lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)

主講：王文林教授

南昌大學(xué)機電工程學(xué)院------車輛工程技術(shù)研究中心汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!一.汽車是一種復(fù)雜產(chǎn)品為什么要研究汽車系統(tǒng)動力學(xué)？容量：210L額定制熱量：5320W額定出水溫度：55℃最高出水溫度：100℃太陽光吸收率：95%？lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!二.我們期望汽車具有什么樣的性能？怎樣達到設(shè)計目標？為什么要研究汽車系統(tǒng)動力學(xué)？樣機控制設(shè)計性能優(yōu)良的汽車初步設(shè)計試驗評價理論評價計算理論車輛系統(tǒng)動力學(xué)是基礎(chǔ)！lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!1、描述車輛的動力學(xué)性能。為什么要研究汽車系統(tǒng)動力學(xué)？三、研究車輛動力學(xué)，為車輛設(shè)計、控制服務(wù)：2、預(yù)測車輛性能并由此產(chǎn)生一個最佳設(shè)計方案。3、解釋現(xiàn)有設(shè)計中存在的問題，并找出解決方案。lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!研究內(nèi)容與評價指標動力性、燃油經(jīng)濟性安全性：制動、驅(qū)動、操縱穩(wěn)定性、被動安全性舒適性：平順性、NVH機動性：通過能力可靠性、耐久性lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!車輛動力學(xué)的建模方法及基礎(chǔ)理論一、牛頓矢量力學(xué)體系：式中：m-----質(zhì)點系總質(zhì)量；

r-----質(zhì)心位移；

Fi-----外力。式(1)式中：I-----剛體繞某軸的轉(zhuǎn)動慣量矩陣；

ω-----剛體的角速度投影矩陣；

M0-----外力對于O點的主矩。式(2)牛頓第二定律

歐拉方程

lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!車輛動力學(xué)的建模方法及基礎(chǔ)理論三、多體系統(tǒng)動力學(xué)1、以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)。3、由計算機建立動力學(xué)方程并進行求解。2、多剛體、柔體的運動；采用分布參數(shù)體系。4、ADAMS、SIMAPCK等。lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!輪胎模型輪胎縱向滑動率s

側(cè)偏角α

徑向變形ρ車輪外側(cè)角γ車輪轉(zhuǎn)速ω橫擺角βt縱向力Fx

側(cè)向力Fy

法向力Fz

側(cè)傾力矩Mx

滾動阻力矩My

回正力矩Mz輪胎運動參數(shù)輪胎六分力lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!輪胎模型2、輪胎側(cè)偏角α

：影響輪胎側(cè)向力的一個重要因素。式中：uω

-----輪心前進速度；vω

-----車輪側(cè)向速度。3、輪胎徑向變形ρ

：無負載時的輪胎半徑與負載時輪胎半徑之差。式中：rt

-----無負載時的輪胎半徑；rtf

-----負載時的輪胎半徑。lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!伯努利方程的含義單位體積空氣的總能量守恒：靜壓動壓式中：P

-----氣動壓強；

ρa

-----空氣密度；

v-----空氣流速。上部流速高，動壓大，所以靜壓小。下部流速低，動壓小，所以靜壓大。因此飛機能飛起來！lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!車輛受到的空氣升力和阻力不同車輛形式的空氣升力和阻力lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!車輛空氣阻力系數(shù)CD車型CD迎風(fēng)面積A/m2CD*A/m2雪鐵龍2CV0.511.650.85大眾Beetle0.481.800.87大眾Polo0.321.900.61大眾GolfⅢ0.301.990.60福特Mondeo0.322.000.64寶馬5series(E39)0.272.170.59奔馳-class0.312.380.74歐寶Calibra0.261.900.49現(xiàn)代轎車的空氣阻力系數(shù)值lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!車輛空氣動力學(xué)的研究內(nèi)容1、通過車身外部造型、流體控制和內(nèi)部流通管道的設(shè)計來↓車輛的空氣阻力。2、盡可能增加向下的氣動壓力來↑輪胎附著性，同時↓對輪胎側(cè)偏力的影響。3、空氣動力學(xué)試驗(比例模型或全尺寸車輛)，以及對試驗結(jié)果的分析。4、研究空氣動力學(xué)與底盤設(shè)計及車輛使用之間的關(guān)系與影響。lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!研究內(nèi)容與評價指標1、縱向動力學(xué)

3、橫向(操縱)動力學(xué)

2、垂向(行駛)動力學(xué)

lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!多學(xué)科基礎(chǔ)輪胎力學(xué)空氣動力學(xué)一般力學(xué)學(xué)體系lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!車輛動力學(xué)的建模方法及基礎(chǔ)理論二、分析力學(xué)體系：式中：ET、Ev、ED-----系統(tǒng)總動能、總勢能、總耗散能；

qi-----描述系統(tǒng)的廣義坐標(主變量)；

Qi-----作用于系統(tǒng)的廣義力(力或力矩)；

n-----系統(tǒng)方程階數(shù)。式(3)拉格朗日方程

虛功率原理

高斯原理

非完整系統(tǒng)動力學(xué)lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!輪胎的基本功能決定一輛汽車如何轉(zhuǎn)向、制動和加速的關(guān)鍵控制力產(chǎn)生于四塊不大于人手掌大小的接觸區(qū)。1、支撐垂直載荷。3、提供加速和制動所需的縱向力。4、提供轉(zhuǎn)向所需的側(cè)向力。2、緩沖路面引起的振動、沖擊。lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!輪胎模型一、輪胎運動參數(shù)1、縱向滑移率s：表示車輪相對于純滾動或純滑動狀態(tài)的偏離程度。它是影響輪胎產(chǎn)生縱向力的一個重要因素。驅(qū)動時：制動時：滑轉(zhuǎn)率滑移率式中：uω

-----輪心前進速度；

rd-----車輪滾動半徑；

ω

-----車輪角速度。lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!輪胎模型二、三個比較權(quán)威的輪胎模型試圖完整描述輪胎力與運動參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，揭示輪胎的本質(zhì)特性。如：側(cè)向力=側(cè)偏剛度*側(cè)偏角1、冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型(半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?—郭孔輝院士。2、“魔術(shù)公式”輪胎模型(MagicFormulaTireModel)。3、SWIFT輪胎模型。難以準確描述！實際中一般是查閱經(jīng)驗(試驗)數(shù)據(jù)。這樣做足夠了！lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!車輛上的壓力分布車表空氣壓力分布圖(試驗法測得)lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!車輛空氣阻力系數(shù)CDSAEJ1594標準中定義了一個無量綱的空氣阻力系數(shù)CD。式中：FD

-----空氣阻力，N

A-----迎風(fēng)面積，m2

q

-----動壓力，Pa，等于0.5ρa*v2lecture01汽車系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)共23頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!作用在車輛上的氣動力和力矩Direction

Force

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