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1、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,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
2、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；-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：
3、,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、
4、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,径向变形,车轮外侧角,车轮转速,横摆角t,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-轮心前进速度；r d-车轮滚动半径；-车轮角速度。,轮胎模型,2、轮胎侧偏角：影响轮胎侧向力的一个重要因素。,式中：u-轮心前进速度；v-车轮侧向速度。,3、轮胎径向变形：无负载时的轮胎半径与负载时
5、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！,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；a-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
6、压大。,因此飞机能飞起来！,车辆上的压力分布,车表空气压力分布图(试验法测得),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,车辆空气阻力系数 CD,SAEJ1594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0.5a*v2,车辆空气阻力系数 CD,现代轿车的空气阻力系数值,作用在车辆上的气动力和力矩,Direction Force MomentLongitudinal(x-axis,positive rearward)Drag Rolling moment Lateral(y-axis,positive to th
7、e right)Sideforce Pitching momentVertical(z-axis,positive upward)Lift Yawing moment,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。,复习题,1为什么要研究汽车系统动力学?2你能说出多少对汽车动力学性能进行评价的参数？3、汽车轮胎的作用是什么？4、试用公式说明汽车轮胎滑动率的物理意义。5、试用公式说明汽车的空气阻力系数。,
