02_车辆动力学建模方法及基础理论

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。

2.1 仿真平台核心模型车辆模型作为一个仿真平台软件部分的核心，不仅要考虑仿真平台的应用范围对模型精度的要求，而且也要考虑仿真平台的软硬件性能对模型复杂程度的限制。

因此找到一个适合于应用范围并且匹配于软硬件要求的车辆模型，是一个仿真平台能否具有合理性和实施性的关键。

鉴于本仿真平台将应用于ESP控制系统，并且兼容ABS,TCS的开发，因此，车辆模型必须能够反应这些电子控制系统的控制变量以及它们的敏感变量，能够反应这些控制系统的控制效果。

ESP的控制变量涉及到车辆的横向稳定性，不考虑横向自由度的车辆模型是不能满足要求的。

比如2自由度1/4车辆模型或7自由度1/2车辆模型，都只适应于不考虑横向稳定性的情况。

因此，平台选用了15自由度的整车模型，示意如图2.1。

图2.1 车辆模型自由度示意图15个自由度包括：整车前进方向，侧向，垂直方向的线运动，俯仰，横摆，侧倾6个自由度,每个车轮转动，垂直2个自由度共8个自由度以及转向轮转向角度1个自由度。

根据这样的自由度分布，并且按照模型模块化的要求，将整车模型分成了如下的模块：悬架以上结构动力学模块，悬架模块，轮胎模块，转向系统模块，液压制动系统模块，动力系统模块（发动机模块，传动系统模块），驾驶员行为模块，控制系统软ECU模块等。

整个整车模型是一个典型的混杂系统。

混杂系统（Hybrid System）是指连续时间系统（Continuous Time System）和离散事件系统（Discrete Event System）并存并交换信息的一种动态系统。

通常的混杂系统是分层次表示的，低层次代表的是物理设备及下位控制器，使用微分方程表示的动力学系统；而高层次代表的是控制策略及上位控制器，是用接近自然语言的高级语言描述的控制逻辑系统[19]。

控制系统软ECU 模块就属于这样的离散事件系统。

在MATLAB 的环境下，利用Simulink 搭建连续系统模型，利用Stateflow 搭建离散事件系统模型，仿真平台可以运行在三种不同的仿真方式下，它们分别是：normal 方式，accelerate 方式，xPC 方式。

汽车车辆动力学的建模与仿真汽车车辆动力学是指研究汽车在行驶过程中受到的各种力的作用及其对车辆运动的影响的学科。

在现代汽车工业中，为了更好地设计汽车、提高汽车性能和安全性，建模与仿真技术成为了不可或缺的工具。

本文将重点讨论汽车车辆动力学的建模与仿真，以及其在汽车工程领域的应用。

汽车车辆动力学建模是指通过数学、物理等方法描述汽车在运动中受到的各种力和力矩的作用，将汽车系统简化为一系列数学模型。

这些模型可以用来研究汽车在不同路况、驾驶方式下的运动特性，如加速度、速度、转向和悬挂系统的响应等。

建模通常包括车辆动力学、车辆悬挂、车辆转向、车辆稳定性等方面的内容。

通过建模，工程师可以更好地了解汽车在不同情况下的运动规律，为汽车设计和优化提供依据。

在建模的基础上，仿真技术则是将建立的数学模型转化为计算机模型，并进行仿真计算。

通过仿真，工程师可以模拟汽车在不同条件下的运动状态，如加速、制动、转向等，评估汽车性能、安全性和稳定性。

仿真技术还可以用来研究汽车系统的优化设计，提高汽车的性能和安全性。

通过不断调整模型参数和条件，工程师可以找到最佳的解决方案，为汽车设计和制造提供参考。

汽车车辆动力学的建模与仿真在汽车工程领域有着广泛的应用。

首先，它可以帮助工程师更好地了解汽车在不同工况下的运动特性，评估汽车的性能和安全性。

其次，建模与仿真可以帮助设计师优化汽车结构和系统，提高汽车的动力性、操控性和燃油效率。

最后，建模与仿真还可以用来研究汽车的碰撞安全、行驶稳定性、轮胎抓地力等关键问题，为汽车的主动安全和 passagive安全提供支持。

总的来说，汽车车辆动力学的建模与仿真是汽车工程领域的重要技术手段，可以帮助工程师更好地理解汽车的运动规律，优化汽车的设计和性能。

随着计算机技术的不断发展，建模与仿真技术将在未来得到更广泛的应用，为汽车工程师提供更强大的工具来设计、研发和测试新型汽车。

传统商用车动力学建模与评价方法一、概述商用车辆是现代物流输送和运输系统中的重要组成部分，对经济发展和社会生活起着至关重要的作用。

商用车辆的动力学性能与安全性直接关系到运输效率和安全运行，因此商用车的动力学建模与评价具有重要意义。

本文将探讨一种传统商用车动力学建模与评价方法。

二、动力学建模1. 车辆基本参数测定在进行商用车动力学建模时，首先需要确定车辆的基本参数，包括车辆的质量、车辆的轴距、车辆的重心高度等。

这些参数是动力学建模的基础，也是评价车辆动力学性能的重要依据。

2. 动力系统建模商用车辆通常采用柴油发动机作为动力源，因此在动力学建模中需要对车辆的发动机进行建模。

燃烧室的燃烧过程、燃料喷射系统、进气系统等都需要被考虑在内，以确定车辆的动力输出特性。

3. 车辆传动系统建模车辆的传动系统包括变速器、传动轴、差速器等部件，这些部件的性能会直接影响车辆的加速性能和行驶稳定性。

因此在动力学建模中需要对这些部件进行建模，以评价车辆的动力传输特性。

4. 车辆悬架系统建模车辆的悬架系统对车辆的操控性和行驶舒适性有着重要影响，因此在动力学建模中需要对车辆的悬架系统进行建模，以评价车辆的悬架性能。

三、动力学评价方法1. 加速性能评价商用车辆的加速性能直接关系到其运输效率，因此加速性能是评价商用车动力学性能的重要指标。

通过建立动力学模型，可以对商用车辆的加速性能进行评价，为车辆的设计和优化提供依据。

2. 制动性能评价商用车辆的制动性能影响着车辆的安全性，因此制动性能评价也是动力学评价的重要内容。

通过建立动力学模型，可以对商用车辆的制动性能进行评价，为车辆的安全设计提供依据。

3. 悬架性能评价商用车辆的悬架系统影响着车辆的操控性和行驶舒适性，因此悬架性能评价也是动力学评价的重要内容。

通过建立动力学模型，可以对商用车辆的悬架性能进行评价，为车辆的悬架设计提供依据。

4. 转向性能评价商用车辆的转向性能影响着车辆的操控性和行驶稳定性，因此转向性能评价也是动力学评价的重要内容。

汽车动力学模型综述程力学汽车动力学是研究汽车运动学和动力学特性的一门学科。

动力学模型是评估汽车性能和设计的基础。

本文将介绍汽车动力学模型的综述，包括车辆数学模型、底盘分析、轮胎力学和车辆控制系统。

一、车辆数学模型车辆数学模型是汽车动力学模型中最重要的一个部分。

它可以用来预测车辆的加速性能、制动性能和转向性能等方面的性能。

车辆数学模型通常分为悬挂系统模型和车辆运动学模型两部分。

悬挂系统模型包括悬挂刚度、阻尼和地形等参数，可以计算车辆行驶过程中的路面激振反应，以及车身在制动、加速或转向过程中的滚动、俯仰和横摆等运动。

车辆运动学模型则是描述车辆运动学的数学模型，包括三自由度和五自由度模型。

三自由度模型只考虑车辆的平动和横摆运动，而五自由度模型则考虑车辆的平动、横摆和俯仰运动。

二、底盘分析底盘分析是对汽车底盘系统进行全面评估的过程。

底盘分析包括悬挂、制动、转向和驱动系统等部分。

其中，悬挂系统的设计是汽车制造商优化车辆悬挂特性的关键部分。

制动系统分析是评估车辆制动性能的关键部分。

经过底盘分析后，制动系统可以进行优化，提高制动性能，减少制动距离。

转向系统的分析是评估车辆稳定性的关键部分。

转向系统的设计与悬挂系统密切相关，可以优化车辆的悬挂和转向性能，提高车辆的驾驶体验和稳定性。

驱动系统的分析是评估车辆加速性能和燃料经济性的关键部分。

同时，驱动系统的设计也会影响车辆的稳定性和性能。

三、轮胎力学轮胎力学是汽车动力学模型中的一个基本概念。

轮胎力学包括轮胎的动态性能、接触力矩和侧向力等性能。

轮胎接触力矩是轮胎与路面接触时的摩擦力矩。

它是车辆加速、制动和转向的关键因素。

同时，轮胎的动态性能也会影响车辆的性能，包括轮胎的变形、韧性等性能。

四、车辆控制系统车辆控制系统是汽车动力学模型中的一个重要方面。

车辆控制系统包括防抱死制动系统、电子稳定控制系统、制动力分配系统等。

防抱死制动系统是为了避免在制动时轮胎被锁死而设计的一种系统。

汽车底盘系统的动力学建模与控制汽车底盘系统是汽车的关键部件，它承载着车身、发动机、传动系统和轮胎等各种组件，同时还需要承受路面的各种不平坦性和震动，所以底盘系统的性能非常关键。

近年来，随着汽车工业的不断发展，汽车底盘系统的动力学建模和控制也越来越得到重视。

一、汽车底盘系统的动力学建模动力学建模是汽车底盘系统控制的基础，通过对汽车底盘系统进行精细的建模，可以更准确地控制底盘系统，以达到更好的行驶稳定性和舒适性。

1.前后轮相互影响模型在匀速行驶的过程中，汽车的重心位置和车速都会影响车辆的行驶稳定性，因此前后轮之间的相互影响模型非常重要。

该模型主要考虑前后轮之间的负载转移和滚动摩擦力。

2.四轮转向系统模型四轮转向系统模型主要考虑车辆转弯时的横向稳定性和悬挂系统的运动状态。

该模型主要包括悬挂系统的几何特征和刚度、转向系统的角速度和方向等。

3.轮胎模型轮胎是汽车底盘系统的关键组成部分，它直接影响着车辆的稳定性和舒适性。

轮胎模型主要考虑轮胎的形状、硬度、柔软度等特性，以及车速、侧向力等因素。

二、汽车底盘系统的控制汽车底盘系统控制主要包括电子稳定控制系统、自适应悬挂控制系统和主动悬挂控制系统等，这些控制系统都是通过精细的动力学建模来实现的。

1.电子稳定控制系统电子稳定控制系统主要通过对车辆的动态特性进行监测，通过制动等手段对车辆进行控制，以达到改善车辆行驶稳定性的效果。

该系统主要考虑车辆的重心位置、侧向加速度等因素，以达到对车辆方向的控制。

2.自适应悬挂控制系统自适应悬挂控制系统主要通过对车辆悬挂系统的调整，以达到改善车辆行驶的舒适性和稳定性的效果。

系统主要考虑路面的不平坦性、车速等因素，以达到对车辆悬挂系统的调整。

3.主动悬挂控制系统主动悬挂控制系统通过对车辆悬挂系统的主动控制，以达到对车辆行驶稳定性和舒适性的控制。

该系统主要考虑路面的状态、车辆的载荷等因素，以达到对车辆悬挂系统的动态调整。

总之，汽车底盘系统的动力学建模和控制是汽车行业的重要研究领域，通过精细的建模和控制算法，可以更好地实现对汽车的控制，进而提高车辆的性能和舒适性。