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/week114 汽车动力学模型综述 孙海涛，陈关龙 上海交通大学机械与动力工程学院，上海（200240） 摘 要：随着汽车动态仿真的发展，产生了不同复杂程度的汽车动力学模型，主要分为集中 参数模型和多体模型。本文在简要说明汽车动力学发展过程的基础上，介绍了用集中参数模 型法建立的动力传动系模型、路面模型以及研究汽车平顺性和操纵稳定性的整车模型，然后 介绍了多体模型以及用有限元法和动态子结构法建立的仿真模型，最后提出了汽车动力学模 型的发展趋势。 关键词：汽车动力学；集中参数模型；多体参数模型；综述 中图分类号：U461.1 1. 汽车动力学历史回顾 文献标识码：A 运动学方程。集中参数仿真模型较多体仿真 模型计算时间短、效率高，所需输入参数较 汽车动力学主要研究汽车在各种力的 作用下的动态特性，并讨论这些动态特性及 其对汽车使用性能的影响。最早的有关汽车 行驶振动分析的理论可追朔到 1900 年[1]。 当时 Lanchester 就认识到运用弹性悬架可使 乘客感到更加舒适。Maurice Olley 在 20 世 纪 30 年代率先提出了操纵动力学分析理论， [2] 成了汽车动力学的雏形。1993 年 Segel 在机 械工程师学会（I.Mech.E）举行的题为 “车 辆平顺性和操纵稳定性”的会议上发表的论 文，对 1990 年以前汽车动力学的发展做了 [3] 50 年代后仿真技术的日益成熟，它也被逐渐 引入到汽车动力学研究领域。到了 70 年代 汽车动态仿真已在国外得到了普及，产出了 不同复杂程度的动力学仿真模型。根据所采 用的方法可将其分为两大类[4]：集中参数仿 真模型和多体参数仿真模型。这两类模型 中，集中参数仿真模型需要建模者对汽车进 行离散化并推导汽车的运动学方程；而多体 仿真模型则需要建模者给定各部件的详细 特征、运动学约束和系统的拓扑结构，然后 由相应软件工具如：基于 Kane 方法的 SD/FAST，AUTOSIM，SYMBA；基于 Euler 方法的 SD/FAST，AUTOSIM，NASTRAN， SIMPACK；基于 Lagrange 方法的 ADAMS， DADS，MEDYNA，MADYMD 等自动建立 -1- 少，但不能全面地得到系统中各子系统的运 动及其相互的耦合作用。 2. 集中参数法模型的发展 由于组成汽车的各机械子系统之间的 相互耦合作用，使汽车的动态特性非常复 杂，通过计算机仿真预测汽车在实际运动中 的动态特性，必须根据所要研究的问题，进 行相应的抽象和简化，以便建立可描述汽车 真实运动的不同仿真模型。集中参数模型法 正是依据这一思路，对研究汽车的不同性能 建立不同的仿真模型。用集中参数模型法来 研究汽车的动力学仿真问题主要包括动力 传动系模型、路面模型以及分析汽车平顺性 和操纵稳定性的整车模型。 表 1 汽车动力学早期成就总结第 1 阶段 第 1 阶段(20 世纪 30 年代 前) 第 2 阶段(30 年 代到 1952 年) 第 3 阶段(1952 到 1990 年) 1.运用实验观 察汽车动力特 性进行 2.关注轮胎摆 振现象 3.认识到平顺 性的重要性 1. 基 本 理 解 轮 胎侧偏现象 2. 定义不足转 向/过度转向 3. 理解稳态转 向 4. 建立两自由 度操纵稳定 性模型 5. 广泛关注平 顺性和产生 独立悬架 1. 通 过 对 实 验 结果分析，加 深了对轮胎 特性的了解 2. 三 自 由 度 操 纵稳定性模 型的建立 3. 扩 展 操 纵 稳 定性分析内容 4. 运 用 随 机 振 动理论预测 平顺性 并且总结了当时的汽车设计状况 并且总结了当时的汽车设计状况 。这才形 较为全面的总结 ，见表 1。随着 20 世纪 /week114 2.1 动力传动系模型 动力传动系模型包括发动机模型、传动 系模型和轮胎模型，前人在研究动力传动系 的动力学特性时发动机多采用多参数模型 （例如节气门开度和发动机扭矩[5]），传动 系多采用集中参数模型（例如配有机械式变 速器的传动系动力学模型[6]，如图 1 所示）。 轮胎模型有两种类型。一种是物理模型，另 一种是经验公式或半经验公式。物理模型方 面有 1954 年，Fiala 通过简化的轮胎弹性圆 环模型推导出的车轮侧偏特性侧向力和回 正力矩的无量纲表达式。Sakai 等采用简化 的胎面刷子模型来分析轮胎的制动和驱动 特性。而在研究轮胎振动问题时多采用 M.Loo 模型。近年来，哈尔滨工业大学复合 材料研究所提出了一个能较好预测子午线 轮胎固有频率的理论模型，即轮胎的圆环模 型[7]。经验公式或半经验公式有 1961 年和 1968 年日本桥石轮胎厂提出了 Fiala 理论表 达式的试验修正表达式；郭孔辉建立的轮胎 模型半