车辆动力学-系统动力学模型

第二章车辆动力学建模方法及基础理论§2-1 动力学方程的建立方法在车辆动力学研究中，建立系统运动微分方程的传统方法主要有两种：一是利用牛顿矢量力学体系的动量定理及动量矩定理，二是利用拉格朗日的分析力学体系。

本节将对这两种体系作一简单回顾，并介绍几个新的原理。

一牛顿矢量力学体系(1)质点系动量定理质点系动量矢p对时间的导数等于作用于质点系的所有外力F i的矢量和(即主矢),其表达式为:二、分析力学体系分析力学是用分析的方法来讨论力学问题，较适合处理受约束的质点系。

(1)动力学普遍方程动力学普遍方程由拉格朗日(Lagrange)于1760年给出的，方程建立的基本依据是虚位移原理，表示如下：(2-6)(2)拉格朗日方程拉格朗日法的基本思想是将系统的总动能和总势能均以系统变量的形式表示，然后将其代入拉格朗日方程，再对其求偏导数，即可得到系统的运动方程。

拉格朗日方程形式如下：利用此方程推导车辆动力学方程时，因采用广义坐标，从而使描述系统位移的坐标数量大大减少，并可以自动消去无功内力。

但也存在下述问题：①应用拉格朗日方程时，有赖于广义坐标选取得是否得当，而适当地选择广义坐标有时要靠经验；②拉格朗日能量函数对于刚体系统的表达式可能非常复杂，代人拉格朗日方程后要作大量运算。

而对于复杂的车辆系统，写出能量函数的表达式就更加困难。

三、虚功率原理若丹(Jourdain)于1908年推导出另一种形式的动力学普遍方程，其所依据的原理称之为虚功率原理。

虚功率形式的动力学普遍方程为：四、高斯原理1829年，高斯(Gauss)提出动力学普遍方程的又一形式，称为高斯原理，其表达式为：§2-2 非完整系统动力学一、非完整系统动力学简介1894年，德国学者Henz第一次将约束系统分成“完整”和“非完整”两大类，从此开辟了非完整系统动力学(Nonholonomie System)的新领域，如今它已成为分析力学的一个重要分支。

绪篇概论和基础理论本篇首先介绍：1．车辆动力学的发展历史；2．车辆动力学理论对实际车辆设计所作的贡献；3．车辆动力学的研究内容和范围及其未来的发展趋势；4．介绍车辆动力学模型建立的基础理论和方法。

第一章车辆动力学概述§1-1 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。

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Lanchester（兰切斯特）、美国的Olley（奥利尔）、法国的Broulhiet（勃劳希特）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。

1．首先要肯定Frederick （费雷德里克）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。

2．对本学科发展有卓越贡献的人物是Maurice （莫里斯）Olley，他率先系统地提出了操纵动力学分析理论。

3．Olley这样总结了20世纪30年代早期的车辆设计状况：“那时，已经零星出现了一些尝试性的方法，其目的在于提高车辆的行驶性能，但实际上却几乎没有什么作用。

坐在后座的乘客仍然象压载物一般，被施加在后轮后上方的位置。

人们对车辆转向不稳定的表现已习以为常，而装有前制动器的前桥摆振几乎成为了汽车驾驶中的必然现象。

工程师使所有的单个部件都制作得精致完好，但将它们组装成整车时，却很少能得到令人满意的性能。

”就在这个时期，人们对行驶平顺性和操纵稳定性之间的重要协调关系开始有所认识。

但对车辆性能的评价，仍主要凭经验而非数学计算。

1932年，Olley在美国凯迪拉克(Cadillac)公司建立了著名的“K2”试验台(一个具有前、后活动质量的车架)，来研究前后悬架匹配及轴距对前后轮相位差的影响。

车辆动力学模型推导概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文旨在介绍车辆动力学模型推导的相关内容。

车辆动力学模型是研究汽车运动时所遵循的物理规律的数学表达式，通过建立和分析这些模型，可以深入了解车辆运动过程中涉及的各种参数和因素，并且为设计、控制和优化车辆性能提供有效依据。

1.2 文章结构本文共包括五个部分。

引言部分对文章进行概述，并介绍各部分内容安排。

第二部分将探讨车辆动力学模型推导的理论基础、参数定义以及模型假设。

第三部分将详细描述动力学模型的数学建立与推导过程，包括前提假设与约束条件说明、基本方程推导过程以及对动力学模型的解释与说明。

第四部分将通过实例分析介绍具体应用场景，并进行可行性分析和结果对比评估。

最后一部分是结论与展望，总结研究内容重点，展望未来研究方向以及对成果应用前景进行分析。

1.3 目的目前，随着社会科技的不断发展和人们对汽车性能的不断追求，对于车辆动力学模型推导的需求日益增加。

本文的目的是系统地介绍车辆动力学模型推导的相关理论和方法，以帮助读者更好地理解和应用这些模型。

此外，通过实例分析与应用场景探讨，也旨在展示动力学模型在实际问题中的应用价值，并提供未来研究方向和成果应用前景的思考。

2. 车辆动力学模型推导:2.1 理论基础：车辆动力学是研究车辆在不同路况条件下的运动规律的一门学科。

它主要涉及到车辆的加速度、速度和位移等运动参数。

在车辆动力学模型推导中，我们需要建立一组数学方程来描述车辆运动的规律性和物理特性。

2.2 动力学参数定义：在推导车辆动力学模型之前，首先需要定义一些重要的参数。

这些参数包括车辆质量、惯性矩阵、轮胎摩擦系数以及驱动力等。

这些参数对于建立准确的车辆动力学模型非常重要，并且可以通过实验或者工程估算得到。

2.3 模型假设：在推导车辆动力学模型时，通常会做出一定的假设，以简化问题并减少计算复杂度。

例如，我们可能会假设车辆是刚体、忽略空气阻力、平均考虑轮胎与地面之间的接触等。

汽车动力学模型基础方程在汽车工程中，动力学模型是一个重要的概念，它描述了汽车在运动过程中的力学特性和行为。

其中，汽车动力学模型的基础方程起着至关重要的作用，它们是描述汽车动力学特性的数学表达式，是汽车工程中的核心理论基础。

一、运动方程汽车在运动中受到多种力的作用，这些力包括牵引力、阻力、重力等。

通过牛顿第二定律，可以得到描述汽车运动的基本方程：F = ma其中，F是受到的合外力，m是汽车的质量，a是汽车的加速度。

根据牵引力、阻力和重力的关系，可以得到更加细致的运动方程：F_traction - F_drag - F_roll - F_grade = ma其中，F_traction是牵引力，F_drag是阻力，F_roll是滚动阻力，F_grade是上坡或下坡时产生的力。

这些力可以通过具体的公式计算得到，从而得到汽车的加速度。

二、转向方程在汽车运动中，转向是一个重要的问题。

汽车的转向能力与转向系的设计和轮胎的特性有关。

描述汽车转向行为的基础方程可以通过转向角速度、侧向力和横摆刚度等参数建立，具体方程如下：Mz = Iz * ωz + Fy * a其中，Mz是横摆力矩，Iz是车辆绕垂直轴的惯性矩，ωz是车辆的横摆角速度，Fy是轮胎的侧向力，a是车辆的横向加速度。

这个方程描述了汽车在转向过程中受到的各种力的平衡关系。

三、刹车方程刹车是汽车行驶中不可或缺的部分，汽车刹车性能与刹车系统、轮胎和路面特性等有关。

汽车刹车性能的基础方程可以描述如下：Fbrake = μ * Fz其中，Fbrake是刹车力，μ是刹车系数，Fz是轮胎受力。

刹车系数与刹车系统和轮胎的摩擦特性有关，它是刹车性能的一个重要参数。

总结通过以上的分析可以看出，汽车动力学模型的基础方程是汽车工程中的核心内容，它涉及到多个力学和运动学的概念，并且需要深入的数学和物理知识。

汽车动力学模型的基础方程不仅对汽车设计和优化具有重要意义，对于理解汽车行驶过程中的各种力学特性也有着重要意义。

传动系统动力学讲义2009-2010学年前言一、传动系统简介传动装置的功用是把发动机的功率传递到主动轮驱动车辆行驶，实现减速增矩；实现车辆变速；实现车辆的倒挡行驶、车辆制动、停车和必要时切断发动机动力；利用发动机制动、拖车起动发动机等。

除上述的基本功用外，传动装置还可以有一些辅助的功用：输出功率带动压气机、风扇、喷水式推进器、泵等等。

为车辆辅助系统、工程车辆和水陆两栖车辆提供动力输出。

（1（2）液力传动以液体动能来传递或交换能量，优点是无级变速、变矩能力，动力性好；具有自动适应性，提高了操纵方便性和车辆在坏路面上的通过性；充分发挥发动机性能，有利于减少排气污染；减振、吸振、减缓冲击，提高传动、动力寿命和乘坐舒适性。

缺点是效率低，结构复杂，成本高。

（3）定轴传动由于结构简单，制造成熟，成本低而被广泛应用。

行星传动结构紧凑、寿命长、噪音小，工艺要求高，成本高。

二、传动系统载荷车辆在使用中传动装置可能发生的故障，分为两类：1． 当作用在零件上的应力超过材料的强度极限时，产生的突然破坏；2． 在使用期间内，在零件上由于逐渐累积的损坏而产生的破坏，例如：疲劳损坏、磨损、塑性变形不可恢复的累积等。

车辆传动装置的零部件承受的载荷性质主要是发动机和道路激励以及传动系内部的冲击等交变载荷，在这种随时间变化的载荷的作用下，其破坏形式一般是疲劳破坏。

统计资料表明，零件的破坏50%~90%为疲劳破坏。

随着车辆传动装置向高转速、高功率密度方向发展，其零部件的应力越来越高，使用条件越来越恶劣，发生疲劳破坏的现象越来越多。

因此，在车辆传动装置的设计中，仅进行静强度计算，是远远不够的，必须计算零件的疲劳寿命。

传动装置稳态工况是车辆以等速在不变路面条件下行驶的工况，在这种工况下传动装置各构件的转矩和转速是保持不变的。

严格说来，这种车辆行驶工况很少能遇到，从实际应用来说，认为转矩和转速对其自身的最大值在%10±的范围内变化的工况是稳态工况。

TESIS DYNAware-车辆动力学及动力系统实时仿真模型德国TESIS公司是专门从事车辆仿真研究工作的高科技公司，长期以来一直为Audi、BMW等整车厂商提供车辆开发所需的仿真模型及工具。

TESIS模型既可以进行离线的仿真，也支持硬件在回路（HIL）仿真的环境下实时运行。

TESIS模型可以为各种车辆，例如轿车、卡车、拖车、农用机械、F1 方程式赛车，以及各种内燃机系统以及混合动力系统仿真提供精确、实用和便利的模型。

TESIS模型主要应用于车辆及其动力单元的控制算法开发和测试、在线诊断(OBD)、控制器和部件的硬件在回路测试，以及与试验车辆的联合测试。

TESIS DYNAware产品组成：•en-DYNA：内燃机实时仿真模型。

主要应用于发动机性能分析，发动机控制单元测试的硬件在回路仿真，控制算法的开发与测试。

•ve-DYNA：车辆动力学实时仿真模型。

主要应用于车辆动力学分析，车辆管理单元控制算法开发与测试，模型可供实时和离线研究使用•Realtime Brake Hydraulics Library：液压制动系统的实时仿真模型TESIS DYNAware产品特点：•半物理模型：综合物理建模和MAP图建模两种方法搭建，既精确仿真实际车辆，又兼顾了模型运行速度的要求，适应了电控系统开发的需求•全参数化模型：模块和参数完全独立，用户可以通过修改参数，方便的将同一模型配置为不同参数的发动机或者车辆•基于MATLAB/Simulink环境：方便扩展和修改，用户可以对模型进行修改和整合已有模型•丰富的外部接口：方便集成第三方软件，如（C，ADAMS）•支持多种硬件平台：ETAS、dSPACE、National Instruments、ADI、Opal-RT、The MathWorks xPC模型介绍1. en-DYNA模型enDYNA主要对发动机的气路、油路、排气系统、燃烧扭矩计算、冷却系统及电器系统进行建模，还包括传动系统、驾驶员、控制单元模型。

车辆动力学基础第一章1．车体在空间的位置由6个自由度的运动系统描述。

浮沉、摇头、点头、横摆、伸缩、侧滚2．轴重：铁道车辆的轴重是指车辆每一根轮轴能够承受的允许静载。

3．轴距：是指同一转向架下两轮轴中心之间的纵向距离。

4．轴箱悬挂：是将轴箱和构架在纵向、横向以及垂向联结起来、并使两者在这三个方向的相对运动受到相互约束的装置。

5．中央悬挂：是将车体和构架/侧架联结在一起的装置，一般具有衰减车辆系统振动、提高车辆运行平稳性和舒适性的作用。

6．曲线通过：曲线通过是指车辆通过曲线时，曲线通过能力的大小，反映在系统指标上，主要表现为车辆轮轨横向力、轮对冲角以及轮轨磨耗指数等的大小上。

7．自由振动：是指在短时间内，由于某种瞬间或过渡性的外部干扰而产生的振动，其振动振幅如果逐渐变小，该系统将趋于稳定；相反，若振幅越来越大，则系统将不稳定。

第二章1．车辆的动力性能主要包括运行稳定性（安全性）、平稳性（舒适性）以及通过曲线能力等。

2．车辆脱轨根据过程不同大体可分为爬轨脱轨、跳轨脱轨、掉道脱轨。

3．目前我国车辆部门主要采用脱轨系数和轮重减载率两项指标。

4．当横向力作用时间t小于0.05s时，用0.04/t计算所得的值作为标准值。

5．不仅仅依靠脱轨系数来判断安全性的原因：（1）轮重较小时与其对应的横向力一般也较小，计算脱轨系数时受到轮重和横向力的测量误差的影响就较大，因此要获得正确的脱轨系数比较困难。

（2）垂向力较小时，使用该垂向力和与其对应的横向力得到的脱轨系数很容易达到脱轨限界值；另一方面，单侧车轮轮重减小时，另一侧车轮轮重一般会增大，此时极小的轮对冲角变化会导致较大的横向力，从而加大了脱轨的危险性。

（3）根据多次线路试验来看，与其说脱轨系数值较大容易导致列车脱轨，还不如说轮重减少的越多越容易导致列车脱轨。

6．评价铁道车辆乘坐舒适性最直接的指标就是车体振动加速度。

第三章1．轮对的组成：轮对由一根车抽和两个相同的车轮组成。