车辆系统动力学.doc

汽车系统动力学的发展现状 仲鲁泉 2014020326 摘要： 汽车系统动力学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有汽车在垂直和横向两个方面的动力学内容。介绍车辆动力学建模的基础理论、轮胎力学及汽车空气动力学基础之外，重点介绍了受汽车发动机、传动系统、制动系统影响的驱动动力学和制动动力学，以及行驶动力学和操纵动力学内容。本文主要讲述的是通过对轮胎和悬架的系统动力学研究，来探究汽车系统动力学的发展现状。 关键词：轮胎；悬架；系统动力学;现状 0 前言 汽车系统动力学是讨论动态系统的数学模型和响应的学科。它是把汽车看做一个动态系统，对其进行研究，讨论数学模型和响应。是研究汽车的力与其汽车运动之间的相互关系，找出汽车的主要性能的内在联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据。 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，最早可以追溯到100年前。事实上，知道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、美国的Olley、法国的Broulhiet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。在过去的70多年中，车辆动力学在理论和实际应用方面也都取得了很多成就。在新车型的设计开发中，汽车制造商不仅依靠功能强大的计算机软件，更重要的是具有丰富测试经验和高超主观评价技能的工程师队伍。 在随后的20年中，车辆动力学的进展甚微。进入20世纪50年代，可谓进入了一个车辆操纵动力学发展的“黄金时期”。这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域（即侧向加速度约小于0.3g）理论体系。随后有关行驶动力学的进一步发展，是在完善的测量和计算手段出现后才得以实现。人们对车辆动力学理解的进程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。随后的几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽车产品竞争中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。计算机及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高。 1 轮胎的系统动力学的探究 1.1 轮胎模型 车辆行驶过程中，来自地面的冲击通过滚动的轮胎、悬架和座椅传递到驾驶员，所以，轮胎的选用至关重要，它的结构参数和力学特性对汽车的行驶性能起着重要影响。整车动力学模型中，轮胎模型的精度必须与整车模型的精度相匹配，选择符合实际又便于使用的轮胎模型是关键 。ADAMS 提供了 5 种用于动力学仿真的轮胎模型，Deflt轮胎模型 、Fiala轮胎模型、Smithers 轮胎模型、UA轮胎模型和User Defined 轮胎模型，其中Fiala 轮胎模型、UA 轮胎模型和 User Defined 轮胎模型为解析模型，具有解析表达式；Deflt 轮胎模型和Smithers 轮胎模型为试验模型， 需要大量的实验数据，参数的获得非常昂贵。本文选用 UA 轮胎模型，采用弹性梁模型进行建模，使用摩擦圆概念计算由侧偏角、 滑移率以及垂向变形等综合因素影响下的力和力矩，模型参数如表1所示[4] 。 表1 轮胎的特性参数 1.2 系统拓扑结构 车辆振动系统由轮胎、悬架、座椅等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成。 整车模型包括车架、铰接架、回转支撑、悬架系统、发动机、人椅系统、货箱等22个构件，32个自由度。该模型前、后车架以铰接架和回转支撑连接， 前车架以铰接点为中心整体转向，回转支撑允许前、后车架独立转动以减小车架扭转应力[2] 。U型架承担车辆行驶的纵向力，横拉杆承担横向力，前螺旋弹簧和减震器以及中、后橡胶弹簧承担垂向力，保证了车桥可以在一定范围内自由摆动， 使所有车轮始终与地面接触，该车拓扑结构如图 1 所示。 1.3轮胎模型分析 仿真分析之前，需要对所建立的模型进行调试，模型调试阶段主要解决以下问题：(1)保证系统自由度正确，消除过约束；(2)编制了不产生数值突变的驱动力矩step 函数，使ADAMS 软件积分容易收敛，同时使驱动力矩缓慢加到驱动轮上，达到给定车速后逐渐减小驱动力矩直到可以平衡车辆行驶中的阻力，保证车辆以给定车速匀速通过仿真试验路段；(3)为使仿真工作顺利进行，需要选用合适的求解器和适当调整求解器的精度。 根据国标GB/T 4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》[4]的要求，使车辆在 C 级路面下行驶。C级路面由ADAMS提供，添加时调整路面重力方向以及路面与车辆的位置关系。车辆状态为满载，通过添加在车轮上的驱动力矩函数使车辆分别以10km/h20km/h，30km/h 和 40km/h 不同车速行驶，设置加速度传