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车辆系统动力学第一讲

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汽车动力学ppt课件

汽车动力学ppt课件
算所得得半径。用作运动学分析。
rr
S
2nw
一般可不计差别： rs≈ rr ≈ r
4）汽车的驱动力图
发动机外特性确定的是发动机输出转矩和转速关系。 经传动系到达车轮后，可表示为驱动力与车速间的关系。
由式（1）得各档位的 Ft值。
发动机转速n与汽车行
驶速度ua间的关系
ua
0.377
rn ig io
单位 ua: km/h n: r/min r: m
之间的函数关系。用试验曲线或拟合多项式表达。
▪发动机外特性曲线：发动机 节气门置于全开位置
▪发动机部分负荷特性曲线： 发动机节气门置于部分开启位 置
台架试验特性曲线：发动 机台架试验时所获得的曲线。
使用外特性曲线：带上全 部附件时的外特性。与台架试 验特性相差5~15%。
2）传动系机械效率
传动系各部件（变速器、万向节、主减速器）的摩擦导 致的功率损失。由试验测得。
Ft≤ FZ ·φ 对后轮驱动汽车：
FX2/ FZ2 = Cφ2 φ， 式中， Cφ2——后轮驱动汽车驱动轮的附着率
对前轮驱动汽车，前轮驱动的附着率也不能大于 地面附着系数。
将驱动条件和附着条件连起来，有：
Ff+Fw+Fi≤Ft≤FZ·φ
此即汽车行驶的必要与充分条件，称为汽车行驶 的驱动-附着条件。
一、驱动力
1.定义
发动机产生的转矩，经传动系至驱动轮，转矩Tt对地面 产生圆周力Fo，地面对驱动轮的反作用力Ft即为驱动力。
2.表达式
Ft =Tt /r r—车轮半径
驱动轮转矩Tt与发动机转矩 Ttq的关系为：
故：
Ft
Ttq ig iot
r
3.表达式涉及的几项具体内容

lecture01_汽车系统动力学基础

lecture01_汽车系统动力学基础

1、纵向动力学 2、垂向(行驶)动力学 3、横向(操纵)动力学
研究内容与评价指标
动力性、 燃油经济性 安全性：制动、驱动、 操纵稳定性、被动安全性
舒适性： 平顺性、NVH
机动性： 通过能力
可靠性、耐久性
多学科基础
一般力学 学体系
空气动力学
轮胎力学
车辆动力学的建模方法及基础理论
一、牛顿矢量力学体系：
式(2)
车辆动力学的建模方法及基础理论
二、分析力学体系：
拉格朗日方程
E d E E E v T T D Q i dt q q q q i i i i
( i 1 , 2 , 3 ..... n )
式(3)
式中： ET 、E v 、ED -----系统总动能、总势能、总耗散能； q i -----描述系统的广义坐标(主变量)； Q i -----作用于系统的广义力(力或力矩)； n -----系统方程阶数 。
Moment Rolling moment Pitching moment Yawing moment
车辆空气动力学的研究内容
1、通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道的设计来↓车辆 的空气阻力。 2、尽可能增加向下的气动压力来↑轮胎附着性，同时↓对轮胎侧 偏力的影响。
3、空气动力学试验(比例模型或全尺寸车辆)，以及对试验结果的 分析。 4、研究空气动力学与底盘设计及车辆使用之间的关系与影响。
轮胎模型
一、轮胎运动参数
1、纵向滑移率s ：表示车轮相对于纯滚动或纯滑动状态的偏 离程度。它是影响轮胎产生纵向力的一个重要因素。
驱动时： 制动时：
r u d s 100 % u u r d s 100 % u

汽车系统动力学第一章 车辆动力学概述

汽车系统动力学第一章 车辆动力学概述

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。

01_车辆动力学概述

01_车辆动力学概述
8
汽 车 系 统 动 力 学
垂向动力学的控制研究——可控悬架系统 车身高度调节系统 应用电控可调阻尼器的自适应阻尼调节系统 基于控制阀快速切换技术的可切换阻尼系统 全主动悬架（ACS）系统 70年代，Thomson完善了设计思想和控制规律 80年代，Lotus公司生产出原形样车 有限带宽主动系统 阻尼连续可变的半主动系统
电子讲稿
汽车系统动力学
主 讲：马 天 飞
1
汽 车 系 统 动 力 学
第一章 车辆动力学概述
马 天 飞
2
汽 车 系 统 动 力 学
第一节
历史回顾
车辆动力学的发展史
20世纪20年代，开始了解车辆振动问题； 30年代开始研究独立悬架；
开始分析转向运动学、悬架运动学； 英国Lanchester的见解对学科的早期发展具有重要贡献。 1932年，美国Olley在凯迪拉克公司建立了K2试验台； 是一个前后质量可变的车架； 研究前后悬架的匹配及轴距对前后轮相位差的影响；
马 天 飞
车速急剧变化时，改善附着力，避免侧滑。
7
汽 车 系 统 动 力 学
利用纵向力的分配控制操纵性能 90年代初，动态稳定性控制（DSC或VSC）
轮胎接地印记处的摩擦力满足摩擦圆规律； 高速行驶时，通过控制驱动力保证横向稳定性。
马 天 飞
在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作，利用控制左右车 轮制动力或驱动力之差产生的横摆力矩来防止出现难以控制的侧 滑现象，保证车辆的路径跟踪能力。
马 天 飞
车辆的制动稳定性 转向制动动力学分析
13
汽 车 系 统 动 力 学
行驶动力学
主要内容和性能指标 良好的乘坐舒适性 良好的车身姿态 车轮动载荷的控制 悬架工作行程的约束 首要问题是建立考虑悬架特性在内的车辆动力学模型。 行驶动力学问题的分类 主要行驶舒适性问题——可通过数学建模来分析 次级行驶舒适性问题——涉及到乘员主观感受

车辆系统动力学讲义ppt课件

车辆系统动力学讲义ppt课件
式计算：
NMV6 a9p5xa9p5ya9p5z
车辆系统动力学讲义
温馨性的等级 NMV<1
1<NMV<2 2<NMV<4 4<NMV<5 5<NMV
最正确温馨性 良好温馨性 中等温馨性 不好温馨性 极差温馨性
温馨性和平稳性目的的差别 1. 丈量点和丈量的加速度不同； 2. 计算方法不同； 3. 评价方法(有无纵向)和等级不同；
W 0 .8(9 [j3 6 F (f)/f]0 .1 )
车辆系统动力学讲义
平稳性等级 平稳性目的分横向和垂向，平稳性等级是一样的。
客车 W<2.5 优 W<2.75 良好 W<3.0 合格
货车 W<3.5 优 W<4.0 良好 W<4.25 合格
车辆系统动力学讲义
平稳性指标
2.5
2.4
2.3
车辆系统动力学讲义
1.1 车辆动力学的开展
车辆动力学系统是一个复杂的系统，其开展依托科学 技术和研讨手段的提高。至今仍有大量问题没有处理。
60年代以前的传统方法
轮轨蠕滑实际的提出和运用
计算机技术的大量采用
大系统方法和复杂动力学模型
车辆系统动力学讲义
1.2 车辆动力学的主要研讨内容
车辆动力学模型的建立和求解 车辆动力学模型的验证
车辆系统动力学讲义
2.2 铁道车辆模型
1〕铁道车辆系统是一个由多个部件组成的复杂系统，每 个部件有6个自在度，再加上各体之间有复杂的非线性 力和几何约束关系，故传统的方法仍是采用多刚体动 力学实际，简化影响较小的要素，根据研讨的目的不 同建立各种简化模型。
普通不思索各车间的耦合，只建立单车模型； 普通不思索车辆－轨道的耦合，以为轨道是刚性的； 普通不思索车辆与接触网的耦合振动，其对车辆影响较

车辆系统动力学资料PPT课件

车辆系统动力学资料PPT课件
第5页/共44页
• 三、高速客车转向架悬挂特点
中央悬挂均采用了结构简单可靠、性能优越的 空气弹簧装置；
在衰减振动方面，都是在轴箱位置设置垂向油 压减振器、二系采用可变节流阀进一步衰减传 向车体的垂向振动，二系横向均加装有横向减 振器和缓冲器以抑制车体横向振动，为抑制转 向架高速蛇行失稳，在车体和构架之间都设置 有抗蛇行减振器。
轴箱定位形式一般采用干摩擦导柱式定位，该型 定位形式在运行初期能够有较为良好的表现，但 在运行一段时间后，由于定位部分部件的磨耗和 松动，造成轴箱定位性能下降较为严重。
第3页/共44页
• 二、准高速客车转向架悬挂特点
• 该类客车转向架悬挂特点主要有： ✓中央悬挂装置一般采用空气弹簧加摇动台形式； ✓减振形式上，垂向上设置有轴箱单向油压减振
主要内容：
第一节 客车轴箱悬挂系统
第二节 客车中央悬挂系统
第三节 不同速度客车转向架悬挂特点
第四节 轴箱定位参数对系统动力学性能 影响 第五节 中央悬挂参数与系统动力学性能 关系
第1页/共44页
第三节 不同速度客车转向架悬挂特点
一、普通客车转向架悬挂特点 中央悬挂装置为外侧圆弹簧悬挂，其缺点是在空
• 轮轨脱轨系数和减载率低是为了确保曲线通过 时的安全性，磨耗功率小是为了减轻轮轨间磨 耗，
• 轮对冲角小是为了使得轮对在曲线通过时能够 以径向位置顺利通过曲线。
第11页/共44页
• 1、轴箱定位刚度
• 轴箱纵向定位刚度和横向定位刚度对转向架蛇
行运动临界速度起着决定性的影响，并且影响
着车辆曲线通过性能。 a.临界速度 b.曲线通过
空气弹簧纵向和横向刚度又称水平刚度，一 般在0.2MN/m左右。
第28页/共44页

车辆动力学基础 ppt课件

车辆动力学基础 ppt课件
❖ 上世纪90年代，国外技术进入相对成熟期；
❖ 国内在70年代末在该方面的研究才真正开始起步， 并形成对国外先进技术的追赶之势；但终因基础薄 弱、起步晚，虽然经过20多年的致力发展，目前仍 与国外先进技术有一定的差距；
第一章 概论
14
ห้องสมุดไป่ตู้
四、高速列车十大关键技术
1. 交流传动技术 2. 复合制动技术 3. 高性能转向架技术 4. 轻量化技术 5. 优良空气动力学外型 6. 自动控制监测与诊断技术 7. 密接式连接技术 8. 车厢密封及集便排污技术 9. 倾摆车体技术 10. 高性能受电弓技术
+静 平 衡 位 置
❖ 抗干扰能力+平稳性
频 域 谱 密 度 方 差 分 析
❖ 极限环计算
❖ 曲线/任意线路通过
❖ 抗干扰能力+平稳性
随 机 激 励
（ 实 测 或 PSD转 换 ）
解 析 激 励 （如正弦等）
❖ 特殊分析
曲 线 通 过 S型 曲 线 通 过 轨 道 扭 曲
实 测 轨 道 走 向 等 等
❖ 在产品开发前期对基本设计思想的论证。比如用简 单的模型对各种方案的动力学特性进行初步评估。
❖ 用更精细的模型在产品设计阶段对系统性能进行优 化。
❖ 对最终设计的产品性能进行校核，即对车辆的稳定 性、平稳性、曲线性能和各类作用力进行评价。
❖ 预测实验室试验结果和现场试验结果，以辅助编制 试验计划。
❖ 利用计算机，动力学的理论研究成果直接用于合 理选择现代车辆的参数、优化设计及预测动力性 能。
第一章 概论
29
国内在车辆动力学研究方面取得的主要成就
❖ 车辆系统动力学仿真（平稳性、稳定性、安全性）； ❖ 车辆及列车脱轨理论和试验研究； ❖ 轮轨接触几何关系分析； ❖ 磨耗型踏面设计； ❖ 车辆悬挂系统新型元件应用（空气弹簧、抗侧滚扭杆、

第四章第1讲-车体动力学(2学时)

第四章第1讲-车体动力学(2学时)

汽车的操纵稳定性是决定汽车髙速行驶安全性的一 个主要性能，因此也称为“高速车辆的生命线” 个主要性能，因此也称为“高速车辆的生命线”
4.1.1车体的运动微分方程 4.1.1车体的运动微分方程
（一）坐标系 车体坐标系oxyz 固结于车体） oxyz（ 1）车体坐标系oxyz（固结于车体） 主要参数： 主要参数：
4.1.1车体的运动微分方程 4.1.1车体的运动微分方程
（三）车体的运动微分方程
3）几种特殊情况下的车体运动微分方程式 当动坐标系原点与刚体质心重合、 ②当动坐标系原点与刚体质心重合、不考虑 车体的垂直运动与俯仰运动时
& ∑ X = M ( u − rv ) 车体对称于xoz平面 & ∑ Y = M ( v + ru ) & & L = I x p + I yz r 2 − I xz r + I xy pr ∑ & & N = I z r − I xy p 2 − I yz rp − I xz p ∑
（三）车体的运动微分方程
2）车体的运动微分方程式
∑ X = ∑ δ m ⋅ ax ∑ Y = ∑ δ m ⋅ a y ∑ Z = ∑ δ m ⋅ az ——自由刚体的运动微 自由刚体的运动微 分方程式（ 分方程式（6自由度 ∑ L = ∑ δ m ( yaz − za y ) 模型） ∑ M = ∑ δ m ( zax − xaz ) 模型） N = δ m xa − ya ∑ ( y x) ∑
——3自由度模型
4.1.1车体的运动微分方程 4.1.1车体的运动微分方程
（三）车体的运动微分方程
3）几种特殊情况下的车体运动微分方程式 当动坐标系原点与刚体质心重合、 ④当动坐标系原点与刚体质心重合、不考虑车体 的垂直运动与俯仰运动时、 车体对称于xoz xoz平 的垂直运动与俯仰运动时 、 车体对称于 xoz 平 不考虑x方向的速度变化、不考虑绕x 面、不考虑x方向的速度变化、不考虑绕x轴的 侧倾运动

车辆系统动力学

车辆系统动力学
ห้องสมุดไป่ตู้
2. 系统具有整体性
系统虽是由多种元素组成，但系统的性能不 是各元素性能的简单组合，而是相互影响的，所 以这种组合使系统的整体功能获得新的内容，具 有更高的价值。例如一辆汽车是由发动机、传动 系、车轮、车身、操纵系统组成。单有发动机只 能发出动力，不会自己行走，但当发动机装在具 有车轮的汽车底盘上，就成为可以行走的汽车， 成为一种交通工具，其功能就与一台发动机大不 相同。由此可见，研究系统特性应从整体的观点 来看。系统的性能是由其整体性能为代表，而不 是由某一个元素所能代替的。
1.3 汽车系统动力学的 研究方法
• 1.3.1 比例的物理模型 • 1.3.2 数学等效模型 • 1.3.3 数学模型
1.3.1 比例的物理模型
模型与实物的物理本质相同，仅在尺 寸上有差别。
尺寸比例为 1 ：1 的，即称为足尺模 型，如撞车试验中的汽车模型。
按比例缩小的，即为缩尺模型。例 如风洞试验中的汽车模型，用以预测空气 动力学性能；造波池中船体模型；土木工 程中结构模型；光弹分析中金属零件的塑 料模型以及电路设计中的电路板模型。
车辆系统动力学
目录
第一章 绪论 第二章 路面 第三章 汽车空气动力学 第四章 充气轮胎动力学 第五章 汽车转向系统动力学 第六章 驾驶员-汽车闭环操纵系统动力学 第七章 汽车前轴和转向轮系统的振动 第八章 动力转向系统动力学 第九章 汽车悬架控制系统动力学 第十章 汽车碰撞研究的几个基本问题 第十一章 多刚体系统动力学及其在汽车中的应用
根据美国著名学者绪方胜彦的定义： “讨论动态系统的数学模型和响应的学 科”。
1.2 汽车系统动力学的研究内 容和特点
1.2.1 汽车系统动力学的研究特点：
1. 系统动力学要对系统所处环境进行研究，并找 出其特性，如路面不平整特性、空气动力特性等， 在此基础上对系统在真实环境下进行动态分析；

车辆系统动力学

车辆系统动力学
2. 如已知输入和输出来研究系统的特性，这 样的任务叫系统识别；
3. 如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。
• 什么叫做系统动力学？
ⅲ.反馈连接的等效变换。
• 一个方框的输出，输入到另一个方 框，得到的输出，再返回作用于前一个 方框的输入端，这种结构称为反馈连 接，图1—9示，它可等效为图1—9所示 的一个方框。这是因为：
1.3.3.3. 功率键合图
• 1. 键合图概述 • 2. 键合图定义 • 3. 三个基本元件 • 4. 通口解 • 5. 绘制步骤
（即另一口），e为输出，f为输入。我们
把键端的短线称为因果关系号。
3） 信号键
信号键表示了作用于系统的信号。用带 全箭头的线段表示，图1－12所示。
图1－11 因果关系表示 图1－12 信号键表示
3. 三个基本元件
三个基本元件包括惯性元件、阻性 元件和容性元件。
i）惯性元件：表示电系统中电感效应 和机械系统的质量和液体系统中的惯性效 应，其键合图符号为I；如图(1-13)
•这个定义表明系统具有以下四个特征：
1. 系统具有层次性； 2. 系统具有整体性； 3. 系统具有目的性 ； 4. 系统具有功能共性。
1. 系统具有层次性
系统是由两个以上(或更多)元素(或 称为元件)组成的事物。一个大系统往往 可以分成几个子系统，每个子系统是由 更小的子系统(称为二级系统)构成。每个 子系统或更小的子系统都有自己的属 性，以便和其它系统加以区别。所以， 如果将大系统分解，可以形成很多层次 的结构，这就是系统层次性。

车辆系统动力学第一章 (2)

车辆系统动力学第一章 (2)
26
一、转向架基本作用及要求
运输：车辆上采用转向架是为增加车辆的载重、 长度与容积，提高列车运行速度，以满足铁路运 输发展的需要；
运动形式转换：保证在正常运行条件下，车体都 能可靠地坐落在转向架上，通过轴承装置使车轮 沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动；
轴重设计
轴重不应过高，以便将轮和轨的磨损降至最低水 平，并可避免疲劳；
轴重不应过低，以便保证交叉风的稳定性，特别 是对于头车来说更应如此；
达到最好均衡轴重分配因素如下： 运行稳定性 车轮磨损 交叉风的稳定性 粘着力 疲劳情况
车体几何学设计
车体横断面应相对于限 界来优化（考虑动态包 络线）；
因此，本课程将围绕采取哪些措施来提高或获 得优良的车辆系统动力学性能来讲解。
• 结构形式设计与要求 • 参数设计与要求
第一章 概论
24
课程讲解思路
讲解思路
结构与参数 轨道不平顺 动力学计算
轮轨接触 轴箱定位 中央悬挂
动力学模型
第一章 概论
25
转向架基本结构及功能实现 • 转向架基本作用及要求 • 客车转向架基本结构
车辆动力学基础 任尊松
北京交通大学 机电学院
第一章 概论
1
高速列车/动车组的运行要求
稳定性
舒适性
安全性
可靠性
经济性
高速
第一章 概论
振动的加剧，相对运动的速度提高
2
第一章 概论
第一节 第二节 第三节 第四节
第五节 第六节
研究内容和目的 车辆动力学研究与实践 铁路发展趋势 世界高速铁路
我国铁路高速技术发展
❖ 上世纪90年代，国外技术进入相对成熟期；
❖ 国内在70年代末在该方面的研究才真正开始起步， 并形成对国外先进技术的追赶之势；但终因基础薄 弱、起步晚，虽然经过20多年的致力发展，目前仍 与国外先进技术有一定的差距。

车辆系统动力学资料课件

车辆系统动力学资料课件
车辆系统动力学资料课件
• 车辆系统动力学概述 • 车辆动力学模型建立与仿真 • 车辆系统动力学性能分析与优化 • 车辆系统动力学控制策略与应用 • 总结与展望
01 车辆系统动力学概述
车辆系统动力学的发展历程
20世纪60年代
20世纪70年代
车辆系统动力学开始得到关注和研究，主 要涉及车辆的稳定性、操纵性和乘坐舒适 性等方面。
车辆系统动力学优化实例
实例1
某型汽车的稳定性优化，通过优化悬挂系统和车身结构，显著提高 了车辆在高速行驶和弯道行驶时的稳定性。
实例2
某型卡车的平顺性优化，通过优化驾驶室和货箱的结构，有效降低 了驾驶员在长途运输中的疲劳程度和货物的破损率。
实例3
某型跑车的操控性优化，通过优化车身结构、悬挂系统和制动系统 ，提高了车辆在高速行驶和紧急制动情况下的操控性能。
03
研究成果与应用
研究人员已经将车辆系统动力学控制 策略应用于实际车辆中，并取得了良 好的控制效果。
车辆系统动力学控制算法设计与实现
控制算法设计
算法实现方法
算法实现方法包括基于MATLAB/Simulink的仿真 实现、基于实际车辆的实验实现等。
车辆系统动力学控制算法的设计需要考虑多 种因素，如车辆动力学特性、道路条件、驾 驶员行为等。
随着计算机技术的发展，车辆系统动力学 开始进入仿真模拟阶段，通过计算机模拟 来研究车辆的动力学行为。
20世纪80年代
20世纪90年代至今
车辆系统动力学的研究范围不断扩大，开 始涉及到安全、控制、智能驾驶等领域。
车辆系统动力学得到了广泛应用，不仅在 汽车领域，还在航空、航天、军事等领域 得到应用。
车辆系统动力学的研究对象和研究方法

车辆系统动力学课件

车辆系统动力学课件

11
Vehicle System Dynamics
1.3 车辆特性和设计方法
1、期望的车辆特性
● 操纵动力学：人为因素多（驾驶员）
评价：利用系统转向特性，开环评价和闭环评价（如图）
Open
Closed
2021/4/14 星期三
12
Vehicle System Dynamics
1.3 车辆特性和设计方法
47
轮胎模型
2021/4/14 星期三
48
轮胎模型
2021/4/14 星期三
49
第3章 轮胎动力学
概述 轮胎的功能、结构与发展 轮胎模型 轮胎纵向动力学 轮胎垂向动力学 轮胎侧向动力学
2021/4/14 星期三
50
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
51
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
2021/4/14 星期三
20
动力学方程的建立方法
2021/4/14 星期三
21
动力学方程的建立方法
2021/4/14 星期三
22
Hale Waihona Puke 动力学方程的建立方法2021/4/14 星期三
23
动力学方程的建立方法
2021/4/14 星期三
24
第2章 车辆动力学建模方法
动力学方程的建立方法 动力学方程的求解方法 从控制工程角度看动力学系统 处理动力学系统的方法和步骤
59
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
60
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
61
轮胎纵向动力学
2021/4/14 星期三
62
第3章 轮胎动力学

车辆系统动力学第一讲PPT课件

车辆系统动力学第一讲PPT课件

11
4、轴箱悬挂。是将轴箱和构架在纵向、横向以 及垂向联接起来，并使两者在这三个方向的相 对运动受到相对约束的装置。 对于客车/动车组而言，主要包括轴箱弹簧、轴 箱定位装置以及轴箱减振器等。 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。
2021
28
以上这些干扰引起车辆何种振动？
如何来评价他们对车辆安全性和乘坐舒适 性的影响？
车辆部件经过运转后出现老化现象会给 运行安全性和乘坐舒适性造成什么样的 影响？
车体轻量化后产生的颤振会达到怎样的 程度？
2021
29
4、交会
列车交会时车辆受到的气动力主要有气动横向 力和气动升力。列车高速运行时，处于列车尾 流影响范围内的人员和物品有可能卷入尾流中， 造成人员伤亡或列车受损事故。 过去，中国列车时速较低，列车空气动力学问 题并不突出。列车提速后，列车运行阻力急剧 增加，能耗过大；列车高速交会产生的空气压 力瞬变，导致客车侧墙变形过大，并伴有强烈 的空气爆破声能击碎车窗玻璃。
蛇行运动不仅会降低乘坐舒适性，而且会破坏轨 道甚至列车脱轨、倾覆等安全事故。
2021
23
在造新车或在提高列车运行速度时，为使产 生蛇行失稳现象的临界速度大大高于正常运 行速度，应该如何设计车辆系统？
当部件老化或车轮出现磨损时，如何防止蛇 行失稳的发生，使列车仍能够稳定、安全地 行驶？
2021
24
2、曲线通过
2021
32
6、倾覆安全性
轻量化列车，在曲线上的行驶速度会有所 提高，当遭受横风时，是否能否防止列车 倾覆，提高安全性呢？
2021
33
7、运动与控制

车辆系统动力学(三合一)

车辆系统动力学(三合一)

2. 系统具有整体性
系统虽是由多种元素组成，但系统的性能不 是各元素性能的简单组合，而是相互影响的，所 以这种组合使系统的整体功能获得新的内容，具 有更高的价值。例如一辆汽车是由发动机、传动 系、车轮、车身、操纵系统组成。单有发动机只 能发出动力，不会自己行走，但当发动机装在具 有车轮的汽车底盘上，就成为可以行走的汽车， 成为一种交通工具，其功能就与一台发动机大不 相同。由此可见，研究系统特性应从整体的观点 来看。系统的性能是由其整体性能为代表，而不 是由某一个元素所能代替的。
第一章 绪论
• 1.1 系统与系统动力学的概念 • 1.2 汽车系统动力学的研究内容和特点 • 1.3 汽车系统动力学的研究方法
1.1 系统与系统动力学的概念
在我们真实的大千世界中，存在着许多由一组物 件构成，以一定规律相互联系起来的实体，这就是系 统，自然界就有太阳系、银河系这样的大系统，这种 系统是脱离人的影响而自然存在，称为自然系统，还 有如生物、原子内部也构成了自然系统，还有一种系 统是通过人的设计而形成的系统，称为人工系统，如 生产系统、交通运输系统、通信系统；人工组合和自 然合成的组合系统,如导航系统。
3. 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 ；驾驶员在车辆系统运动中的调节作用，
可以用图1－3来表示。汽车系统动力学就是 研究人－车系统中，人和车辆作用的相互匹 配问题；
4. 强调系统之间的联系，研究系统间的相 互作用。众所周知，汽车可分为若干个子系 统，如传动系、转向系、悬架系等，这些系 统在汽车运动过程中相互影响相互作用相互 制约。
3. 系统具有目的性
这一特点主要是指人工设计系统而言， 而不是指自然系统(例如银河系)。系统的目 的性是指人工系统是为了某一个大目的而构 成。目的不同，系统的构成也就不同。例如， 货车的功能就是为了运输货物这一目的而构 成，它必须有货箱以装载货物，而客车则是 为了运输乘客而设计，因此，车厢内必须有 供乘客使用的座椅，而运输货物就退居次要 位置或取消。所以，在设计中必须研究系统 整体目的，才能正确选择个元素的构成。
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如何平衡这两种运动特性，设计制造出既 能抑制蛇行运动，又能顺利通过曲线的车 辆呢？
3、舒适度
影响车辆乘坐舒适性的因素主要来自于轨道激扰。这些激 扰包括：轨道随机不平顺、轨道冲击不平顺（如轨道接缝、 道岔等的轨道面的不连续部位、曲线轨道半径的不规则、 倾斜过度或不足）等。 另外一些因素是车辆自身产生的干扰。这些因素主要包括： 由发电机、电动机、空气压缩机和鼓风机等车辆上机械装 置引起的干扰；由车轮偏心及刹车时车辆滑行产生的车轮 擦伤引起的干扰；由于起动和刹车时，邻接车辆间产生的 前后冲击；隧道内气流和车辆教会时的空气力学干扰等。
标准、轮对结构与轮轨接触几何关系、轮轨滚动接
触、客车悬挂系统与车辆动力学性能关系、货车转
向架基本结构及动力学原理、车辆系统动力学模型、
轨道激扰与轨道谱、车辆系统运动稳定性。
三、参考文献
1、车辆系统动力学，王福天，中国铁道出版社； 2、车辆系统动力学，任尊松，中国铁道出版社； 3、轨道动力学，练松良，同济大学出版社； 4、CNKI 等等……
1、蛇行运动
蛇行运动是一种不稳定振动现象。列车行驶时会突 然出现车体和转向架开始剧烈左右偏转的不稳定现 象。
蛇行运动不仅会降低乘坐舒适性，而且会破坏轨 道甚至列车脱轨、倾覆等安全事故。
2、曲线通过
车辆曲线通过时，为了能够减小车轮作用于轨道 上的横向力，并使车辆能够顺利转向，曲线外侧 车轮需要比内侧车轮多行驶一段距离，且最好是 车轮能够沿曲线切线方向运行。 因此，与防止蛇行运动的要求相反，最好能够增 矛盾 大车轮踏面斜度。
半主动悬挂的概念于20世纪70年代中期提出，半主 动悬挂采用阻尼特性可调的可控减振器和/或刚度特 性可调的可控弹簧作为作动器，通过实时调节可控减 振器的阻尼特性或可控弹簧的刚性特性，间接地获得 合理的悬挂力。实际应用中，可控弹簧实现起来比较 困难，目前的半主动悬挂一般采用可控减振器。
被动悬挂的悬挂参数在车辆运行过程中固定不变， 不能根据线路不平顺和外界因素的状况适时进行调 整，自适应性很差，只能在一定条件下有效地衰减 车体的振动，已不能满足高速列车的发展需要。 主动悬挂的减振性能是“最优”的。但是稳定性和 可靠性难以保证，控制作用的实现需要消耗大量的 能源，此外，成本过高限制主动悬挂应用到高速列 车上的一个重要因素。 半主动悬挂具有许多优点：结构简单、成本低、能 耗小，更重要的是在控制失效的情况下半主动悬挂 能够自然转换为被动悬挂，确保列车的运行安全。
车辆系统动力学基础
2012.9 主讲人：贾璐
一、课程目的；
阐明车辆主要结构和悬挂参数与系统动力学性能 之间的关系，并说明基本的轮轨接触理论和计算 方法、车辆动力学性能及其相应的评价指标、车 辆系统动力学模型建立方法、轨道激扰及其对车 辆动力学性能的影响等。
二、主要内容
主要内容包括：概述、车辆系统动力学指标及评估
6、倾覆安全性
轻量化列车，在曲线上的行驶速度会有所 提高，当遭受横风时，是否能否防止列车 倾覆，提高安全性呢？
7、运动与控制
传统的列车悬挂采用被动悬挂方式，被动悬挂由 弹性元件和阻尼组成，其刚度和阻尼是在设计过 程中确定下来的，在车辆运行过程中一般无法进 行调节，因此具有一定的局限性。
针对被动悬挂的局限性，20世纪50年代便有学者 提出了主动悬挂的概念。主动悬挂实际上是一个 闭环控制的动力驱动系统，通过合理调节输入到 减振系统的能量来抵消来自外界的激扰，从而达 到减振的目的。
第三节 车辆系统动力学用途及所解决的 主要问题
一、研究车辆运动主要有两个目的：
1、了解车辆各部分的位移及车轮作用 在轨道上的力等。 2、需要知道车辆的振动状态。 自由振动和强迫振动
自由振动
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。
铁道车辆基本结构：
车体：乘客或载物。 转向架：实现车辆走行功能的装置。 车下各种吊挂件。
铁道车辆动力学性能主要由转向架 性能决定。
转向架一般由轮对和构架/侧架组成，轮对在钢轨 上滚动，实现走行功能，构架在车体与轮对之间， 起承上启下的作用，即将车体的载重和振动向下 转递至轮对并由轮对传递至钢轨，向上传递轮轨 振动。 为了使各种弹簧装置和减振元件能够安全可靠地 运用并发挥功效，构架/侧架还需要为各种弹性元 件和减振元件提供各种安装支吊座。 除此之外，要实现列车的牵引与制动功能，转 向架上还必须有各种制动与牵引装置，而这同 样需要转向架提供安装和吊挂装置。
6个名称： 1、伸缩振动 2、横摆振动 3、浮沉振动 4、侧滚振动 5、点头振动 6、摇头振动
注：以上每种振动形式都不一定是单独出现 的，车辆复杂的振动在大多数情况下是上述 6种基本振型按不同组合耦合在一起发生的。
第二节 车辆系统基本结构
几个基本概念：
1、轴重。 铁道车辆的轴重是指车辆每一根轮轴能 够承受的允许静载荷。 2、轴距。是指同一转向架下两轮轴中心之间的纵 向距离。客车/动车组的轴距一般2.5~2.7m；轻轨 一般为2.0~2.3m；货车一般1.5~2.0m。 3、车辆定距。是指同一车辆两转向架中心之 间的纵向距离，车辆定距决定了车辆长度和载 客量。客车/动车组25m，轻轨车辆一般为13m， 货车一般9m。
机车+车辆 组成铁路列车，根据动 力源位置不同分为：动力集中型和动 力分散型。
第一节 车辆系统运动认识
•车辆系统是一个复杂的多自由度的动态系 统 •一般情况下，车辆系统考虑成多刚体系统， 如车体、构架等 •每一刚体可考虑成6个自由度，三个位移 和三个转动，沿x,y,z轴3个方向的直线运 动和绕三根轴的回转运动。
6、轮对冲角。是垂直于轮轨接触点处钢轨切线方向， 与轮轴轴线之间形成的夹角。 直线运行时，轮对冲角即为轮对摇头角；在曲线通 过时，轮对冲角与摇头角之间存在一定的差异，其 大小反应了车辆曲线通过能力大小以及难易程度。 7、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。
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运行动
强迫振动是指外界激扰引起的振动，其核 心是关注轨道不平顺、 强风或其他因素引 起的车辆持续振动特性。
二、车辆动力学的用途及考虑的问题：
车辆系统运动安全性
车辆系统蛇行运动稳定性
车辆系统运行平稳性
车辆系统曲线通过动力学
当列车与对面列车交汇行驶时会产生多大程度的振 动？同时会产生多大的横向压力？ 在新建供各种不同速度车辆行驶用的线路时，如何 考虑复线间隔、舒适度和安全上的限制？
5、脱轨安全性
如何保证列车既能够高速行驶又不至于脱轨？ 当外界因素如地震、泥石流等引发大面积轨 道转移时，车辆能否保证不脱轨？ 对于目前脱轨安全评价标准体系中仍无法评估 的振动，将如何保证铁路运营安全性？
思考题：
1、转向架的主要功能是什么？ 2、车体运动的六种运动形式是什么？ 3、什么是簧下质量？什么是簧上质量？
4、轴箱悬挂。是将轴箱和构架在纵向、横向以 及垂向联接起来，并使两者在这三个方向的相 对运动受到相对约束的装置。 对于客车/动车组而言，主要包括轴箱弹簧、轴 箱定位装置以及轴箱减振器等。 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。
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轮对横移量（m）
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轮对横移量（m）
铁路车辆最低限度是要保证不能出现 251km/h 250km/h 不稳定情况。
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四、车辆系统动力学内容
车辆系统运动安全性
车辆系统蛇行运动稳定性
车辆系统运行平稳性
车辆系统曲线通过动力学
脱轨视频 法国TGV 574.8km/h 中国京沪高铁 486.1km/h。
第一章 概述
铁道车辆的运动力学与汽车基本相同，都是由 力学来表达的。但是，铁道车辆与汽车的最大 区别在于轮轨系统。
铁道车辆的核心内容是 轮轨系统
以上这些干扰引起车辆何种振动？ 如何来评价他们对车辆安全性和乘坐舒适 性的影响？
车辆部件经过运转后出现老化现象会给 运行安全性和乘坐舒适性造成什么样的 影响？ 车体轻量化后产生的颤振会达到怎样的 程度？
4、交会
列车交会时车辆受到的气动力主要有气动横向 力和气动升力。列车高速运行时，处于列车尾 流影响范围内的人员和物品有可能卷入尾流中， 造成人员伤亡或列车受损事故。 过去，中国列车时速较低，列车空气动力学问 题并不突出。列车提速后，列车运行阻力急剧 增加，能耗过大；列车高速交会产生的空气压 力瞬变，导致客车侧墙变形过大，并伴有强烈 的空气爆破声能击碎车窗玻璃。