汽车系统动力学的发展现状 仲鲁泉 2014020326 摘要：汽车系统动力学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有汽车在垂直和横向两个方面的动力学内容。介绍车辆动力学建模的基础理论、轮胎力学及汽车空气动力学基础之外，重点介绍了受汽车发动机、传动系统、制动系统影响的驱动动力学和制动动力学，以及行驶动力学和操纵动力学内容。本文主要讲述的是通过对轮胎和悬架的系统动力学研究，来探究汽车系统动力学的发展现状。 关键词：轮胎；悬架；系统动力学;现状 0 前言 汽车系统动力学是讨论动态系统的数学模型和响应的学科。它是把汽车看做一个动态系统，对其进行研究，讨论数学模型和响应。是研究汽车的力与其汽车运动之间的相互关系，找出汽车的主要性能的内在联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据。 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，最早可以追溯到100年前。事实上，知道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Lanchester、美国的Olley、法国的Broulhiet开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对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。在过去的70多年中，车辆动力学在理论和实际应用方面也都取得了很多成就。在新车型的设计开发中，汽车制造商不仅依靠功能强大的计算机软件，更重要的是具有丰富测试经验和高超主观评价技能的工程师队伍。 在随后的20年中，车辆动力学的进展甚微。进入20世纪50年代，可谓进入了一个车辆操纵动力学发展的“黄金时期”。这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域（即侧向加速度约小于0.3g）理论体系。随后有关行驶动力学的进一步发展，是在完善的测量和计算手段出现后才得以实现。人们对车辆动力学理解的进程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。随后的几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽车产品竞争中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。计算机及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高。
1.简要按形成原因汽车空气阻力怎么分类？简单概述各种阻力的形成。（P82） 汽车空气阻力分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力以及摩擦阻力；1）形状阻力占压差阻力的大部分，主要与边界层流态和车身后的流体分离产生的尾涡有关；2）干扰阻力是由于车身表面凸起物、凹坑和车轮等局部的影响着气流的流动而引起的空气阻力；3）内循环阻力是流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗产生的；4）诱导阻力是在侧面由下向上的气流形成的涡流的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，产生的实际升力中一向后的水平分力；5）摩擦阻力是由于空气粘性使其在车身表面产生的切向力。 2.简述汽车的楔形造型在空气动力特性方面的特点。 1）前端低矮，进入底部的空气量少，底部产生的空气阻力小； 2）发动机罩与前风窗交接处转折平缓，产生的空气阻力小； 3）后端上缘的尖棱，使得诱导阻力较小； 4）前低后高，‘翼形’迎角小，使空气升力小； 5）侧视轮廓图前小后大，气压中心偏后，空气动力稳定性好。 3.假设某电动汽车的质心位置在前后轮轴中间位置，且前后车轮的侧片刚度相 同，电池组放在中间质心位置，试问该车稳态转向特性类型属于哪一类？在以下三种情况下，该车的稳态转向也行会如何变化？ 1）将电池组移到前轴放置； 2）将电池组移到后轴放置； 3）将电池组分为两部分（质量相等），分别放在前后轴上。 根据稳定性因数公式 该车稳态转向特性属于中性转向。 1）电池组移至前轴上放置，质心前移，变为不足转向；
2）将电池组移到后轴上放置，质心后移，变为过多转向； 3）质心位置不变，仍为中性转向。 4.什么是被动悬架、半主动悬架、主动悬架？说明采用天棚阻尼的可控悬架属 于哪一类悬架及其理由。 被动悬架是悬挂刚度和阻尼系数都不可调节的传统悬架；半主动悬架的阻尼系数可自动控制，无需力发生器，受减振器原理限制，不能实现最优力控制规律；主动悬架的悬架力可自动控制，需要增设力发生器，理论上可实现最优力控制规律。 采用天棚阻尼的可控悬架属于主动悬架，因为其天棚阻尼是可调节的，同时具有自动控制悬架力的力发生器。 5.1）设某车垂向动力学特性可用1/4模型描述，已知簧上质量为300kg，悬架 弹簧刚度为21000N/m，悬架阻尼系数为1500Ns/m，如果该车身采用天棚阻尼控制器进行悬架控制，取天棚阻尼系数为4200Ns/m。请分别写出两种模型的频率响应函数，绘出该车被动悬架和采用天棚阻尼的可控悬架的幅频响应曲线；2）证明天棚阻尼系统不存在共振峰。 6.试说明ABS的目的和控制难点，并具体阐述ABSA在高附着路面上的一般控制 过程。 目的：调节车轮制动压力、控制制动强度以获得最佳滑转率，防止抱死，提高纵向制动能力和侧向稳定性； 控制难点：ABS的控制目标是最佳滑移率，但最佳滑移率是一个变值，轮胎、路面、在和、车速、侧偏角不同，对应的最佳滑移率也不同，所以要求ABS 能进行自动调节。另外，车轮的滑移率不易直接测得，需要其他的间接参数作为其控制目标参数。 一般控制过程（见P116 汽车系统动力学）
汽车系统动力学Matlab 作业报告 小组成员：
'组内任务分配
二、 Matlab 程序与图形 1、不同转向特性车辆在不同车速下的系统特征根 m=1000;I=1500;a1=1.15;b1=1.35;Caf=53000;Car=53000; i=1;R=[]; for uc=10:5:100; D=(l*(Caf+Car)+m*(a1^2*Caf+b1^2*Car))∕(m*l*uc); S=(a1+b1)^2*Caf*Car∕(m*l*uc^2)+(b1*Car-a1*Caf)∕l; P=[1 D S]; r=roots(P); R(i,1)=r(1,1);R(i,2)=r(2,1);i=i+1; end plot(real(R(:,1)),imag(R(:,1)),'bo'); hold a2=1.25; b2=1.25; t=1; S=[]; for uc=10:5:100 P=[m 0;0 l]; Q=[(Caf+Car)∕uc,m*uc+(a2*Caf-b2*Car)∕uG(a2*Caf-b2*Car)∕uc,(a2^2*Caf+b 2^2*Car)∕uc]; R=[Caf;a2*Caf]; A=-P^(-1)*Q; d=eig(A); i=imag(d); r=real(d); S(t,1)=r(1); S(t,2)=i(1); t=t+1; end plot(S(:,1),S(:,2),'*') a3=1.35; b3=1.15; for uc=10:5:100 P=[m 0;0 l];
Q=[(Caf+Car)∕uc,m*uc+(a3*Caf -b3*Car)∕uc; (a3*Caf-b3*Car)∕uc,(a3^2*Caf+b3^2*Car)∕uc]; R=[Caf;a3*Caf]; A=-P^(-1)*Q; d=eig(A); i=imag(d); r=real(d); S(t,1)=r(1); S(t,2)=i(1); t=t+1; end grid On Plot(S(:,1),S(:,2),'d'); axis([-14 2 0 3]); xlabel('实轴(Re)'); ylabel('虚轴(Im)'); text(-8,2.8,'不足转向'); text(0,0.2,'过多转向'); text(-3,0.2,'中性转向') set(gca,'Fo ntName','Helvetica','Fo ntSize',10) title(['不同转向特性车辆在不同车速下的系统特征根'],'FontSize',12); E 一 書不同转向特杵乍辆在不同乍速下的系统待征戕
2006.6 1.简要按形成原因汽车空气阻力怎么分类？简单概述各种阻力的形成。（P82） 汽车空气阻力分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力以及摩擦阻力；1）形状阻力占压差阻力的大部分，主要与边界层流态和车身后的流体分离产生的尾涡有关；2）干扰阻力是由于车身表面凸起物、凹坑和车轮等局部的影响着气流的流动而引起的空气阻力；3）内循环阻力是流经车身内部的气流对通道的作用以及流动中的能量损耗产生的；4）诱导阻力是在侧面由下向上的气流形成的涡流的作用下，车顶上面的气流在后背向下偏转，产生的实际升力中一向后的水平分力；5）摩擦阻力是由于空气粘性使其在车身表面产生的切向力。 2.简述汽车的楔形造型在空气动力特性方面的特点。 1）前端低矮，进入底部的空气量少，底部产生的空气阻力小； 2）发动机罩与前风窗交接处转折平缓，产生的空气阻力小； 3）后端上缘的尖棱，使得诱导阻力较小； 4）前低后高，‘翼形’迎角小，使空气升力小； 5）侧视轮廓图前小后大，气压中心偏后，空气动力稳定性好。 3.假设某电动汽车的质心位置在前后轮轴中间位置，且前后车轮的侧片刚度相 同，电池组放在中间质心位置，试问该车稳态转向特性类型属于哪一类？在以下三种情况下，该车的稳态转向也行会如何变化？ 1）将电池组移到前轴放置； 2）将电池组移到后轴放置； 3）将电池组分为两部分（质量相等），分别放在前后轴上。 根据稳定性因数公式 该车稳态转向特性属于中性转向。 1）电池组移至前轴上放置，质心前移，变为不足转向； 2）将电池组移到后轴上放置，质心后移，变为过多转向； 3）质心位置不变，仍为中性转向。 4.什么是被动悬架、半主动悬架、主动悬架？说明采用天棚阻尼的可控悬架属 于哪一类悬架及其理由。 被动悬架是悬挂刚度和阻尼系数都不可调节的传统悬架；半主动悬架的阻尼系数可自动控制，无需力发生器，受减振器原理限制，不能实现最优力控制规律；主动悬架的悬架力可自动控制，需要增设力发生器，理论上可实现最优力控制规律。 采用天棚阻尼的可控悬架属于主动悬架，因为其天棚阻尼是可调节的，同时具有自动控制悬架力的力发生器。 5.1）设某车垂向动力学特性可用1/4模型描述，已知簧上质量为300kg，悬架
1.除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应(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因素)外，还有车辆在垂向和横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学和操纵动力学。 2.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。 3.行驶阻力的两个最基本部分是车辆的滚动阻力和空气阻力，行驶阻力代表了车辆对动力和功率的需求。 4.操纵动力学的研究范围的三个区域：线性域、非线性域、非线性联合工况。 5.车辆动力学特征的设计方法：系统建模、分析 8.稳态：指当周期性（或恒定）操作输入（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，便称该车处于稳定。 9.瞬态：指车辆的运动响应和作用在车辆上的外力或操作位置随时间变化而变化，便称此时车辆的运动处于瞬态。 10.车辆控制系统的构成包括：控制算法、传感器技术和执行机构的开发。 11.假如在车前部安装前视预瞄传感器来可靠地提供前轮前方路面的输入信息，那么主动悬架系统就可以利用车辆对前后轮的路面预测信息进行控制，这就是预瞄控制。 第二章 1.建立系统微分方程的传统方法主要有两种:（1）利用牛顿矢量力学体系的动量定理及动量矩定理（2）利用拉格朗日的分析力学体系 2.约束与约束方程：一般情况下，力学系统在运动时都会受到某些几何或运动学特性的限制，这些构成限制条件的具体物体称为约束，用数学方程所表示的约束关系称为约束方程 3.完全约束：如果约束方程仅是系统位形和时间的解析方程，这种约束称为完全约束 4.非完全约束：如果约束方程不仅包含系统的位形，还包括广义坐标对时间的导数或广义坐标的微分，而且不能通过积分使之转化为包含位形和和时间的完全约束方程，这种约束称为非完全约束 5.完整系统：具有完整约束的力学系统 6.非完整系统：具有非完整约束的力学系统 第三章1.SAE标准轮胎运动坐标系：被定义为法向坐标向下的三维右手正交坐标系，坐标的原点是轮胎接地印迹中心，x轴定义为车轮平面与地面的交线，前进方向为正，y轴是指车轮旋转轴线在地面上的投影线，向右为正，z轴与地面垂直，向下为正。 离程度，是影响轮胎产生纵向力的一个重要因素 定义：车轮回转平面与车轮中心运动方向的夹角，顺时针方向为正。 4.根据车辆动力学研究的内容不同，轮胎模型可分为（1）轮胎纵滑模型（2）轮胎侧偏模型和侧倾模型（3）轮胎垂向振 动模型 y=Dsin(Carctan(Bx-E(Bx-arctanBx)))它以三角形函数组合的形式来拟合试验数据，得出了一套形式相同并可同时表达纵向力侧向力和回正力矩的轮胎模型（y可以是纵向力侧向力和回正力矩，而自变量x可以在不同情况下分别表示轮胎侧偏角或纵向滑移率） 6.轮胎垂直刚度的三种不同定义：静刚度，非滚动动刚度，滚动动刚度。 7.在60—100HZ的频率范围内，子午线轮胎的垂向振动传递特性幅值显著地高于斜交轮胎，该频率范围的振动正对应于乘员的“颤振”感觉区域。在约150—200HZ左右的频率范围，斜交轮胎的振动特性远差于子午线轮胎，通常将该频率范围的轮胎振动称之为轮胎“噪声”，即通常所说的“路面噪声”。 8.轮胎噪声的产生机理 （1）空气泵吸效应随着轮胎的滚动，空气在胎面与路面的空隙中被吸入和挤压。当压缩的空气在接地区间的出口处被告诉释放到空气中时，就会产生噪声。 （2）胎面单元振动当轮胎滚动时，胎面单元作用于路面，当它离开接触区域时，胎齿便由高变形状态下恢复，从而引起胎面噪声，此为主要的轮胎噪声源。同时，胎体振动、胎面花纹沟、花纹凸块空隙就像谐振管一样，也促进了轮胎的噪声辐射。 由于空气泵吸效应、胎体和胎齿单元的振动均和车速有关，因此轮胎噪声的程度是车辆行驶速度的函数。 （3）路面材料对轮胎噪声也有影响。 9.影响轮胎侧向力的三个最重要的因素是侧偏角、垂向载荷和车轮外倾角。侧偏角由轮胎的运行条件所决定，它取决于车辆前进速度、侧向速度、横摆角速度和转向角。轮胎垂向载荷的静态值由车辆质量分布所决定，但随着载荷在纵向和侧向的重新分配，轮胎的垂向载荷会发生变化。车轮外倾角由转向角和通过悬架杆系作用的车身侧倾所决定，但对非独立悬架车辆来说，外倾角只取决于车轴的侧倾角。（填空题）
结构的动力特性
k c m ( )y t ( )F t ?承受动力荷载的结构体系的主要物理特性： ?质量m = 结构的惯性；?弹簧k = 结构的刚度；?阻尼器c = 结构的能量耗散. 质量、弹性特性、阻尼特性、外荷载 ?在最简单的单自由度体系模型中，所有特性都假定集结于一个简单的基本动力体系模型内，每一个特性分别由一个具有相应物理特性的元件表示： 数学模型
t y 表征结构动力响应特性的一些固有量称为结构的动力特性，又称自振特性。 定义 结构的动力响应 ?结构的动力特性与结构的质量、刚度、阻尼及其分布有关。
t y 定义 ?结构受外部干扰后发生振动，而在干扰消失后继续振动，这种振动称为结构的自由振动。 ?如果结构在振动过程中不断地受到外部干扰力作用，这种振动称为结构的强迫振动，又称受迫振动。 t y 结构的自由振动与受迫振动
固有频率 ?质点在运动过程中完成一个完整的循环所需要的时间称为周期，单位时间内完成的循环次数称为频率。 ?结构在自由振动时的频率称为结构的自振频率或固有频率。?对大部分工程结构，结构的自振频率的个数与结构的动力自由度数相等。 ?结构的自振频率与结构的质量和刚度有关。 t y T
阻尼 ?结构在振动过程中的能量耗散作用称为阻尼。 ?结构的自由振动会因为阻尼作用而随时间衰减并最终停止。?由于阻尼而使振动衰减的结构系统称为有阻尼系统。?阻尼原因复杂：内摩擦、连接摩擦、周围介质阻力等。y c F D ?等效粘滞阻尼：以阻尼器表示结构阻尼作用： c 为阻尼系数，为质量的速度。y t y T t y T
作业题 1、车辆动力学的具体内容是研究车辆及其主要零部件在各种运用情况下，特别是在高速运行时的位移、加速度和由此而产生的动作用力。 2、车辆系统动力学目的在于解决下列主要问题： ①确定车辆在线路上安全运行的条件； ②研究车辆悬挂装置和牵引缓冲装置的结构、参数和性能对振动及 动载荷传递的影响，并为这些装置提供设计依据，以保证车辆高速、安全和平稳地运行； ③确定动载荷的特征，为计算车辆动作用力提供依据。 3、铁路车辆在线路上运行时，构成一个极其复杂的具有多自由度的振动系统。 4、动力学性能归根结底都是车辆运行过程中的振动性能。 5、线路不平顺不是一个确定量，它因时因地而有不同值，它的变化规律是随机的，具有统计规律，因而称为随机不平顺。 （1）水平不平顺； （2）轨距不平顺； （3）高低不平顺； （4）方向不平顺。 6、车轮半径越大、踏面斜度越小，蛇行运动的波长越长，即蛇行运动越平缓。 7、自由振动的振幅，振幅大小取决于车辆振动的初始条件：初始位移和初始速度（振动频率）。 8、转向架设计中，往往把车辆悬挂的静挠度大小作为一项重要技术指标。 9、具有变摩擦减振器的车辆，当振动停止时车体的停止位置不是一个点，而是一个停滞区。 10、在无阻尼的情况下共振时振幅随着时间增加，共振时间越长，车辆的振幅也越来越大，一直到弹簧全压缩和产生刚性冲击。 11、出现共振时的车辆运行速度称为共振临界速度 12、在车辆设计时一定要尽可能避免激振频率与自振频率接近，避免出现共振。 13、弹簧簧条之间要留较大的间距以避免在振动过程中簧条接触而出现刚性冲击 14、两线完全重叠时，摩擦阻力功与激振力功在任何振幅条件下均相等。 15、在机车车辆动力学研究中，把车体、转向架构架（侧架）、轮对等基本部件近似地视为刚性体，只有在研究车辆各部件的结构弹性振动时，才把他们视
1. 简要给出完整约束与非完整约束的概念2-23,24,25, 1)、约束与约束方程 一般的力学系统在运动时都会受到某些几何或运动学特性的限制，这些构成限制条件的具体物体称为约束，用数学方程所表示的约束关系称为约束方程。 2）、完整约束与非完整约束 如果约束方程只是系统位形及时间的解析方程，则这种约束称为完整约束。 完整约束方程的一般形式为： 式中，qi为描述系统位形的广义坐标(i=1，2，…，n)；n为广义坐标个数；m为完整约束方程个数；t为时间。 如果约束方程是不可积分的微分方程，这种约束就称为非完整约束。 一阶非完整约束方程的一般形式为：
式中，qi为描述系统位形的广义坐（i = 1, 2, …,n）；为广义坐标对时间的一阶与数；n为广义坐标个数；m为系统中非完整约束方程个数；t为时间。 2. 解释滑动率的概念3-7,8 1.滑动率S 车轮滑动率表示车轮相对于纯滚动（或纯滑动）状态的偏离程度，是影响轮胎产生纵向力的一个重要因素。 为了使其总为正值，可将驱动和被驱动两种情况分开考虑。驱动工况时称为滑转率；被驱动（包括制动，常以下标b以示区别）时称为滑移率，二者统称为车轮的滑动率。
参照图3-2，若车轮的滚动半径为rd，轮心前进速度(等于车辆行驶速度)为uw，车轮角速度为ω，则车轮滑动率s定义如下： 车轮的滑动率数值在0~1之间变化。当车轮作纯滚动时，即uw=rd ω，此时s=0；当被驱动轮处于纯滑动状态时，s=1。 3. 轮胎模型中表达的输入量和输出量有哪些？3-22,23 轮胎模型描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系，即轮胎在特定工作条件下的输入和输出之间的关系，如图3-7所示。 根据车辆动力学研究内容的不同，轮胎模型可分为：
西南交通大学研究生2009－2010学年第( 2 )学期考试试卷 课程代码 M01206 课程名称 车辆系统动力学 考试时间 120 分钟 阅卷教师签字： 答题时注意：各题注明题号，写在答题纸上（包括填空题） 一． 填空题（每空2分，共40分） 1．Sperling 以 频率与幅值的函数 ，而ISO 以 频率与加速度的函数 评定车辆的平稳性指标。 2．在轮轨间_蠕滑力的_作用下,车辆运行到某一临界速度时会产生失稳的_自激振动_即蛇行运动。 3．车辆运行时，在转向架个别车轮严重减重情况下可能导致车辆 脱轨 ，而车辆一侧全部车轮严重 减重情况下可能导致车辆 倾覆 。 4．在车体的六个自由度中，横向运动是指车体的横移、 侧滚 和 摇头 。 5．在卡尔克线性蠕滑理论中，横向蠕滑力与 横向 蠕滑率和 自旋 蠕滑率呈相关。 6．设具有锥形踏面的轮对的轮重为W ，近似计算轮对重力刚度还需要轮对的 接触角λ 和 名义滚动圆距离之半b 两个参数。 7．转向架轮对与构架之间的 横向定位刚度 和 纵向定位刚度 两个参数对车辆蛇行运动稳定性影 响较大。 8． 纯滚线距圆曲线中心线的距离与车轮 的_曲率_成反比、与曲线的_曲率_成正比。 9．径向转向架克服了一般转向架 抗蛇行运动 和 曲线通过 对转向架参数要求的矛盾。 10．如果两辆同型车以某一相对速度冲击时其最大纵向力为F ，则一辆该型车以相同速度与装有相同缓冲器 的止冲墩冲击时的最大纵向力为_21/2F _，与不装缓冲器的止冲墩冲击时的最大纵向力为_2F_。 院 系 学 号 姓 名 密封装订线 密封装订线 密封装订线
共2页 第1页 5．什么是稳定的极限环？ 极限环附近的内部和外部都收敛于该极限环，则称该极限环为稳定的极限环。 6．轨道不平顺有几种？各自对车辆的哪些振动起主要作用？ 方向、轨距、高低（垂向）、水平不平顺。方向不平顺引起车辆的侧滚和左右摇摆。轨距不平顺对轮轨磨耗、车辆运行稳定性和安全性有一定影响。高低不平顺引起车辆的垂向振动。水平不平顺则引起车辆的横向滚摆耦合振动。 三．问答题 （每题15分，共30分） 1．已知：轮轨接触点处车轮滚动圆半径r ，踏面曲率半径R w ，轨面曲率半径R t ， 法向载荷N ，轮轨材料的弹性模量E 和泊松比o 。试写出Hertz 理论求解接触椭圆 长短半径a 、b 的步骤。P43-P44 根据车轮滚动圆半径、踏面在接触点处的曲率半径、钢轨在接触点处的曲率半径得到A+B 、B-A ，算得cos β，查表得到系数m 、n ，然后分别根据钢轨和车轮的弹性模量E 和泊松比σ，求得接触常数k ，得出轮轨法向力N ，然后带人公式求得a 、b 。 2． 在车辆曲线通过研究中，有方程式 ()W f r y f w O W μψλ212 1 2 222 * 11=??? ?????+???? ?? 二．简答题 （每题5分，共30分） 1．与传统机械动力学相比，轨道车辆动力学有何特点？ 2．轮轨接触几何关系的计算有哪两种方法，各有何优缺点？ 解析和数值方法。数值方法可以用计算机，算法简单，效率高，但存在一定误差；解析方法是利用轮轨接触几何关系建立解析几何的方式求解，比较准确，但是计算繁琐，方法难于理解。 3．在车辆系统中，“非线性”主要指哪几种关系？ 轮轨接触几何非线性、轮轨蠕滑关系非线性、车辆悬挂系统非线性 4．怎样根据特征方程的特征根以判定车辆蛇行运动稳定性？。 根据求出的特征根实部的正负判断车辆蛇行运动的稳定性，当所有的特征根实部均为负时，车辆系统蛇行运动稳定，存在特征根为零或者负时，车辆系统的蛇行运动不稳定。
1、系统动力学有哪三个研究容？ （1）优化：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，可称为系统的设计，即所谓优化。就是把一定的输入通过选择系统的特性成为最优化的输出。 （2）系统识别：已知输入和输出来研究系统的特性。 （3）环境预测。已知系统的特性和输出来研究输入则称为环境预测。 例如对一振动已知的汽车，测定它在某一路面上行驶时所得的振动响应值（如车身上的振动加速度），则可以判断路面对汽车的输入特性，从而了解到路面的不平特性。 车辆系统动力学研究的容是什么？ （1）路面特性分析、环境分析及环境与路面对车辆的作用； （2）车辆系统及其部件的运动学和动力学；车辆各子系统的相互作用； （3）车辆系统最佳控制和最佳使用； （4）车辆-人系统的相互匹配和模型研究、驾驶员模型、人机工程等。 2、车辆建模的目的是什么？ （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。 车辆系统动力学涉及哪些理论基础？ （1）汽车构造 （2）汽车理论
（3）汽车动力学 （4）信号与系统 在“时间域”及“频率域”下研究时间函数x(t)及离散序列 x(n)及系统特性的各种描述方式，并研究激励信号通过系统 时所获得的响应。 （5）自动控制理论 （6）系统辨识 （7）随机振动分析 研究随机振动中物理量的描述方法(相关函数、功率谱密度)， 讨论受随机激励的振动系统的激励、系统特性、响应三者统 计规律性之间的关系。 （8）多体系统动力学 建立车辆系统动态模型的方法主要有哪几种？ 数学模型 （1）各种数学方程式：微分方程式，差分方程，状态方程，传递函数等。 （2）用数字和逻辑符号建立符号模型—方框图。 3、路面不平度功率谱密度的表达式有几种？各有何特点？试举出2 种以上路面随机激励方法，并说明其特点。（10分） 路面功率谱密度的表达形式分为幂函数和有理函数两种 （1）路面不平度的幂函数功率谱密度 ISO/DIS8608和国家标准GB7031-1987《车辆振动输入路面平
汽车系统动力学概论 摘要：汽车系统动力学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有汽车在垂向和横向两个方面的动力学内容。本文通过对大量教科书和文献进行了分析，对汽车动力学的研究内容、研究方法和理论基础以及发展趋势进行了阐述。 关键词：系统，汽车，系统动力学 1系统及系统动力学的概念 1.1 系统 系统是一个由相互区别、相互作用的各部分（即单元或要素）有机地连接在一起，为同一目的的完成某种功能的集合体。 由此可知系统具有以下几个特点：具有目的性、具有层次性、具有功能共性、具有整体性。 1.2 系统动力学系统动力学是一门分析研究信息反馈的学科。它是系统科学中的一个分支，是跨越自然科学和社会科学的横向学科。系统动力学基于系统论，吸收控制论、信息论的精髓，是一门认识系统问题和解决问题系统问题交叉、综合性的学科。 反馈系统就是包含反馈环节与其作用的系统。它要受系统本身的历史行为的影响，把历史行为的结果回授给系统本身，以影响未来的行为。如库存订货系统。 2 汽车系统动力学及其研究内容 2.1 汽车系统动力学 汽车系统动力学就是把汽车看做是一个动态系统，对其行为进行研究，讨论数学模型和响应。是研究汽车受的力及其与汽车运动之间的相互关系，找出汽车主要性能的内在规律和联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据。 汽车系统动力学研究所有与车辆系统运动有关的学科，包括空气动力学，纵向运动及其子系统的动力学响应，垂向和横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学和操作动力学，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卧以及车轮的运动，操纵动力学研究车辆的操纵性，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。
车辆系统动力学复习题 1．何谓系统动力学？系统动力学研究的任务是什么？ 2．车辆系统动力学研究的内容和范围有哪些？ 3．车辆系统动力学涉及哪些理论基础？ 4．何谓多体系统动力学？多刚体系统动力学与多柔体系统动力学各有何特点？采用质量-弹簧-阻尼振动模型和多体系统模型研究车辆动力学问题各有何特点？ 5．简述车辆建模的目。 6．期望的车辆特性是什么？如何来评价？ 7．何谓轮胎侧偏角？何谓轮胎侧偏刚度？影响轮胎侧偏的因素有哪些？ 8．何谓轮胎模型？根据车辆动力学研究内容的不同，轮胎模型可分为哪几种？整车建模中对轮胎模型需考虑的因素有哪些？ 9．简述轮胎噪声产生的机理。 10．车辆空气动力学研究的主要内容有哪些？车辆的空气阻力有哪些？产生的原因是什么？试分析空气动力对车辆性能的影响。汽车空气动力学装置有那些？ 11．简述风洞试验的特点？ 12．车辆的制动性能主要由哪三个方面评价？试分析汽车制动跑偏的原因。 13．车辆动力传动系统由哪几部分组成？在激励作用下通常会产生何种振动？标出图示车辆简化扭振系统各部分名称？并说明其主要激振源？ 14．写出货车动力传动系统动力学方程，并写出刚度阵等。 15．路面输入模型有几种？各有何特点？写出各自的表达式？ 16．在整车虚拟仿真中常用的一些典型的特殊路面有哪些？各有何特点？
17．简述最新的舒适性评价标准。 18．车辆的平顺性是如何测量的？ 19．车辆典型的共振频率范围通常是多少？ 20．车辆行驶动力学模型是如何简化的？试写出1/4、1/2和整车系统垂直振动的微分方程式，并写成矩阵的形式。 21．车辆悬架系统的性能一般用哪3个基本参数进行定量评价？各对车辆行驶性能有何影响？ 22．被动悬架存在的问题是什么？半主动悬架和主动悬架的工作原理是什么？写出其系统运动方程。 23．操纵性能的总体目标和期望的车辆操纵特性是什么？ 24．基本操纵模型假设和存在最大问题是什么？ 25．车辆操纵特性分析一般进行哪三种分析？其内容是什么？ 26．何谓中性转向、不足转向和过多转向？各有何特点？ 27．利用拉格朗日方程推导平面3自由度和5自由度汽车振动模型的运动方程，并写成矩阵形式。假定车身是一个刚体，车辆在水平面做匀速直线运动，以2个车轮不同激励和激振力F=F0cos2ωt作为系统输入。
诚信应考,考试作弊将带来严重后果！ 湖南大学课程考试试卷
7、对于一个线性系统，输入为正弦波时，输出（）保持不变 A 幅值 B 相位 C 频率 D 方向 8、对悬架动行程而言，在静平衡条件下，车轮与车身相对位移保持在正负2倍动行程以内的概率为（）。 A 68.3% B 95.4% C 99.7% D 52.6% 9、两自由度基本操纵模型的最大问题是忽略了（）的影响。 A 空气动力 B 转向系统 C 路面 D 簧载质量的侧倾运动 10、（）是电动助力转向系统的基本控制方法。 A 回正控制 B 模糊控制 C 自适应控制 D 最优控制 二、判断题（总共10题，每题2分，共计20分） 1、车辆动力学分析中平衡条件是指稳定状态下车辆的基准条件。（） 2、拉格朗日运动学普遍方程建立的基本依据是虚功率原理。（） 3、离散化方法是车辆建模中对柔体处理常用方法。（） 4、防滑系统工作时对每个车轮进行控制。（） 5、半主动悬架中的阻尼系数只在几个离散值之间进行切换。（） 6、就车辆乘坐舒适性来说，通常是以噪声、振动来描述。（） 7、车辆运动过程中，轮胎主要受到纵向、侧向以及垂向三个方向的力。（） 8、一般情况下，质心后移，稳定裕度减少，车辆将趋于过多转向。（） 9、多刚体动力学分析方法将车辆各系统看作是由铰链和内力连接起来的刚体集合，在外力作用下产生运动。（）
10、建立基本操纵模型的运动方程时，必须考虑车辆的加速度坐标系。 （ ） 三、填空题（总共10题，每题2分，共计20分） 1、汽车操纵动力学包含相互关联的两方面内容即操纵性和（ ）。 2、采用（ ）闭环系统是未来汽车系统动力学研究的趋势。 3、关于人体对振动的反应，首先可将振动输入按振动的幅值和频率、作用的（ ）、作用的时间进行分类。 4、分析汽车的操纵稳定性有两种基本方法：（ ）和（ ）。 5、轮胎设计有四大要素，即（ ）、轮廓（整体形状）、结构和材料。 6、车辆转向时，为获得左右不等的转向角，转向杆系构成的几何形状通常设计成不等边四边形，称为（ ）。 7、作用于车辆的外力和外力矩有两种，即（ ）和空气动力。 8、轮胎载荷的变化会引起地面接触印迹面积的变化，并导致（ ）和制动力的减少。 9、悬架与转向杆系运动关系不协调会引起（ ）的摆振。 10、轮胎经验模型是基于（ ）的递归分析上来表现出轮胎和路面间的力学特性的轮胎模型。 四、问答题（总共2题，每题20分，共计40分） 1、简述不足转向参数与车辆稳态转向特性的关系。若车辆系统特征方程为 022=++λλ，计算该系统的无阻尼固有频率、阻尼固有频率、阻尼比，并判断该系统是否稳定？（可画图说明）
车辆系统动力学作业 课程名称：车辆系统动力学 学院名称：汽车学院 专业班级：2013级车辆工程（一）班 学生姓名：宋攀琨 学生学号：2013122030
作业题目: 一、垂直动力学部分 以车辆整车模型为基础，建立车辆1/4模型，并利用模型参数进行： 1）车身位移、加速度传递特性分析； 2）车轮动载荷传递特性分析； 3）悬架动挠度传递特性分析； 4）在典型路面车身加速度的功率谱密度函数计算； 5）在典型路面车轮动载荷的功率谱密度函数计算； 6）在典型路面车辆行驶平顺性分析； 7）在典型路面车辆行驶安全性分析； 8）在典型路面行驶速度对车辆行驶平顺性的影响计算分析； 9）在典型路面行驶速度对车辆行驶安全性的影响计算分析。 模型参数为： m 1 = 25 kg ；k 1 = 170000 N/m ；m 2 = 330 kg ；k 2 = 13000 (N/m)；d 2 =1000Ns/m 二、横向动力学部分 以车辆整车模型为基础，建立二自由度轿车模型，并利用二自由度模型分析计算： 1） 汽车的稳态转向特性； 2） 汽车的瞬态转向特性； 3）若驾驶员以最低速沿圆周行驶，转向盘转角0sw δ，随着车速的提高，转向盘转角位sw δ，试由 20sw sw u δδ-曲线和0 sw y sw a δ δ-曲线分析汽车的转向特性。 模型的有关参数如下： 总质量 1818.2m kg = 绕z O 轴转动惯量 23885z I kg m =? 轴距 3.048L m = 质心至前轴距离 1.463a m =
质心至后轴距离 1.585b m = 前轮总侧偏刚度 162618/k N rad =- 后轮总侧偏刚度 2110185/k N rad =- 转向系总传动比 20i =
车辆动力学仿真 课程编码：202060 课程英文译名：Dynamics Simulation of Vehicle System 课程类别：专业课 开课对象：车辆工程专业开课学期：第7学期 学分：2.5学分；总学时： 40学时；理论课学时：32学时；上机学时： 8学时 先修课程：理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械振动 教材：车辆动力学模拟及其方法，威鲁麦特（德），北京理工大学出版社, 1998.5 ，第1版 参考书：【1】汽车系统动力学，张洪欣，同济大学出版社, 1996 ，第1版【2】汽车系统动力学及仿真，雷雨成，国防工业出版社, 1997 ，第1版一、课程的性质、目的和任务 《车辆系统动力学仿真》是车辆工程专业理论性较强的专业课。本课程的目的是，使学生初步学会汽车动力学分析方法，能够解决工程实际问题，以便增强其研究和解决车辆动力学问题的能力。本课程的任务，是以数学力学模型为基础，结合虚拟样机仿真技术，讲授汽车的垂直动力学、横向动力学、纵向动力学，为继续学习和掌握汽车新科技创造条件。 二、课程的基本要求 对汽车动力学有一定的了解，掌握有关的基本概念、基本理论和基本方法及其应用，掌握汽车多体动力学仿真的方法。具体要求为： 1.对汽车动力学仿真的基本概念和基本分析方法有明确的认识； 2.掌握单自由度系统的振动系统，自由振动、强迫振动的微分方程的建立方法； 3.掌握多自由度系统的振动系统的微分方程，初步掌握多自由度系统振动的模态分析方法； 4.了解随机振动的一些基本概念，掌握路面不平度功率谱密度的概念及其计算方法； 5.掌握汽车垂直动力学模型的建立方法，以及路面激励对汽车振动的影响； 6.掌握汽车弹簧、减震器、橡胶金属部件、轮胎等部件垂向动力学的特性； 7.掌握汽车纵向动力学微分方程，掌握滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力的计算方法； 8.掌握驱动附着率、制动附着率对行驶极限的影响； 9.掌握汽车横向动力学的微分方程建立方法，及其横向动力学微分方程的特性； 10.掌握汽车操作稳定性的概念及其影响汽车操作稳定性的因素； 11.掌握轮胎的真实特性，初步掌握轮胎动力学的初步概念。
第38卷第3期2010年3月 同济大学学报(自然科学版) JO URNAL OF TON GJI UNIVERSITY(NATURAL SCIEN CE)Vol.38No .3 Mar.2010 文章编号:0253-374X(2010)03-0417-05DO I :10.3969/j.issn.0253-374x.2010.03.019 收稿日期:2009-03-24 基金项目:国家/八六三0高技术研究发展计划资助项目(2006AA11A101);上海市优秀学科带头人计划资助项目(08XD14043)作者简介:熊 璐(1978)),男,讲师,工学博士,主要研究方向为汽车系统动力学与控制.E -mail:xiong_lu@https://www.doczj.com/doc/fd231230.html, 基于纵向力分配的轮边驱动电动汽车稳定性控制 熊 璐,余卓平,姜 炜,蒋造云 (同济大学汽车学院,上海201804) 摘要:采用层次化整车稳定性控制方法和加权二乘法优化分配算法,通过纵向力在约束范围内的合理分配形成直接横摆力矩,改善车辆的行驶姿态.实车试验结果显示,控制器根据各轮状态实现了四轮纵向力有效分配,车辆横摆角速度能够很好地跟踪参考横摆角速度;通过控制,降低了车辆横摆角速度与侧向加速度,提高了车辆的操纵稳定性. 关键词:四驱电动汽车;稳定性控制;纵向力分配;控制分配;加权最小二乘法中图分类号:U 461.6 文献标识码:A Re search on V ehicle Stability Control of 4WD Electric V ehicle Base d on Longitudinal Force Control Allocation XIONG Lu ,YU Zhuopin g,JIANG Wei ,JIANG Zaoyun (C ollege o f Auto motive Studies,Tongji University,Sha nghai 201804,C hina) Abstract :A vehicle stability control based on hierarc hica l c ontrol approach was introduced.Through the Weighted Lea s-t Squares (WLS)control allocation a lgorithm,the longitudina l force of ea ch tire (m otor torque)was distributed c onsidering the constraints to form the direct ya w m om ent.The experiment results show the respec tive longitudinal force of the four wheels has been effectively distributed ac cording to the status of eac h wheel.And a lso the vehic le .s yaw rate can follow the reference yaw rate exc ellently.The vehic le .s yaw rate a nd latera l a cceleration ha ve been reduced,meanwhile,the vehic le handling a nd stability have been enhanc ed instead.Key word s : 4WD elec tric vehicle; stability control; longitudinal force distribut ion;control a lloc ation;weighted least -squares (WLS) 汽车电动化是汽车驱动系统的发展趋势,混合 动力电动汽车(H EV )、燃料电池电动汽车(FCEV)和纯电动汽车(EV)都是各大汽车公司研发的重点.电动汽车在驱动形式和控制方式上与传统内燃机汽车有很大区别.对于轮毂电机驱动的四轮驱动电动汽车来说,多执行器是其具有的独特优势,各个电机的扭矩可以独立、精确地加以控制,为稳定性控制带来更多自由度 [1-2] . 传统内燃机汽车上,采用制动器为执行元件利用制动力进行车辆稳定性控制技术 [3] .轮毂电机轮 边驱动既可以输出驱动力也可以输出制动力.文献[4-5]对电动汽车横摆控制展开了初步研究,采用简单的分配方法,即一侧增加驱动/制动扭矩$T ,另一侧减小$T ,改善车辆侧向动力学性能,该控制方法没有考虑各轮的不同状态以及车辆的约束条件.借鉴飞行控制中的控制分配方法[6],文献[7]对以PI (比例积分)控制器为参考模型的运动控制器,通过仿真研究了约束条件下的以车辆稳定性为控制目标的分配控制方法.文献[8]对轮边驱动电动汽车的纵向力控制分配进行了仿真研究,显示了分配控制算法实现车辆稳定性控制的有效性.文献[9]通过计算机仿真,对3种考虑约束条件的扭矩分配算法:重新分配广义逆法(RPI)、层叠广义逆法(CGI)和加权最小二乘法(WLS),在计算速度、迭代情况和计算精度等方面进行了对比评价,显示加权最小二乘法在计算速度与迭代精度方面具有优势. 本文采用由包含前馈反馈控制的运动控制器与基于加权最小二乘法的控制分配器相结合,通过纵向力(电机扭矩)在电机约束范围内的合理分配形成直接横摆力矩,实现对车辆稳定性的控制;在所开发的四轮驱动电动汽车上进行双移线和蛇形等典型操纵稳定性实车试验,实车试验结果显示所开发的控 制算法能很好地提高车辆的操纵稳定性.
研究生课程教学大纲 课程编号：00412703 课程名称：车辆系统动力学 英文名称：Vehicle System Dynamics 学时：32 学分：2 适用学科：机械、交通等 课程性质：专业基础课 先修课程：车辆工程 一、课程的性质及教学目标 本课程是车辆工程和载运工具运用工程硕士研究生的专业基础课。通过本课程的学习使学生掌握车辆动力学基本原理，了解车辆动力学发展现状，掌握车辆系统动力学激励原因、建模与试验研究方法、动力学性能评定方法。 二、课程的教学内容及基本要求 本课程的目的主要介绍引起车辆振动原因及铁道车辆安全、平稳性等动力学评定标准，车辆零部件建模方法，轮轨接触理论，蛇行运动稳定性，车辆的曲线通过，列车纵向动力学。 三、课内学时分配
四、推荐教材与主要参考书目 1．王福天车辆系统动力学中国铁道出版社1994 2．张定贤机车车辆轨道系统动力学中国铁道出版社1996 3．任尊松，车辆系统动力学，中国铁道出版社，2007 4．Simon Iwnicki, Handbook of railway vehicle dynamics, Taylor and Francis Group, 2006
5．沈利人译铁道车辆系统动力学西南交通大学出版社1998 6．陈泽深，王成国铁道车辆动力学与控制中国铁道出版社2004 7．现代轨道车辆动力学胡用生中国铁道出版社2009 8．车辆-轨道耦合动力学翟婉明科学出版社2007 9．车辆与结构相互作用夏禾科学出版社2002 五、教学与考核方式 理论教学方式、考试+平时成绩评定成绩 编写人（签字）：魏伟编写时间：2012.9.4