行驶动力学模型车辆系统动力学课件.ppt

1、1汽车系统动力学 马天飞第第 十十 一一 章章行行 驶驶 动动 力力 学学 模模 型型2第一节 模型推导的前提n 车辆系统振动频率范围的划分车辆中的振动现象015Hz刚体运动15150Hz板件、弹性结构振动150Hz以上噪声车辆各子系统的模态频率范围车身刚体频率11.5Hz车轮跳动频率1012Hz座椅上的乘客46Hz动力总成悬置系统1020Hz汽车系统动力学 马天飞3n 模型推导的前提建模的目的 设计者通过协调相互矛盾的性能指标，实现悬架系统的最优设计。悬架系统的设计参数悬架刚度阻尼簧载质量与非簧载质量之比橡胶限位块的特性：典型的非线性特性轮胎特性衬套刚度：主要影响高频传递特性汽车系统动力学

2、马天飞6n 二自由度单轮车辆模型车身刚体用三个质量模拟需满足以下条件总质量不变质心位置不变转动惯量不变此时，前后轴垂直方向的运动相互独立，得到单轮模型。汽车系统动力学 马天飞7n 悬架设计的频率范围主要针对悬架设计而进行的刚体系统动力学研究，其研究的频率范围为0.2515Hz。其原因是悬架无法滤除0.25Hz以下的输入，因此不作考虑；车身弹性结构的固有频率一般从15Hz开始。频率上限为15Hz，就意味着路面输入的最短波长为车速的1/15（=v/f）。正常行驶状态下，最短波长远大于轮胎与路面的接触印迹（约为0.2m），因此可以将轮胎的垂向动力学特性简化为忽略了阻尼的弹簧。汽车系统动力学 马天飞8

3、第二节 单轮车辆模型的推导n 运动方程用牛顿定律导出单轮车辆模型的运动方程汽车系统动力学 马天飞)()()()()(21s21s2b21s21s10t1wzzCzzKzmzzCzzKzzKzm 9n 系统的频率响应函数整理方程，并对两端进行付式变换，得到用矩阵形式表达的单轮模型运动方程可以求出车轮和车身位移的频率响应z1/z0和z2/z0，见175页公式（11-19和11-20）。以下平顺性指标均可利用z1、z2求出。车身加速度的频率响应悬架的相对位移（z2-z1）轮胎动载荷 Kt(z1-z0)汽车系统动力学 马天飞0)()(0t212bssssss2wtsszKzzmKiCKiCKiCmKK

4、iC2z 10n 系统对路面谱密度输入的响应根据路面功率谱密度输入，求解该线性系统的输出。输出的功率谱等于输入谱乘以系统频响函数模的平方。输出变量的均方根值等于其谱密度函数在整个频率范围内积分值的开方。汽车系统动力学 马天飞11n 系统的性能指标悬架的主要功能保证良好的乘坐舒适性和稳定的轮胎载荷；将悬架行程控制在允许的限度内；在非稳态工况中保持车身姿态。悬架性能的评价参数不舒适性参数：车身垂向加速度的频率加权方均根值；悬架动行程：车轮与车身位移之差的方均根值。轮胎动载荷：相对于静平衡位置的轮胎载荷变化的方均根值。汽车系统动力学 马天飞12n 福特Granada轿车后悬架单轮模型模型参数见表11

5、-1。某典型路面输入谱密度函数（公式11-21）。假设车辆匀速行驶，可以得到路面的时间频率谱（公式11-22）。假设频率增量为0.5Hz，可以得到不同频率下的正弦波幅值Z0。进而计算出不同频率下的车身垂向位移和加速度及加权加速度方均值。汽车系统动力学 马天飞13n 单轮模型计算结果频率响应函数和响应功率谱密度汽车系统动力学 马天飞14n 悬架刚度和阻尼对系统响应的影响低的固有频率和阻尼比可获得高的舒适性；但所需的工作空间增大；轮胎动载荷达到最小值时，附着性能最佳。汽车系统动力学 马天飞单轮模型计算结果15n 悬架动行程等值曲线设计悬架时，首先必须把悬架部件安装在有限的空间内，还要留出足够的悬架

6、工作行程。确定动行程方均根值本例中，悬架相对于静平衡位置的允许最大行程是9cm，根据路面输入的高斯特征及3原则，悬架动行程的均方根值为0.03m。获得fn和的匹配方案在图11-7a中查出悬架动行程为0.03m的四种悬架方案。汽车系统动力学 马天飞单轮模型计算结果16n 悬架动行程等值曲线得到az和DTL的方均根值在11-7bc图中查出这四种方案的不舒适性参数和轮胎动载荷。画出动行程的等值曲线。显然，方案2和3为较好方案。但在实际中并没有应用刚度不足，静态位移过大；悬架太软，转弯侧倾过大。汽车系统动力学 马天飞单轮模型计算结果17n 扩展的悬架动行程等值曲线标明了定刚度和定阻尼曲线。汽车系统动力

7、学 马天飞单轮模型计算结果18n 扩展的悬架动行程等值曲线（续）性能包络线中点P代表了该系统“基准车辆参数”下的性能。运动型跑车具有大阻尼大刚度，悬架工作区通常位于矩阵图的左上方区域；高档豪华轿车阻尼小刚度小，悬架工作区通常位于矩阵图的右下方区域。汽车系统动力学 马天飞单轮模型计算结果19n 自适应悬架系统对于不同的路面输入和车速，悬架系统的参数应有不同的匹配方案。固定参数系统与自适应系统的性能比较汽车系统动力学 马天飞单轮模型计算结果20第三节 半车模型的推导及分析n 运动方程包括车身质心垂向、俯仰和前后车轮的运动。汽车系统动力学 马天飞rfbhprfbhbr30rtr3wrf10ftf1w

8、f)()(bFaFIFFzmFzzKzmFzzKzm 21n 运动方程用前、后车身和前、后车轮的跳动自由度描述。汽车系统动力学 马天飞rhp2hbfhphb4r30rtrwr3rhphbfhp2hb2f10ftfwf111)(111)(1FIbmFIabmzFzzKmzFIabmFIamzFzzKmz 22n 半车模型计算结果福特轿车半车模型的系统特征值（传统被动悬架）汽车系统动力学 马天飞23n 半车模型计算结果（续）福特轿车半车模型的系统响应功率谱密度汽车系统动力学 马天飞单轮模型后悬架计算结果24n 半车模型计算结果（续）福特轿车半车模型的频率响应函数汽车系统动力学 马天飞后悬架单轮模型车身频响函数半车模型系统有前后轮两个输入，且存在一个相位差，其质心响应相当于前后车身主模态各自频率响应的叠加。25第四节 整车模型的推导及分析n 整车模型包含了七个自由度汽车系统动力学 马天飞26n 整车模型计算结果福特轿车整车模型的系统特征值汽车系统动力学 马天飞27n 整车模型计算结果（续）福特轿车整车模型的系统响应功率谱密度汽车系统动力学 马天飞半车模型车身垂向加速度功率谱密度28n 整车模型计算结果（续）福特轿车三种模型性能指标均方根值比较汽车系统动力学 马天飞