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系统动力学复习概要完整版

第一章绪论

1系统的定义分类特征

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。

自然系统,人工系统,组合系统

层次性,整体性,目的性,功能共性

2系统动力学三个研究任务,汽车系统动力学的研究内容

系统设计,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。

系统识别,已知输入和输出来研究系统的特性。

环境预测,已知系统的特性和输出来研究输入。

A路面特性分析,环境分析及环境和路面对汽车的作用

B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。

C汽车系统的最佳控制和最佳使用

D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-机系统的工作效率最高。

3模型是一种过程或行为的定量或定性代表,它应能显示对所考虑目标具有决定性的后果,可分为,比例的物理模型,数学等效模型,数学模型。建立系统动态数学模型的方法有,各种数学方程式,用数字和逻辑符号建立符号模型-方框图,功率键合图。

4系统动力学与经典动力学不同

系统动力学要对系统所出的环境进行研究,找出其特性,如路面不平整特性,空气动力特性

把汽车看成控制系统来进行分析

把驾驶员作为一个主动因素考虑到汽车系统中去组成一个人-机-地面系统来加以研究

强调系统之间的联系,研究系统间的相互作用

5键合图适用场合

存在不同的能量而具有相同能量传递形式的同一系统,用键合图技术建模最为合适

第二章路面

1 车辆支撑面一般分为硬路面和软路面

2 各类质点含量的相对比例作为土壤分类的标准,就成为土壤的质地分类(碎石,圆石子,砂,粉状淤泥质点,粘土);又因为地面附着能力来自粘土质地,所以地面也可以按照黏土质点的含量来分类(粘土地面,粉质黏土,沙性土壤,砂)。

3土壤的机械力学性能最重要的就是其对垂直载荷的抵抗能力,也就是土壤在垂直载荷作用下的下陷深度。

4根据土壤含水量的多少,可分为固态,液态,塑态。

土壤含水量W,即土壤湿度,用突然湿重和干重之差相对于干重的百分比表示,突然含水量直接影响汽车通过性。

土壤在湿的状态下,不散成碎块而改变其形状的能力称为土壤的塑性。

5没有确定的变化,没有必然的变化规律,也不能用确定的函数加以描述,这样的变化过程

就叫做随即过程。

6通常用路面不平度的功率谱密度和方差等统计特性参数描述路面不平特性。

第三章空气动力学

1空气动力学是研究汽车和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。

2气动阻力分类及定义影响

形状阻力58%,当汽车行驶时,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,意味着能量的消耗,使运动阻力增大。形成负压,而汽车正面是正压,所以涡流引起的独立也成压差阻力,又因为这部分阻力与车身相关,又称形状阻力。

摩擦阻力9%,当空气流经汽车表面时,由于气流的黏性作用而产生切向力,空气微团与车身表面之间发生摩擦,这种摩擦阻碍了气流的流动,形成一种阻力称为摩擦阻力。

诱导阻力7%,升力在水平方向上的分力称为诱导阻力

干扰阻力14%,由车身外面的突起物所造成的阻力。

内循环阻力12%,为发动机冷却和座位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。

3气动力对汽车动力性影响

行驶阻力与车速的关系:当汽车在水平路面上匀速行驶,只有气动阻力和滚动阻力,由汽车理论可知汽车速度较低时,气动阻力和滚动阻力各占一半,当汽车车身较高时,气动阻力在总行驶阻力总占得比例将会越来越大,所有对高速行驶的汽车都必须尽量减小气动阻力。发动机功率与车速的关系:当汽车在水平路面上等速行驶,发动机的功率与滚动阻力功率和气动阻力功率平衡,由汽车理论可知滚动阻力功率和车速的一次方成正比,而气动阻力功率与车速的三次方成正比。

气动阻力和最高车速的关系:当汽车在水平路面上等速行驶时,驱动力全部用来克服滚动阻力和气动阻力,由汽车理论可知当最大驱动力和车重一定时,减小气动阻力系数可以提高汽车的最高车速,或者提高升力系数也可以提高车速,但是提高升力系数会影响汽车的稳定性,所以不能通过提高升力系数来提高最高车速。

气动阻力对加速度的影响:由汽车理论可知,汽车的加速能力首先取决于发动机的加速性能,其次还有汽车的气动阻力系数近似成反比关系,减小汽车的空气阻力,就可以使汽车的加速度提高。

4影响操稳的气动力及措施

升力和俯仰力矩,关系到附着力和牵引力

侧向力和横摆力矩,关系到侧风稳定性和直线行驶性

侧倾力矩,关系到侧向稳定性。

措施:升力和俯仰力矩:A总体设计时,尽量做到风压中心和重心接近B采用类似楔形造型,尽量压低车身前端,使尾部肥厚向上翘以产生负的纵倾角C在车顶后端或者车尾做成翘起来的形状,可以很好地起到降低升力的作用。

侧向力和横摆力矩:A总体设计时,尽量合理安排各总成,做到风压中心处于重心之后,以提高稳定性B尽量压低车身高度,处理好横截面的流线型性,以降低横摆力矩C车身后端加尾翘或采用方背式布置,使风压中心后移,减小横摆力矩的不安定成分。但加尾翘后,汽

车承受的侧向风将增加,此点不容忽视。

侧倾力矩:A在总体设计时,尽量使风压中心在高度方向上接近于侧倾轴线B尽量降低重心C采用长度较小,宽度较大,车身低矮的布置形式。

5模型风洞试验法实车风洞试验法实车道路试验法。六分力测量,压力分布测量,流态显示试验

6影响汽车燃油经济性的因素包括发动机性能,传动系性能,汽车重量,汽车外形,轮胎性能,行驶车速,档位选择和使用保养等。气动阻力对燃油消耗量的影响,是与车种,行驶道路和使用情况有关,因为各种汽车的气动阻力的大小是不同的。

第四章轮胎

1轮胎基本功用A支撑垂直载荷,同时缓冲路面冲击B产生纵向的加速和制动力C产生供转向的侧向力

轮胎要求

A保证实行驶安全,轮胎要牢固装在轮辋上,气密性好

B耐久性好,要有足够的疲劳强度和高速强度。

C保证行驶舒适,良好的弹性和阻尼特性,均匀性好,噪音小。

D良好的转向特性,侧偏性好,转向运动灵敏,侧向力增长平顺

E经济性好,成本低,寿命长,滚动阻力小。

规格:轮胎宽度,扁平率,轮胎结构形式,轮辋直径,工作标记

2轮胎断面高度和断面宽度之比成为扁平率

3侧偏刚度,侧偏力和侧偏角曲线中,侧偏角为零时曲线的斜率

4侧偏刚度影响因素:

A垂直载荷W和法向反力FzW增大,同样侧偏力下侧偏角减小,Ky增大,最大回正力矩Tz 也增大。

B轮胎形式和结构参数子午线轮胎接地面宽,侧偏刚度比斜交胎高,同样的侧偏角时回正力矩大,扁平比小的轮胎,其轮胎侧偏刚度大;轮胎气压增加,侧偏刚度增大,但气压过高,刚度不再变化,气压高,接地印迹短,轮胎拖距也小,回正力矩也小。

C在一定侧偏角下,驱动力或者制动力增加,侧向力有所减小

第五章转向

1稳定性参数

稳定性因数

前后轮侧偏角绝对值之差

转向半径比

静态储备系数

临界车速和特征车速

2特点:时间上的滞后,执行上的误差,横摆角速度的波动,进入稳态所经历的时间

3评价瞬态响应品质的参数

无阻尼固有频率,阻尼比,反应时间,超调量

4频率特性评价指标

频率为零的幅值比,共振峰频率,共振时的增幅比,f=0.1HZ时的相位滞后角,f=0.5HZ时的相位滞后角

第六章振动

1汽车工程中,将前桥相对车身的横向振动,前桥绕汽车纵轴线的振动和前轮绕主销的摆动等三种振动称为汽车摆振。其中前轮绕主销的角振动成为前轮摆振。

前轮摆振影响因素:

周期变化激振力

A车轮不平衡质量产生的惯性离心力

车轮与轮胎由于制造上的误差,材料的不均匀性和磨损的不均匀等,在车轮转动时,不平衡质量将产生沿车轮半径方向的惯性离心力Fg=mv2/R,它的水平分力对主销中心的力矩为Mg=Fgx*e=meV2/RsinVt/R,此力矩使车轮绕主销摆振,它是周期变化的,其频率与车速成正比,离心力的垂直分力是Fgy=mV2/RcosVt/R,此力会引起车轮上下跳动。

B车轮陀螺力矩

汽车行驶时,可把高速转动的车轮看做一个转子,而绕主销转动的转向节视为该转子的框架,从而构成一个二自由度的陀螺,框架将受到一个力矩作用,称为陀螺力矩。

C悬架与转向杆系运动不协调的激励

一货车前悬架采用钢板弹簧,前端用铰链后端用活动吊耳与车架相连,转向机固定在前轴之后,而转向头球销的D点与纵拉杆相连,纵拉杆摆动中心为O2,而弹簧跳动的中心为O1,如O1,O2相隔很远,当车轮跳动时,前轴及主销C点沿AA’弧运动,也即一面上跳,一面相对于车架前移,而转向节上D点将以O2为中心沿BB’弧运动,也即一面上跳一面相对于车架后移,从俯视图可见,车轮上跳时,D点相对于C点后移,其结果是使车轮向内偏转,反之当车轮从高处往下返回时,车轮又向外偏转。

偶然和单次激励

若外激力消除后,振动并不衰减,相反地却因这种振动而激起系统内部的某种周期交变力的发生,从而引起持续的振动,这种振动成为自激振动。

2扭振模型,发动机曲柄连杆机构扭振模型,动力传动系扭振模型,离合器,变速器以及含整车平移质量及车轮的整车扭振模型

3传动系建模:(1)A发动机曲柄连杆机构扭振模型B多轴齿轮传动轴的分支建模C2根轴向一根轴简化D传动系扭振模型

(2)离合器,变速器,万向节,传动轴,主减速器,减速器,驱动半轴,轮毂等组成车轮动力传动系扭振模型,传动系首段与发动机相连,末端通过弹性轮胎与车辆平动质量相连,组成了一个多质量的扭振系统。

4制动跑偏因素:A汽车左右车轮,特别是前轴左右车轮制动器的制动力不相等B制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调

5振动分类

原因,自由振动,受迫振动,自激振动。

规律,简谐振动,非简谐振动,随机振动

位移形式,垂直振动,扭转振动,弯曲振动

6受迫振动,自激振动区别

受迫振动:由周期变化的外界激励持续作用引起,如车轮不平衡,在波形路面上陀螺力矩,悬架与转向系运动不协调;系统振动频率与激振频率一致,摆阵明显发生在共振区,而共振车速范围很窄;激振力的存在与振动体运动无关

自激振动:无需有持续周期作用的激励,只要有偶然单次性激励;系统振动频率接近系统绕主销振动的固有频率,与车轮速度(相当于激励频率)不一致,发生振动车速范围较宽;其激振力是伴随振动物体的运动而产生,振动体运动停止,激振力消失。

汽车各大总成,A发动机悬置系统的振动,激励问题,刚体振动,扭振问题,B传动系扭振,C承载系统振动,悬架-人-椅系统,D转向系及前轴振动,前轮摆振,E制动系振动制动盘制动鼓振动,F汽车结构振动,驾驶室,大梁,后桥壳,车身弯振

第七章悬架

1悬架基本功能A缓和路面不平的冲击,使汽车行驶平顺,乘坐舒适B车轮跳动时使车轮定位参数变化小,保证良好的操纵稳定性C使车轮与地面有良好的附着性,减小车轮动载变化,以保证良好的安全性。

2非独立悬架特点是左右车轮用一根刚性轴连接起来,并通过悬架与车身(或车架)相连。其典型代表是纵置板簧式悬架,其优点是结构简单,制造成本低,维修方便,缺点是非簧载质量大,所需空间大,容易产生陀螺效应,引起前轮摆振。

独立悬架的特点是左右车轮不连在一根车轴上,单独通过悬架与车身或车架相连,每个车轮能独立的上下运动,独立悬架有双横臂式,麦弗逊式,纵臂式,斜臂式等几种,优点是非簧载质量小不易产生陀螺效应,发动机行李箱布置空间大,而且越野性能好,缺点是结构复杂,成本高。

3悬架评价:车身垂直加速度(舒适性)车轮相对动载(安全性)弹簧行程(弹簧寿命)

4主动悬架按照是否还有动力源可分为全主动和半主动悬架。

5什么是主动悬架?组成?主动式悬架工作原理。

主动式悬架可称为“可调悬架”,主要通过各种反馈信息实现悬架刚度和阻尼值的可调,以保证汽车行驶的舒适性和安全性。全主动悬架主要有三部分组成,能源;反馈控制系统(微机,传感器,信号处理器等);执行机构(力发生器)

仅进行垂直振动分析时常采用1/4整车所简化的模型,如图,该模型与一般被动式传统悬架系统不同之处在于:弹性元件和减振器被执行机构所代替,执行机构一方面和动力源相连以获得能量,另一方面又和反馈控制系统相连,反馈系统从本身振动参数中获得信息,经过反馈系统中控制单元的计算机处理,然后发出指令给执行机构,就能调节给车身和车轴的力,以保证所需的舒适性和安全性。

6主动悬架特点A主动式悬架能供给能量和调节能量,而被动式悬架只能靠变形贮存和释放能量。因为这个特点,主动式悬架又被称为有源悬架B主动式悬架能产生许多变量函数的力,从而适应外部广泛的干扰。

优点A固有频率可以较低,而且不随载荷而变,从而保证良好的舒适性B悬架的动态变形小C对任何输入的响应都很快。缺点是结构复杂,成本高昂,但随着汽车技术的发展,这些问题必然会得到解决。

7什么是半主动悬架?按照阻尼级分类?

半主动悬架不考虑改变悬架的刚度,它是由无动力源且只有可控阻尼原件组成。

按照阻尼级分类:A有级式半主动悬架B无级式半主动悬架

第八章,碰撞

1汽车碰撞有五种,正面碰撞,后面碰撞,侧面碰撞,斜方碰撞,群碰

汽车碰撞事故:汽车在城市道路或公路行驶过程中由于碰撞而引起车辆和物品损坏或人员伤亡的事故。

原因:人的因素(由于人的生理功能低下,造成人的行为差错,引起汽车碰撞事故,如疲劳,饮酒,药物作用,情绪异常等),车的因素(由于汽车设计不合理,造成性能低劣或结构故障,零件失效而引起的碰撞事故),环境的因素(道路的几何形状和表面状况,车流情况,气候,道路标志,道路设施等)

对策:针对人的因素的宣传,交通安全教育和宣传,训练学习推行有关法规;针对环境方面因素对策,改善道路条件,改进道路设施等;针对汽车因素的对策,改进汽车设计和结构加强汽车被动安全性方面研究,减少汽车及成员的伤害。

2汽车发生第一次碰撞之后,乘员的相对位移受到室内物体的限制,亦即乘员以一定的相对速度与室内物体接触,产生另一次碰撞,通常称为“第二次碰撞”

第二次碰撞的激烈程度不但和相对速度有关,而且还与室内物体及其包垫材料的缓冲性能有关。

正碰人体运动情况

接触部位在人体重心上方,这时人的身体上部将顺着汽车行驶方向移动,并绕下部转动。接触高度与人体重心高度相同,这时人体被汽车平推向前,这两种情况都会使被撞行人抛向汽车前方,汽车速度愈高,抛出的距离愈远,其结果是人的身体撞在路面上或者碾在车轮下。接触部位在人体重心下方,这是人的身体上部向汽车靠近,人的头部往往会撞到汽车发动机罩或风窗玻璃上。如果汽车速度很高,人体的翻转就会超过180°,可能被翻到车顶上去。3碰撞程度的评价指标:汽车的行驶速度,速度变化值,减速度,碰撞变形分级代码cdc,屏壁当量速度,最简易的伤亡分级,简明受伤分级ais,受伤程度计分iss

汽车的碰撞刚度是表示其塌陷变形与所需撞击力关系的特性

4正面碰撞定义:汽车在直线行驶中,其纵向对称面与碰撞对象的物体表面垂直或两汽车纵向对称平面相互平行的碰撞

碰撞方程式:表达和求解碰撞过程中的力,变形,位移,加速度等各种物理量的数值以及他们之间的相互关系,以平衡形式表示出来

一般形式:汽车减速度惯性力=使汽车结构(和物体)产生变形的力

这个封闭系统中,动量和能量的转换将遵循动量守恒和能量守恒的原理。

第九章侧翻

1能够使汽车绕其纵轴旋转九十度甚至更多,以至于车身同地面接触的任何一种操作

侧翻原因:司机,驾驶环境和车辆结构。

刚性汽车的准静态侧翻

MAyh-Mgh(fai)+Fzit-1/2Mgt=0

2汽车开始侧翻所受到的侧向加速度(g)称为侧翻阈值。

3由于汽车本身的不稳定性,当汽车内侧车轮刚离开地面时的状态被称为汽车侧翻起始点。理论上,只有当侧翻角变得很大,以至于汽车重心超出了外侧车轮与地面接触线时,侧翻才

是不可避免的。

4考虑悬架

MsAyh-Msg(t/2-(fai)(h-hr))

阶跃输入操纵产生一个低于准静态临界点的侧向加速度,由于过冲量的存在,在瞬态响应中,它会导致侧翻,这样侧翻临界点低于瞬时操纵时的值。

第十章,多刚体

方法共同点:所推导出的动力学方程都适用于电子计算机计算,这是因为多刚体系统动力学的研究对象一般为比较复杂的多体系统,其结构和并联方式也是多种多样的,这给建立动力学方程带来很大困难,并且系统的动力学方程多为高阶非线性方程。

研究方法:图论方法,凯恩方法,旋量方法,最大数量坐标法,变分方法