆特性和设计方法第三节车辆特性和设计方法驾驶人的操纵控制模式a)开环控制模式b)闭环控制模式第三节车辆特性和设计方法第三节车辆特性和设计方法综上所述,所期望的车辆操纵特性可归纳为:(1)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,同时还要保证有适当的阻

12、尼。(2)可操纵性转向时,尽管车辆的控制是由驾驶人通过转向盘来实现的,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,任何不利于轮胎力生成与转向盘运动关系的因素,都会降低车辆的可操纵性和可控制性。例如,当车辆出现前轮抱死时,前轮胎无法提供侧向力,因而会有驾驶人无法控制车辆转向运动的情况出现。第三节车辆特性和设计方法第三节车辆特性和设计方法(3)一致性汽车运行的外部条件复杂且变化范围广泛(如不同的路面及天气条件等),这里所说的一致性,是指人们期望汽车的操纵行为能始终表现如一。如果汽车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,减轻驾驶人的驾驶负担。(4)常规性

13、通常,驾驶人对某辆车的操纵性能都会有一些比较明确的估计或期望。当首次驾驶一辆新车时,期望其性能最好与其他同类车辆相差不大。当然,对某些首次接触的新型车辆(如第一次驾驶采用后轮转向的车辆时),有经验的驾驶人也能很快适应其新特点,而并不感到特别意外。但对普通驾车者来说,并不希望发生这些操纵性能的变化,而是与心目中期望的常规模式尽可能地接近。第三节车辆特性和设计方法第三节车辆特性和设计方法对普通的乘用车来说,要使所设计的车辆具有良好的操纵稳定性必须具备以下几点:1)使车辆对于外界干扰(风、路面等)的响应降至最低;2)具有满意的控制响应特性;3)确保无显著的或不可控的不稳定特性;4)为驾驶人提供足够的

14、信息;5)提供合理的最大加速度值、轮胎滑移报警、可接受的突变和回复特性;6)当环境条件改变(诸如路面不平以及天气变化时),系统性能表现尽量一致。第三节车辆特性和设计方法第三节车辆特性和设计方法二、设计方法 研究中,首先要明确什么是有用的信息和最需要的结果,这是选择建模复杂程度的基本原则。例如,在考虑悬架弹簧和阻尼的基本设计问题时,选择一个双质量单轮模型应该是可行的,但对悬架衬套刚度等方面的细究显然不合适。而在车辆操纵性能分析中,两自由度单轨模型就可以反映出车辆的最基本的特性,即不足或过度转向特性,且包括车辆质心的位置、前后轮产生侧向力的能力及其二者间的平衡等重要设计信息。如果需要考虑更复杂的情

15、况(如包括车身侧倾、车轮外侧角变化、悬架和转向系统引起的变形转向等影响),还可以方便地在两自由度单轨模型基础上,采用叠加原理(线性范围内)来分析各因素对车辆转向转性的影响。第三节车辆特性和设计方法第三节车辆特性和设计方法车辆设计的迭代循环过程第三节车辆特性和设计方法第三节车辆特性和设计方法综上所述,可将车辆动力学建模的主要目的归纳为:1)描述车辆的动力学特性;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。4)为控制系统(包括控制目标、参考模型、性能评价等)的设计提供依据。第四节术语、标准和法规第四节术语、标准和法规描述车身运动的SAE标准坐标系第四节

16、术语、标准和法规第四节术语、标准和法规在进行车辆动力学分析之前,还需定义一些专用的术语,包括:(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(steady state)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(transient state)指车辆的运动响应和作用在车辆上的

17、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)阿克曼转向角(Ackermann angle)假定车辆转弯时,轮胎做无侧偏滚动,内外车轮转角必须不同。阿克曼转向原理用于描述车辆稳态转向时的运动学效应,详见第十三章内容第四节术语、标准和法规第四节术语、标准和法规有关汽车动力学性能试验的国家标准第五节发第五节发 展展 趋趋 势势传统的车辆动力学研究都是针对被动元件的设计而言,而采用主动控制来改变车辆动态性能的理念,则为车辆动力学开辟了一个崭新的研究领域。在车辆系统动力学研究中,采用“人 车路”大闭环的概念应是未来的趋势。作为驾驶者,人既起着控制器的作用,又是车辆性能的最终评价者。

18、控制技术的应用,使得车辆设计的目标可以是:力求使车辆系统在各种工况下都能有一种较易为驾驶者适应的特性。随着多体动力学的发展及相应软件的开发和日益成熟,功能强大的计算机软件能够有效地模拟复杂的车辆模型,使汽车系统动力学成为汽车CAE技术的重要组成部分,并逐渐朝着与电子和液压控制、有限元分析等技术集成的方向发展。或许可以这样说,是计算机技术和控制技术共同推动了现代汽车系统动力学的发展。随着各种底盘控制系统在车辆中应用的增长趋势及各功能控制系统集成程度的日益提高,车辆动力学在未来车辆控制系统设计中的作用将愈加重要。可见,未来的发展将在车辆主动控制、车辆多体动力学和向“人车路”闭环系统的扩展等方面有所

19、体现。第五节发第五节发 展展 趋趋 势势一、车辆动力学控制如今,对汽车产品提出的安全、舒适、易于操纵乃至智能化等更高的要求与最初人们对汽车的要求已有很大转变,这一转变在本质上体现了人与车关系的转变。而主动控制的介入使得最初仅仅由人驾驭车辆改变为由人和控制器共同来驾驭的局面。由于车辆系统的应用环境(工况)和评价指标的多样性、复杂性,为了使“人车路”这一大闭环系统具有良好的性能,车辆设计师的着眼点更应力求使车辆系统在各种工况下都能有一种较易为驾驶人适应的特性,以求将驾驶人的驾驶负担减至最小。任何车辆控制系统的开发均包括以下三个组成部分,即控制算法、传感器技术和执行机构。后两者在技术上可以解决;但作

20、为控制系统的关键,即寻求一个能够为车辆提供良好性能的控制律(control law),则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合。第五节发第五节发 展展 趋趋 势势目前,车辆控制系统已在某些方面得到了成功的应用,如防抱死制动系统、驱动力控制系统和稳定性控制系统等,并逐步向车身侧倾控制、可切换阻尼的半主动悬架和四轮转向等其他方面拓展。虽然这些系统最初只限于各自完成某些特定的功能,但它们的结合则是车辆底盘控制技术发展的必然趋势。因此,随着未来电动车的迅速普及,为线驱动、线制动、线转向及线控悬架技术及其集成也带来了契机。基于线控技术(即X-by-wire)的车辆动力学集成控制也成为当前车辆动力学与控制领域

21、的一个研究热点,并有一些研究成果在近年来不断涌现。第五节发第五节发 展展 趋趋 势势二、多体系统动力学与传统的集中质量模型相比,近代发展起来的多刚体系统动力学可大大提高复杂车辆模型的精度31。随着计算机技术的飞速发展,车辆的多刚体模型逐步向多柔体模型发展。因此,考虑车辆中一些柔性体(如橡胶衬套等)的刚柔耦合模型也能被精确地建立32。多体系统动力学的基本方法是:首先对一个由不同质量和几何尺寸组成的系统施加一些不同类型的连接元件,从而建立起一个具有合适自由度的模型;然后,软件包会自动产生相应的时域非线性方程,并在给定的系统输入下进行求解。第五节发第五节发 展展 趋趋 势势式中,M表示一个系统参数矩

22、阵,包括质量、惯量、刚度、阻尼、几何尺寸等;X表示系统状态变量的矢量形式,它可能包含几百个变量;F表示所有外力的矢量。由上式可以看到,假如F中还包括一些不确定因素,则花费很大的精力去提高方程式左边MX的精度也是没有意义的。例如,在操纵动力学模型中,矢量F包括的轮胎作用力恐怕就是最不精确的部分。因此,不断努力地对轮胎性能进行测量、提炼和建模33将成为车辆动力学发展的一个核心问题。第五节发第五节发 展展 趋趋 势势三、“人车路”闭环系统对人车路闭环系统的研究汽车系统动力学领域正在愈加受到重视34,35。研究人车路闭环特性的主要目的是:首先建立人车闭环系统的数学模型,并以此为基础提出与驾驶人主观评价

23、一致的客观评价体系。尤其对操纵动力学研究而言,若要全面准确地研究和评价系统性能,就应考虑驾驶人与车辆的配合问题。然而,实际中驾驶者的特性是因人而异的,并可通过训练而改变,很难表达成准确而统一的特性,因而在车辆的试验评价研究中,也给闭环评价带来了很大困难。如果表达驾驶人驾驶特性的驾驶人模型不再是问题,那么“开环评价”与“闭环评价”的应用价值也就差别不大了。因此,在人车路闭环系统中驾驶人模型的研究,也是今后汽车系统动力学研究的一个挑战性难题。第五节发第五节发 展展 趋趋 势势除驾驶人模型的不确定因素外,就车辆本身的一些动力学问题也未必能完全通过建模来解决。可见,汽车系统动力学中的这些微妙因素影响了

24、由系统建模预测的系统性能的准确性。但在主观评价中,这些因素却很容易被有经验的试验工程师发现。目前,人们仍然普遍承认,在对车辆行驶和操纵性能的开发、调节以至最后形成批量生产进行决策时,仍主要以主观评价为基础。这看来似乎有点矛盾,既然功能强大的计算机软件能如此有效地模拟日益复杂的车辆模型,又何必仍要依赖那些经过高度“标定化了的”实车试验工程师的精湛技能呢?对于这个问题,还得从两方面来回答。首先,这些模型虽尚不“完美”,但并不意味着它们没有用处。比起以往那种反复进行实车试验的做法,任何加速开发设计进程的分析工具都肯定有用。其次,如果在建模时一味将精力都花在模型的复杂程度和精度上,就有可能会失去重点。第五节发第五节发 展展 趋趋 势势 虽然人们对车辆性能的客观测量与主观评价之间的复杂关系还缺乏充分的了解,但已有一些学者就驾驶人模型及其参数辨识方法进行了研究,并试图基于辨识得出的驾驶人模型建立一种通用的方法来表达车辆操纵品质评价及车辆操纵特性之间的关系。因此,对基于驾驶人模型的人车路闭环车辆操纵品质评价的研究可能是今后汽车系统动力学中一个重要的研究领域。本章完本章完 谢谢谢谢！