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汽车系统动力学基础 Lecture01: Basis of Vehicle System Dynamics SUBTITLES 概 述 充气轮胎动力学 空气动力学基础 一 般 力 学 复 习 题 南昌大学机电工程学院 ------车辆工程技术研究中心 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% ？ 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！ 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。 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 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 多学科基础 轮胎力学 空气动力学 一般力学 学体系 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； F i -----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； M 0 -----外力对于O点的主矩。 式(2) 牛顿第二定律 欧拉方程 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 、E v 、ED -----系统总动能、总势能、总耗散能； q i -----描述系统的广义坐标(主变量)； Q i -----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 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。 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。 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 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：u ω -----轮心前进速度； r d -----车轮滚动半径； ω -----车轮角速度。 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：u ω -----轮心前进速度； v ω -----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：r t -----无负载时的轮胎半径； r tf -----负载时的轮胎半径。 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(Magic Formula Tire Model)。 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