汽车系统动力学复习

汽车系统动力学1.车辆系统动力学研究的内容和范围有哪些？研究内容：（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；车辆内各子系统的相互作用； （3）车辆系统最佳控制和最佳使用；（4）车辆－人系统的相互匹配和模型研究、驾驶员模型、人机工程等。研究范围：（1）车辆纵向运动及其子系统的动力学响应(如发动机、传动、加速、制动、防抱死和牵引力控制系统等方面的因素)；（2）车辆在垂向和横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学和操纵动力学。2.纵向动力学、行驶动力学和操纵动力学研究的内容有哪些？答：纵向动力学研究车辆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。按车辆工况的不同，可分为驱动动力学和制动动力学两大部分。行驶动力学主要研究由路面的不平激励，通过悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的运动；而操纵动力学研究车辆的操纵特性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引起车辆侧滑、横摆和侧倾运动。3.车辆系统动力学涉及哪些理论基础？答：（1）牛顿矢量力学体系（2）分析力学体系（3）虚功率原理（4）高斯原理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？有何区别？简单写出多刚体系统动力学在车辆系统动力学研究中的一个应用、答：多体系统动力学(包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学)是研究多体系统(一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成)运动规律的科学。多刚体系统动力学特点：多刚体系统动力学的研究对象一般为比较复杂的多体系统，其结构和连接方式也是多种多样的，建立动力学方程很困难；并且，系统的动力学方程多为高阶非线性方程，动力学方程的建立和求解都必须由计算机去完成。多柔体系统动力学特点：多柔体系统动力学是多刚体系统动力学、分析力学、连续介质力学、结构动力学等多学科交叉发展的产物。多柔体系统与多刚体系统的区别是：它包含了柔性部件，其变形不可忽略，其逆运动学具有不确定性；它与结构力学的区别是，部件在自身变形运动的同时，在空间中经历着大的刚性移动和转动，刚性运动和变形运动相互影响、强烈耦合。多柔体系统是一个时变、高度耦合、高度非线性的复杂系统，其理论和方法有着自己的独特性。多柔体系统动力学研究可变形体和刚体所组成的系统在经历大范围空间运动时的动力学行为。多刚体系统动力学是将系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各部件连接点(铰接点)处的弹性、阻尼等影响；而多柔体系统动力学则在此基础上还要进一步考虑部件的变形。多刚体系统动力学侧重的是“多体”方面，研究各个物体刚性运动之间的相互作用及其对系统动力学行为的影响；多柔体系统动力学则侧重“柔性”方面，研究柔性体变形与其整体刚性运动的相互作用或耦合，以及这种耦合所导致的独特的动力学效应。应用：对汽车悬架动力学的分析，可将垂向、纵向及侧向的运动分析统一在同一模型中，将悬架对车辆的行驶平顺性、制动性及操纵稳定性的影响综合起来研究。5.简述车辆建模的目的？答：描述车辆的动力学特性，预测车辆性能并由此产生一个最佳设计方案；解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。6.何谓轮胎侧偏角？何为轮胎侧偏刚度？影响轮胎侧偏的因素有哪些？答：轮胎侧偏角是影响轮胎侧向力的一个重要因素，定义为车轮平面与车轮中心运动方向的夹角，顺时针方向为正，用α表示。在小侧偏角的情况下，轮胎侧向力与侧偏角近似成比例，其比值称为轮胎侧偏刚度。影响侧偏的因素：1.侧向载荷的影响。2.车轮定位的影响。7.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？答：轮胎模型描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系，即轮胎在特定工作条件下的输入和输出之间的关系。根据车辆动力学研究内容的不同，轮胎模型可分为：(1)轮胎纵滑模型(2)轮胎侧偏模型和侧倾模型(3)轮胎垂向振动模型需考虑的因素：1)在基本的线性操纵动力学模型中，轮胎只需产生与垂向载荷和侧偏角呈线性关系的侧向力(包括回正力矩)。2)如果车辆模型考虑了车轮载荷重新分配的影响，那么轮胎模型还必须包括侧向力与轮胎垂向载荷的关系。3)如果建模中还考虑了车身侧倾角与车轮外倾角的关系，那么轮胎模型中必须包含车轮外倾对轮胎力的影响。4)在非线性域分析中(即侧向加速度大于0.3g时)，随着车辆模型复杂程度和精度的进一步提高，轮胎模型必须能充分考虑大侧偏角情况下的受力情况，并对其进行精确计算。5)如果车辆模型包括纵向自由度，那么轮胎模型必须能产生纵向力。因此，在需要同时考虑纵向力和侧向力的联合工况下，轮胎模型必须能够在两个方向准确地分配所能获得的轮胎力。8.简述轮胎噪声产生的机理？答：(1)空气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间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，胎齿便由高变形状态下恢复，从而引起胎面噪声，此为主要的轮胎噪声源。同时，胎体振动、胎面花纹沟、花纹凸块空隙就像谐振管一样，也促进了轮胎的噪声辐射。9.画出轮胎坐标系并标出六分力。答：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？试分析空气阻力对汽车动力学性能的影响？答：车辆空气动力学的主要研究内容：1)通过车身外部造型、流体控制和内部流通管道的设计来减小车辆的空气阻力。2）在空气阻力一定的情况下，尽可能增加向下的气动压力以提高轮胎附着性，但同时减小对轮胎侧偏力的影响。3)比例模型或全尺寸车辆空气动力学试验，以及对试验结果的分析。4)研究空气动力与底盘设计及车辆使用情况之间的相互关系及影响。阻力：车辆在路面上行驶时所受到的总的空气阻力由压差阻力分量(包括形状阻力、内循环阻力和诱导阻力)和摩擦阻力两大部分组成。原因：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端流体分离产生的尾涡有关。运动中车辆不仅被周围的空气所环绕，而且冷却总成和室内通风空调气流也会进出车辆。当冷却系统、发动机、驾驶区和乘客室被气流环绕时，由于摩擦和车辆内部的湍流以及气流分离而产生阻力。诱导阻力是伴随压差阻力所产生的附加阻力。由于空气粘性使其在车身表面产生切向力，它们在行驶方向的合力即为摩擦阻力。影响：11.简述风洞试验的特点？答：风洞试验首先要做出车辆模型，然后安装在风洞的人工流场中，用仪器测量作用在模型上的力和力矩，以及用喷烟或气流染色或贴丝线等办法来观察模型附近流线的变化。风洞一般由动力段、收缩段、试验段以及扩散段组成。动力段的作用是鼓动空气在风洞中流动，以调节试验段中的风速。收缩段的作用是使气流加速，使其达到试验要求的速度。气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现气流分离，阻止旋转，消除涡流，保证出口的气流均匀、平直且稳定。试验段是放置被测车辆实车或模型的部分，是风洞的中心。试验段应能尽可能地模拟车辆的真实流场。扩散段是使气流速度降低，把气流的动能部分地转化为压力能，以减少洞壁的摩擦损失，节省风扇电动机的功率。12.车辆的制动性能主要由哪三个方面评价？试分析汽车制动跑偏的原因。答：1）制动效能，即制动距离与制动减速度。（2）制动效能的稳定性，即抗热衰退性能，它是指车辆高速行驶或下长坡连续制动时保持一定制动效能的程度。（3）制动时的方向稳定性，即制动时车辆不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。它通常用制动时车辆按给定路径行驶的能力来评价。原因：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？标出图示车辆简化扭振系统各部分名称？并说明其主要激振源。答：组成：离合器、变速器、万向节、传动轴、主减速器、差速器、驱动半轴和轮毂，在激励作用下通常会产生弯曲振动和扭转振动。主要激振源是发动机。14.写出货车动力传动系统的动力学方程，并写出刚度阵等。15.路面输入模型有几种？各有何特点？写出各自的表达式。答：（1）频域模型，主要用于线性系统的频域分析。（2）时域模型，用于时域仿真分析。1.积分白噪声：2.滤波白噪声：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？答：（1）石块路（比利时路）石块路是汽车行业一致认同的汽车可靠性行驶试验路面，是考核汽车轮胎，悬架系统，车身，车架以及结构部件的强度，振动和可靠性的理想路面。该路面的空间频率高于0.15m-1（波长λ≤6.66m），路面等级为E级，并且路面谱指数小于2。（2）卵石路汽车在卵石路上行驶时，除了引起垂直振动外，不规则分布的卵石还对车轮，转向系统和悬架系统造成较大的纵向和横向冲击。卵石路的路面谱指数接近1，路面等级为F级。（3）扭曲路扭曲路由左右两排互相交错分布的凸块组成，凸块形状有梯形，正弦波形和环锥形等。主要是使汽车产生强烈的扭曲，以检验车辆的车架，车身结构强度和各系统的连接强度，干涉等。扭曲路功率谱密度峰值的带宽可达到6.8~8.3m，峰值功率高达E级。（4）搓板路搓板路每个凸起近似于正弦波,是沙石路上常见的路况，波长范围为0.5~1.1m，主要用于汽车的振动特性，平顺性，可靠性试验。为了造成左右车轮相位差，常将左右两侧的搓板错位布置或斜置某一角度。其峰值功率高达G级。17.简述最新的舒适性评价标准。打：目前最新的舒适性评价标准为ISO2631-1：1997(E)，其基本频率范围扩展到0.5~80Hz，规定了人体坐姿受振模型。新标准同样认为人体受12个轴向的振动分量，对不同轴向分量及不同频率的振动有不同的敏感程度，新标准规定，椅面垂直轴向(zs)频率加权函数的最敏感频率范围为4~12.5Hz，其中4~8Hz频率范围内，人体内脏器官最易产生共振；而8~12.5Hz范围的振动对人体脊椎；影响最大。座椅面水平轴向xs、ys的频率加权函数的最敏感频率范围均为0.5~2Hz，3Hz以下时水平振动比垂直振动更敏感。ISO2631-1：1997(E)标准规定，如果加权后的峰值系数<9时，可直接采用总加权加速度方均根值aw来评价振动对人体舒适和的影响。如果峰值系数大于9时，IS02631-1：1997(E)标准规定采用加权加速度四次方均根值的方法来进行评价，以此来估计偶尔遇到较大冲击时引起的响应峰值振动对舒适性的影响，加权加速度四次方均根值被叫做振动剂量值。18.车辆的平顺性是如何测量的？答：车辆的平顺性由安装于车辆特定部位的加速度传感器进行测量。近年来多采用压电式加速度传感器，并与电荷放大器结合使用，可测量更高频率范围的加速度信号。19.车辆典型的共振频率范围通常是多少？答：车身共振频率1~1.5Hz(当相对临界值的阻尼比约为0.3时)车轮跳动10~12Hz座椅上的乘客4~6Hz悬置的动力总成10~20Hz结构共振频率>20Hz轮胎共振频率30-50Hz和80-100Hz20.车辆行驶动力学模型是如何简化的？试写出1/4,1/2和整车系统垂直振动的微分方程式，并写成矩阵形式。答：1/4模型：1/2模型：21.车辆悬架系统的性能一般用那三个基本参数进行定量评价？其含义是什么？答：1．不舒适性参数(aw)不舒适性参数aw是指经IS02631频率加权后的垂向加速度方均根值。根据ISO2631推荐的加权方法，将不同频率的加速度信号进行加权后求和得到。2．悬架动行程(SWSrms)悬架动行程参数SWSrms，定义为车轮与车身的位移之差的均方根值，即(z1-z2)的均方根值，用于描述相对于静平衡位置的悬架位移变化程度。3．轮胎动载荷(DTLrms)轮胎动载荷参数DTLrms，为相对于静平衡位置的轮胎载荷变化的方均根值。22.被动悬架存在的问题是什么？何谓可控悬架系统（智能悬架系统）？可控悬架系统有几种？各有何特点？写出其系统运动方程。答：被动悬架系统性能不能根据外部信号的变化而改变。可控悬架系统具有调节功能的悬架系统。包括1.车身高度调节系统：车身高度调节系统的主要优点是不论静载如何变化，悬架工作空间可保持恒定或根据需要进行调节。2.自适应阻尼调节系统：采用双活塞减震器。3.可切换阻尼系统：减少减振器阻尼切换时间，可实现复杂控制策略。减振器可在二或三个离散阻尼状态之间实现快速切换，切换时间只需10~20ms。4.全主动系统：采用一个力发生器，称作动器，来取代传统被动悬架中的弹簧和减振器。作动器通常为液动或气动形式，根据控制信号来产生相应大小的作用力。5.有限带宽主动系统：悬架作动器与一传统的可控减振器结合使用，可使其主动作动响应的频宽为0~6Hz。有限带宽主动悬架作动器响应相对来说“慢”，因而也称为“慢主动悬架”。为使悬架在超过可控带宽时仍起作用，作动器还必须与一普通弹簧串联，同时也因此减少了系统的能量需求。6.连续可变阻尼的半主动系统:连续可变阻尼的半主动悬架，其减振器产生的阻尼力能独立地跟踪力需求信号，而与减振器本身的相对速度无关。23.操纵性能的总体目标和期望的车辆操纵特性是什么？答：操纵性能的总体目标：一是对于风的扰动或不平路面的干扰，车辆所产生的运动响应必须控制在最小范围；二是对驾驶员的输入响应则应达到最优。期望的车辆操纵特性：(1)稳定性伴随着外部干扰，车辆应具有迅速恢复原先稳定状态的能力，并且系统响应时间延迟要小，同时还要保证有适当的阻尼。(2)可操纵性转向时，尽管车辆的控制是由驾驶员通过转向盘来实现的，但实际的作用机理却是通过轮胎侧向力间接实现对车辆的转向运动控制。因此，任何不利于轮胎力生成与转向盘运动关系的因素，都将会降低车辆的可操纵性和可控制性。(3)一致性汽车运行的外部输入条件变化范围广泛，如不同的路面及天气条件等，这里所提的一致性，是指人们期望汽车的操纵行为能始终表现如一。如果汽车在外部条件变化时仍能保持一致的行为模式，就能降低操纵难度，减轻驾驶员的驾驶负担。(4)常规性驾驶员对某辆车的操纵性能都会有一些比较明确的估计或期望。当首次驾驶一辆新车时，期望其性能最好与其他同类车辆相差不大，这样会比较省事且安全。24.基本操纵模型假设和存在的最大问题是什么？答：假设：（1）假设车辆行驶在平坦路面，即无垂向路面不平度输入，因而可以忽略与行驶动力学相关的垂向力影响及耦合作用。（2）包括悬架系统在内的车辆结构是刚性的。（3）忽略了转向系统，将输入直接施加于车轮；或者假设转向系统为刚性，然后以固定的传动比，将输入通过转向盘施加于转向轮。（4）忽略了空气动力。（5）车辆仅受平衡状态(如直线行驶或稳态转向)附近的小扰动，前轮输入转角足够小，而保证车辆运动方程为线性的。问题：（1）忽略了簧载质量的侧倾运动及其相关影响。（2）由于基本模型中没有考虑轮胎的左右载荷转移，也就不必考虑车辆的宽度，即轮距的影响。25.车辆操纵特性分析一般进行哪三种分析？其内容是什么？答：（1）稳态响应分析：稳定