lecture01汽车系统动力学基础

主讲：王文林教授

南昌大学机电工程学院------车辆工程技术研究中心汽车系统动力学基础lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第1页!一.汽车是一种复杂产品为什么要研究汽车系统动力学？容量：210L额定制热量：5320W额定出水温度：55℃最高出水温度：100℃太阳光吸收率：95%？lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第2页!二.我们期望汽车具有什么样的性能？怎样达到设计目标？为什么要研究汽车系统动力学？样机控制设计性能优良的汽车初步设计试验评价理论评价计算理论车辆系统动力学是基础！lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第3页!1、描述车辆的动力学性能。为什么要研究汽车系统动力学？三、研究车辆动力学，为车辆设计、控制服务：2、预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案。3、解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第4页!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lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第5页!车辆动力学的建模方法及基础理论一、牛顿矢量力学体系：式中：m-----质点系总质量；

r-----质心位移；

Fi-----外力。式(1)式中：I-----刚体绕某轴的转动惯量矩阵；

ω-----刚体的角速度投影矩阵；

M0-----外力对于O点的主矩。式(2)牛顿第二定律

欧拉方程

lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第6页!车辆动力学的建模方法及基础理论三、多体系统动力学1、以经典力学为基础。3、由计算机建立动力学方程并进行求解。2、多刚体、柔体的运动；采用分布参数体系。4、ADAMS、SIMAPCK等。lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第7页!轮胎模型轮胎纵向滑动率s

侧偏角α

径向变形ρ车轮外侧角γ车轮转速ω横摆角βt纵向力Fx

侧向力Fy

法向力Fz

侧倾力矩Mx

滚动阻力矩My

回正力矩Mz轮胎运动参数轮胎六分力lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第8页!轮胎模型2、轮胎侧偏角α

：影响轮胎侧向力的一个重要因素。式中：uω

-----轮心前进速度；vω

-----车轮侧向速度。3、轮胎径向变形ρ

：无负载时的轮胎半径与负载时轮胎半径之差。式中：rt

-----无负载时的轮胎半径；rtf

-----负载时的轮胎半径。lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第9页!伯努利方程的含义单位体积空气的总能量守恒：静压动压式中：P

-----气动压强；

ρa

-----空气密度；

v-----空气流速。上部流速高，动压大，所以静压小。下部流速低，动压小，所以静压大。因此飞机能飞起来！lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第10页!车辆受到的空气升力和阻力不同车辆形式的空气升力和阻力lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第11页!车辆空气阻力系数CD车型CD迎风面积A/m2CD*A/m2雪铁龙2CV0.511.650.85大众Beetle0.481.800.87大众Polo0.321.900.61大众GolfⅢ0.301.990.60福特Mondeo0.322.000.64宝马5series(E39)0.272.170.59奔驰-class0.312.380.74欧宝Calibra0.261.900.49现代轿车的空气阻力系数值lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第12页!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。lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第13页!研究内容与评价指标1、纵向动力学

3、横向(操纵)动力学

2、垂向(行驶)动力学

lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第14页!多学科基础轮胎力学空气动力学一般力学学体系lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第15页!车辆动力学的建模方法及基础理论二、分析力学体系：式中：ET、Ev、ED-----系统总动能、总势能、总耗散能；

qi-----描述系统的广义坐标(主变量)；

Qi-----作用于系统的广义力(力或力矩)；

n-----系统方程阶数。式(3)拉格朗日方程

虚功率原理

高斯原理

非完整系统动力学lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第16页!轮胎的基本功能决定一辆汽车如何转向、制动和加速的关键控制力产生于四块不大于人手掌大小的接触区。1、支撑垂直载荷。3、提供加速和制动所需的纵向力。4、提供转向所需的侧向力。2、缓冲路面引起的振动、冲击。lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第17页!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：滑转率滑移率式中：uω

-----轮心前进速度；

rd-----车轮滚动半径；

ω

-----车轮角速度。lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第18页!轮胎模型二、三个比较权威的轮胎模型试图完整描述轮胎力与运动参数之间的数学关系，揭示轮胎的本质特性。如：侧向力=侧偏刚度*侧偏角1、幂指数统一轮胎模型(半经验模型)—郭孔辉院士。2、“魔术公式”轮胎模型(MagicFormulaTireModel)。3、SWIFT轮胎模型。难以准确描述！实际中一般是查阅经验(试验)数据。这样做足够了！lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第19页!车辆上的压力分布车表空气压力分布图(试验法测得)lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第20页!车辆空气阻力系数CDSAEJ1594标准中定义了一个无量纲的空气阻力系数CD。式中：FD

-----空气阻力，N

A-----迎风面积，m2

q

-----动压力，Pa，等于0.5ρa*v2lecture01汽车系统动力学基础共23页，您现在浏览的是第21页!作用在车辆上的气动力和力矩Direction

Force

MomentLongitudinal(x-axis,positiverearward)DragRollingmomentLateral(y-axis,positivetotheright)SideforcePitchingmomentVertical(z-axis,positiveupward)Lift