车辆动力学基础01.ppt

1、车辆动力学基础天津科技大学第一章 绪论下一代卡马罗(camaro)汽车1.1机动车辆时代的启蒙 1769年，法国军事工程师Nicholas Joseph Cugnot(1725-1804)，为运输火炮部件，建造了第一台蒸汽推动的三轮车，从此拉开了机动车辆时代的序幕。1886年，世界上诞生了第一辆实用的汽油机汽车，这个荣誉应该授予两个独立研发的发明家，奔驰（Karl Benz,1844-1929)和戴姆勒（Gottlieb Daimler,1834-1900)1908年，亨利年，亨利福特制造了福特制造了T型车型车,通用机车公司就此通用机车公司就此创立创立,成功地创建了美国的汽车工业成功地创建了美

2、国的汽车工业.在20世纪的前几十年,汽车工业的主要精力集中于创造和设计出更快、更舒适和更可靠的汽车。机动车辆车速达到的水平从汽车工业发展的萌芽阶段开始就飞速提升。而高速下汽车的动力学特性，尤其是转向和制动，是工程学关注的重点第一位撰写关于汽车动力学的工程师名Frederick William Lanchester(1868-1946)如今，汽车工业已经成功地走过第一个百年。从T型车到金牛星，在汽车技术方面，工程师们取得了惊人的进步。相比过去，动力学在汽车设计和开发过程中，扮演越来越重之能够要的角色1.2 车辆动力学简介人们常说控制一辆高速车辆的主要作用力产生于四块巴掌大小的区域-车与地面的接触

3、区。这种说法恰如其分。对充气（橡胶）轮胎在路面上所生的力和力矩的认识，是了解公路车辆动力学的关键。广义上,车辆动力学包括了各种运输工具,但各种类型的运输工具所包含的力学原理各不相同且十分广泛.因此,本书仅讨论橡胶轮胎车辆.车辆性能-在加速、制动、转向和行驶过程中的表现-是施加在车辆上力的响应，所以车辆动力学的研究必须涉及两个问题：怎样以及为什么会产生这些力。在车辆上影响性能的主要作用力是地面对轮胎的反作用力。因此，需要密切关注轮胎特性，这些特性有轮胎在各种不同工作状况下产生的力和力矩表征。掌握车辆动力学的两个层面-经验和分析经验的掌握可以通过研究影响车辆性能的因素、影响的方式以及条件，反复实践

4、得到。分析方法是通过描述已知的物理定律的力学要点,建立分析模型。模型的建立提供了辨识重要因素的方法，以及这些因素产生的运作方式和条件。模型还提供了预测能力，可以确定为实现给定性能指标所需要的变化。1.3 建模的基本方法集中质量 车辆由众多零部件构成。在不同工况、不同研究目的中，对这些零部件有不同的处理方法。例如，在制动过程中，车辆作为整体减速，可以假设整车是一个集中质量块，这个质量块的质心位置与整车质心位置重合，这个质量块拥有与整车相同的质量和惯性特性。实际上，加速、制动和大多数转向分析，把整车作为一个集中质量来研究都可以满足要求。但在乘坐舒适性研究中，我们不能忽视弹性元件的作用，而必须把整车

5、质量分为“悬挂质量”和“非悬挂质量”。车辆固定坐标系统车辆固定坐标系统地面固定坐标系统 车辆操纵过程的姿态和运行轨迹，参照固定在地面上的右手直角坐标系来确定。一般情况下，车辆固定坐标系选择与操纵的起始点相一致。此坐标系的定义如下：X向前运动；Y向右运动；Z垂直运动（向下为正方向）；方向角（水平面上x轴与X轴之间的夹角）；路径角（车辆速度向量与X轴之间的夹角）；侧滑角（车辆速度向量与x轴之间的夹角）。地面固定坐标系下的车辆欧拉角 欧拉角是车辆固定坐标系与地面固定坐标系之间的联系纽带。欧拉角由三个方向上的依次旋转构成。将地面固定坐标系的坐标轴沿横摆方向（绕Z轴）旋转，再沿俯仰（y轴）和侧倾（x轴）

6、旋转，与车辆固定坐标系重合，得到的三个转角就是欧拉角。必须严格遵守转动的次序，因为转动次序的不同会导致不同结局的车辆姿态。牛顿第二定律车辆动力学分析基本定律是牛顿第二定律，这个定律适用于平移和转动系统平移系统-在给定方向上，作用在外力物体上的外力之和等于物体质量与这个方向上加速度的乘积。转动系统指作用在物体给定轴上的力矩之和等于围绕该轴的转动惯量与角加速度的乘积-绕X轴的力矩-绕X轴的转动惯量-绕X轴的角加速度1.4动态车轴载荷W是作用在重心的车辆重力，其数值等于车辆质量乘以重力加速度。在斜坡上他被分解成两个力：一个是垂直于路面的余弦分量，另一个是平行于路面的正弦分量。如果车辆沿道路加速前进，

7、则存在一个名为“达朗贝尔力”的惯性力作用在重心，其方向与加速度方向相反，大小等于（W/g)轮胎承受沿路面方向的作用力，分别为Wf和Wr,是动态重量施加在前、后轮的力。牵引力Fxf和Fxr，滚动阻力Rxf和 Rxr作用在轮胎和地面的接触区，方向沿地平面。Da是在车辆车身的空气阻力。它可以表示为作用在距地面ha风压中心处的力，或者表示为沿地面水平方向同样大小的纵向力和一相应力矩，其数值等于每一车轴上的载荷包括静载荷，以及其他作用在车辆上的从前轴到后轴（或从后轴到前轴）转移的动载荷。前轴载荷的计算可以利用对后轮胎下方A点的力矩据平衡条件。SAE规则中A点顺时针力矩方向为正。所以 上坡角度为正值，其正

8、弦值也为正值，而下坡坡度着这个值为负。从上式可以求出Wf,同理根据B点公式可以求出Wr。于是，车轴载荷表达式为（1-4）（1-5）平地面上的静态载荷 当车辆静止于水平地面上时，载荷公式较为简单。正弦值为0，而余弦值为1，变量 都等于0，所以（1-6）（1-7）低速时加速当车辆在水平地面低速情况下加速时，Da等于0，车轴载荷为 可见，当车辆加速时，载荷从前轴向后轴的移动，与加速度和中心高度与轴距的比值成正比。坡度上的载荷坡度是“上升高度”与“行驶距离”的比值，即坡度角 的正切值。由于正常行驶时坡度角很小，所以坡度角的余弦值接近于1，正弦值接近于角度本身，即所以，坡度影响下的车轴载荷为可见，正坡度

9、导致载荷由前轴向后轴转移。1.5 例题 3.0L排量的金牛星GL轿车,从静止起步以6 的加速度爬6%的坡度。求解此时载荷分布。解 因为车辆从静止起步，假设可忽略空气阻力，并且没有牵引车。式（1-4）和式（1-5）是求解的基本公式，但是首先确定b和c。查找汽车生产商协会提供的金牛星汽车的详细资料，得到相关数据。前轴载荷1949lb,后轴载荷1097lb;轴距106in;前排乘客体重49%分布到前轴，51%分布到后轴。假设驾驶员体重200lb，于是：据 式（1-6）和式（1-7）可得b=39.15in,c=66.85in。通过简单的计算，可以算出6%的坡度等于3.433坡度角（反正切值0.06）。由于缺少重心高度数据，假设它为20in。现在，已经拥有足够的数据求解公式（1-4）。同理可求解后轮载荷为1347.3lb。由于车辆在一个斜坡上只有重力的余弦值产生了车轴载荷。所以，作用在车轴上的重力只有3246lbcos3.433=3240lb