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汽车动力学题库

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）

2014.4

1.汽车动力学的建模方法有哪些？

（P7PPT）

1）牛顿第二定律

2）达朗贝尔原理

3）拉格朗日方程

4）凯恩方程

2.汽车动力学按照汽车纵向、横向（操纵动力学）和垂向（行驶动力学）分别包含哪些研究内容？

（P5汽车系统动力学）

1）汽车纵向动力学研究车辆的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。

按车辆的工况的不同，分为驱动动力学和制动动力学；

2）操纵动力学研究车辆的操纵特性，主要与轮胎侧偏力有关，并由此引起车辆的侧滑、横摆和侧倾运动；

3）行驶动力学主要研究由路面的不平激励，通过悬架的轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的运动。

3.按形成原因，汽车空气阻力分为几类？

简述各种阻力的形成。

（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。

4.某电动汽车的质心位置轮距中间，即质心距前后轮距离相等，a=b=L/2，装备的普通蓄电池1个放在中间质心位置，前后轮胎型号、气压相等，该车具有中性转向特性，为了提高该车一次充电续驶里程，拟将电池更换为2个高性能电池，假设这2个高性能电池重量/体积与原1个普通蓄电池重量/体积相同。

按照二自由度操纵稳定性模型理论，试分析以下情况该车稳态转向特性、瞬态转向特性将如何变化？

为什么？

（P220P157汽车理论）

（1）将2个高性能电池分别放在前后轴上；

（2）将2个高性能电池分别放在前轴上；

（3）将2个高性能电池分别放在后轴上；

（4）将2个高性能电池分别放在中间质心位置。

根据稳定性因数公式

1）将2个高性能电池分别放在前后轴上，质心位置不变，为中性转向；

2）将2个高性能电池分别放在前轴上，质心前移，变为不足转向；

3）将2个高性能电池分别放在后轴上，质心后移，仍为过多转向；

4）将2个高性能电池分别放在中间质心位置，质心位置不变，为中性转向。

5．某车垂向动力学1/4模型，已知簧上质量为550kg，悬架弹簧刚度为52000N/m，悬架阻尼系数为1520Ns/m，簧下质量为52kg，轮胎弹簧刚度为210000N/m，轮胎阻尼忽略不计，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.（见手写稿）

（1）分别写出被动系统和采用天棚阻尼控制器后系统的运动微分方程；（P174汽车系统动力学）

（2）推导被动系统固有频率和振型计算公式并计算之，画出振型图；（P222P224汽车系统动力学）

（3）以路面不平为输入，车身位移为响应（输出），请写出被动模型的频响函数；

（4）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示意图。

6.试举2例现代汽车的电子控制系统，说明其基本工作原理。

ABS防抱死制动系统：

在汽车制动时，通过轮速传感器测量车轮转速信号，来获得滑移率，并通过调节制动压力，控制制动强度，保证滑移率在最佳滑移率附近，防止车轮抱死，提高纵向制动能力和侧向稳定性；

ASR防滑控制系统/TCS驱动力控制系统：

根据车辆的行驶工况（起步、加速、爬坡等），采用适当的控制算法通过控制作用在车轮上的力矩，使得滑转率保持在最佳滑转率附近，防止驱动轮发生过度滑转，同时保证产生合适的纵向驱动力和侧向力；

VSC车辆稳定性控制：

ECU根据车速、侧向速度、横摆角速度、转向盘转角等一系列信号，计算出理想的车辆运行状态参数值，通过与各传感器测得的实际车辆运行状态信号值的比较，根据控制逻辑算法计算出期望的横摆力矩，通过控制液压调节制动系统，对车轮施加制动力，以实现所需要的车辆横摆力矩，同时改变驱动轮的驱动力，以实现车辆运行状态的调节；

汽车系统动力学复习资料

（1）

名词解释：

（1）车辆操纵稳定性——汽车理论P130

（2）轮胎侧偏现象——汽车理论P138

（3）超调量——汽车理论P133

（4）独立悬架——动力学P191

（5）轮胎拖距——汽车理论P163

（6）侧倾中心——汽车理论P163

（7）特征车速——汽车理论P147

（8）TCS或ASR

（9）ESP

（10）侧倾转向——汽车理论P173

（11）侧倾外倾——汽车理论P171

简答和计算：

1.按形成原因，汽车空气阻力可以分为哪些类型，并简述各种阻力的产生原因。

在此基础上，提出减少汽车空气阻力的相应措施。

（P82）

相应措施：

1）光顺车身表面的曲线形状，消除或延迟空气附面层剥离和涡流的产生；

2）调整迎面和背面的倾斜角度，有效的减少阻力和升力的产生；

3）减少凸起物，以减低干扰阻力；

4）设计空气动力附件、整理和引导气流流向。

2.什么是轮胎侧偏特性，轮胎的回正力矩是怎样产生的？

它们受哪些因素的影响？

1）汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或者曲线行驶时的离心惯性力的作用，车轮中心将受到一个侧向力，相应的地面上产生地面侧向力，由于轮胎具有侧向弹性，因而轮胎胎面中心线发生扭曲，随着车轮的滚动，胎面中心线在地面上的相应轨迹与轮胎中心面与地面的交线形成夹角，即产生侧偏现象，此夹角称为侧偏角；

2）侧偏力不是作用在支承面的中间，而是存在一个轮胎拖距，地面侧偏力乘轮胎拖距形成一个绕垂直轴的力矩，它使转向车轮有趋势回复到直线行驶位置，故称为回正力矩；

3）影响回正力矩的侧偏特性的因素有：

（1）垂直载荷或法向反力。

垂直载荷增大，同样侧偏力下侧偏角减小，侧偏刚度增大，最大回正力矩增大。

（2）轮胎形式和结构参数。

子午线轮胎接地面积宽，侧偏刚度比斜交轮胎大，同样的侧偏角下回正力矩大。

扁平率小的轮胎，侧偏刚度大。

轮胎气压增大，侧偏刚度增大，但气压过高，刚度不再变化，气压高，接地印记短，轮胎拖距小，回正力矩变小。

（3）纵向力。

纵向力作用是要消耗一部分附着力，吟哦日侧向能利用的附着力减小，故在一定偏角下，驱动力或制动力增加，侧偏力逐渐有所减小。

随着驱动力的增加，回正力矩达最大后再下降。

在制动力作用下，回正力矩不断减小。

3.汽车转向轮摆振有哪两种形式，如何加以区分。

汽车转向车轮的摆振类型主要有两种：

强迫振动类型和自激振动类型。

区别二者可以从摆振的自身特点加以判断：

（1）当车轮发生强迫振动类型的摆振时，必然存在周期性的外界激励持续作用，如车轮不平衡，在波形路面上的陀螺力矩、悬架与转向系运动不协调等；系统的振动频率和激励频率一致，摆振明显发生在共振区域，而共振车速范围较窄；激励的存在与振动体运动无关；

（2）当转向轮发生自激振动形式的摆振时，系统无须有持续周期作用的激励，只要有欧绕的单次性激励、系统的振动频率接近系统绕主销振动的固有频率，与车轮的转动频率等不一致，发生振动的车速范围较宽，激励力伴随振动体的运动而产生，振动体运动停止，激励力消失。

4.什么是被动悬架、主动悬架和半主动悬架且各有何主要特点。

在此基础上，简述你所了解的悬架技术和发展趋势。

（见资料）

5.试说明汽车制动性的定义和评价指标，分析影响制动时汽车方向稳定性的原因。

（见资料）

6.什么是稳态转向特性的稳定性因数K，影响K的因素有哪些？

根据稳定性因数的大小，汽车的稳态转向特性分为几类，实际的汽车应具有哪种稳态转向特性，并简述理由。

（见资料）

7.试写出车轮制动过程的数学模型，并按照最优控制理论给出其防抱死控制的线性二次型问题的描述，简要说明所建模型的思想。

（见资料）

8.车辆的稳态转向特性有哪三种类型？

分别作简要说明。

（见汽车理论P147）

9.根据稳定性因数表达式

试分析回答一下问题：

（1）车辆空载和满载是否具有相同的操纵稳定性？

（不具有）

（2）分析超载时车辆的转向特性变化，从而说明超载特别是严重超载的不安全性。

（过多转向）（见Q19）

（3）一款三轮摩托车，原来具有中性转向特性，今将其后轮由单胎变为双胎（即后轮侧偏刚度的绝对值增加1倍），其稳态转向特性将如何变化?

（不足转向）（运用稳定性因数计算公式求解）

10.什么是临界车速？

有一赛车的稳定性因数K=-0.0025[s^2/m^2]，求其临界车速。

临界车速：

当车速为u=sqrt（-1/K）时，稳态横摆角速度增益趋于无穷大，此车速称为临界车速。

U=sqrt（-1/K）=20（Km/h）

11．一摩托车前轮侧偏刚度为-10000N/rad，外倾刚度为-1500N/rad，若摩托车转弯使前轮产生了正的12度外倾角。

忽略载荷转移的影响，求由此外倾角引起的前轮侧偏角。

（汽车理论P114）

-1000*a=pi/180*12*（-1500）

a=18

即外倾角引起的前轮侧偏角为18度。

12.今有一电动汽车，稳态转向特性为不足转向，2个蓄电池放在质心位置，汽车知心位于前后轮中央（a=b=L/2），为了提高该车一次充电续驶里程，拟将电池更换为4个高性能电池，假设这4个高性能电池重量与原2个蓄电池重量相同,即整车质量不变。

试分析以下情况该车稳态转向特性如何变化？

（原稳态转向特性为不足转向）

（1）放在汽车中部质心位置；（不足转向）

（2）全部放在前轴上方；（不足转向）

（3）全部放在后轴上方；（讨论，不足、中性或过多）

（4）前轴上方和后轴上方各放2个：

（不足转向）

13.试阐述半主动悬架系统研究的基本内容和方法。

14.试阐述汽车悬架系统的组成、功用以及分类。

组成：

弹性元件、阻尼元件、导向元件

作用：

缓冲隔振、保持车身姿态和附着压力

分类：

被动悬架、半主动悬架和主动悬架

15.试阐述车辆悬架系统动力学研究的方法和思想。

16.今有以微车悬架系统简化模型（单自由度振动模型），用于粗略估算分析，M=500kg，K=25000N/M，试计算其固有频率，并说明减小或增加悬架刚度对汽车平顺性的操纵稳定性的影响。

固有频率计算公式：

减小悬架刚度，即增大静挠度，可提高汽车的行驶平顺性，但转弯时悬架侧倾刚度的降低会使车身产生较大的侧倾角，使得操纵稳定性变差。

17.什么是振动系统的固有频率？

已知一个简化的单自由度汽车系统的车身质量m，悬架刚度为k，试写出其固有频率表达式。

振动系统的固有频率：

物体作自由振动时，其位移随时间按正弦规律变化，即简谐振动；简谐振动的周期或频率与初始条件无关，今与系统的固有特性有关，称其为固有频率或固有周期。

固有频率表达式：

18.推导1/4车模型。

（见系统动力学P174）

19.超载对汽车操纵稳定性性能的影响。

（1）侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮上的重新分配

汽车在超载情况下，侧倾时垂直载荷在左右车轮的重新分配的变动量会比正常装载要大，变动量的大小是由装载的质量、装载位置、装载高度和行驶速度等决定。

（2）车轮在和重新分配后对轮胎侧偏刚度（绝对值）的影响

根据轮胎的侧偏特性可知，侧偏刚度与垂直载荷有关，在某一载荷下达到最大值，大于或小于这个载荷时，侧偏刚度均下降，就一根车轴而言，无侧向力作用于汽车时，车轴左右车轮的垂直载荷相等，但左、右车轮垂直载荷差别越大，平均刚度越小。

（3）车轮载荷重新分配后对稳态转向特性的影响

根据稳定性因数公式K=1/（a*L）（a1-a2）（a1、a2为前、后轮侧偏角，a为侧向加速度，L为轴距）可知：

1）若前轴左右车轮垂直载荷变动量较大，稳定性因数值变大，汽车趋于增加不足转向，但转向会变沉重，驾驶员不能根据道路和交通变化情况迅速的改变行驶方向，转弯后不能及时回正方向；

2）若后轴左右车轮垂直载荷变动量较大，稳定性因数值变小，汽车趋于增加过多转向，汽车在车速较高时，只要有极其微小的前轮转角便会产生极大的横摆角速度，意味着汽车的转向半径极小，汽车容易发生激转而侧滑或翻车。

根据以上分析可知，汽车超载对转向特性有很大的影响，很大程度上降低了汽车的操纵稳定性，容易导致事故的发生，应该积极避免。

汽车系统动力学复习资料

（2）

1.何谓系统动力学？

系统动力学研究的任务是什么？

（PPT概述P32）

系统动力学是讨论动态系统的数学模型和响应的学科，是一门分析研究信息反馈系统的学科，也是一门认识系统问题和解决系统问题的交叉综合学科；系统动力学研究的任务可分为三种：

1）系统设计：

已知输入，要求设计系统的特性使其输出满足一定的要求；2）系统辨识（识别）：

已知输入和输出，要求研究系统的特性；3）环境预测：

已知系统特性和输出，要求研究输入。

2.车辆系统动力学研究的内容和范围有哪些？

（PPT概述P41）

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及车辆内部子系统的相互作用；

3）车辆系统最佳控制和最佳使用；

4）人一车系统的相互匹配和模型研究，驾驶员模型，以使车辆的工程技术设计适合于人的使用，从而使人一车系统对工作效率最高。

3.车辆系统动力学涉及哪些理论基础？

（）（PPT概述P47P48）

分析力学、经典力学、线性系统理论、现代控制系统理论和人机工程学

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？

（系统动力学P23）

1）多体系统动力学是研究多体系统（一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学；

5.简述车辆建模的目的。

（简化）

6.期望的车辆特性是什么？

如何来评价？

7.何谓轮胎侧偏角、轮胎侧偏刚度？

影响轮胎侧偏的因素有哪些？

（见资料

（1）第2题）

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？

（动力学P34）

1）轮胎模型是用来描述轮胎六分离与车轮运动参数之间数学关系的模型，即描述轮胎在特定工作条件下的输入和输出之间的关系；2）轮胎模型可以分为：

轮胎纵滑模型、轮胎侧偏模型和侧倾模型、轮胎垂向振动模型；3）轮胎参数:

：

轮胎尺寸、胎压和路面条件。

9.简述轮胎噪声产生的机理。

（动力学P62）

1）空气的泵吸效应；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的出口处被高速释放到空气中时，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，当它离开接触区时，胎齿变由高变形状态下恢复，从而引起胎面噪声。

同时胎体振动、胎面花纹沟等促进了噪声的辐射。

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哪些？

（动力学P69P83）

空气动力对车辆性能的影响：

1）对动力性的影响：

影响高速时的加速性能;影响最高车速。

2）对燃油经济性的影响：

轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达12%以上。

3）对安全性的影响：

高速时的加速性能影响行车的安全；空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性；空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。

4）对汽车外观的影响：

汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形；空气动力学影响着人们的审美观。

空气动力学装置：

前阻风板、后扰流器、底板、裙边、垂直尾翼、车轮整流罩、车轮导流板、负升力翼、轮辐盖、轮毂罩等

11.简述风洞试验的特点？

（动力学P76）

12.车辆制动性能主要由哪三个方面评价？

（动力学P104）试分析汽车制动跑偏的原因。

（见资料）

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？

标注出图示车辆简化扭振系统各部分的名称？

说明其主要激励源？

（动力学P130）

14.写出货车动力传动系统动力学方程，并写出刚度矩阵等。

（动力学P132）

15.路面输入模型有何种？

各有何特点？

写出各自的表达式？

（动力学P146）

1）频域模型，采用空间频率和一个通用的谱密度函数来大致表达不同粗糙程度的路面，以作为车辆系统的输入激励，表达式与车速无关。

表示式（见P146）

2）时域模型，用时间频率代替空间频率，采用车速作为变量来表达不同车速下的路面不平度，表示式（见P147）

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？

（动力学P150）

17.简述最新的舒适性评价指标。

（动力学P174）

18.车辆平顺性是如何测量的？

（P169）

19.车辆典型的共振频率范围通常是多少？

（P171）

20.车辆行驶动力学模型是如何简化的？

（P172）试写出1/4（P174）、1/2（P183）和整车系统垂直振动的微分方程式（P186），并写成矩阵形式。

21.车辆悬架系统的性能一般用那3个基本参数进行定量评价？

各对车辆行驶性能有何影响？

（P176）

1）不舒服性参数，是指经ISO2631频率加权后的垂向加速度方均根值，其很大程度决定了车辆行驶平顺性；2）悬架动行程参数，定义为车轮与车身的位移之差的方均根值，用于描述相对静平衡位置的悬架位移变化程度；3）轮胎动载荷，定义为相对于静平衡未知的轮胎载荷变化的方均根值；轮胎在和的变化会引起地面接触印记面积的变化，并导致侧向力和制动力的减少。

22.被动悬架存在的问题是什么？

（P190）半主动悬架（P196）和主动悬架（P193）的工作原理是什么？

写出器系统运动方程。

23.操纵性能的总体目标和期望的车辆操纵特性是什么？

24.基本操纵模型假设存在的最大问题是什么？

忽略了簧载质量的侧倾运动及其相关影响

25.车辆操纵特性分析一般进行哪三种分析？

其内容是什么？

（P218）

26.何谓中性转向、不足转向、过多转向？

各有何特点？

（P220）

27.利用拉格朗日方程式推导平面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=F0*cos2wt作为系统输入。