车辆系统动力学试卷

1、系统动力学有哪三个研究内容？（1）优化：已知输入和设计系统的特性，使得它的输出满足一定的要求，可称为系统的设计，即所谓优化。就是把一定的输入通过选择系统的特性成为最优化的输出。（2）系统识别：已知输入和输出来研究系统的特性。（3）环境预测。已知系统的特性和输出来研究输入则称为环境预测。例如对一振动已知的汽车，测定它在某一路面上行驶时所得的振动响应值（如车身上的振动加速度），则可以判断路面对汽车的输入特性，从而了解到路面的不平特性。车辆系统动力学研究的内容是什么？（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。2、车辆建模的目的是什么？（1）描述车辆的动力学特性；（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。车辆系统动力学涉及哪些理论基础？（1）汽车构造（2）汽车理论（3）汽车动力学（4）信号与系统在“时间域”及“频率域”下研究时间函数x(t)及离散序列x(n)及系统特性的各种描述方式，并研究激励信号通过系统时所获得的响应。（5）自动控制理论（6）系统辨识（7）随机振动分析研究随机振动中物理量的描述方法(相关函数、功率谱密度)，讨论受随机激励的振动系统的激励、系统特性、响应三者统计规律性之间的关系。（8）多体系统动力学建立车辆系统动态模型的方法主要有哪几种？数学模型（1）各种数学方程式：微分方程式，差分方程，状态方程，传递函数等。（2）用数字和逻辑符号建立符号模型—方框图。3、路面不平度功率谱密度的表达式有几种？各有何特点？试举出2种以上路面随机激励方法，并说明其特点。（10分）路面功率谱密度的表达形式分为幂函数和有理函数两种（1）路面不平度的幂函数功率谱密度ISO/DIS8608和国家标准GB7031-1987《车辆振动输入路面平度表示方法》中建议采用垂直位移单边功率谱密度Gq(n)来描述路面平度的统计特性：Gq(n)=Gq(n0)（n/n0）−W式中：n为空间频率，是波长的倒数，表示每米长度上变化的次数，m−1；n0为参考空间频率，n0=0.1m−1；Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值,称为路面平整度系数，m2/m−1；W为拟合指数。上述两个文件还提出了按路面功率谱密度把路面按不平度分为8级，按频率指数W=2，规定了不同路面不平度系数Gq(n0)的几何平均值。给出了空间频率0.011m−1n2.83m−1范围路面不平度相应的均方根值的几何平均值。（2）路面不平度的有理函数功率谱密度有理函数功率谱密度一阶表达式为Gq(n)=2αρ2π1α2+n2有理函数功率谱密度二阶表达式为Gq(n)=2αρ2πn2+α2+β2（n2−α2−β2）2+4α2n2式中，α为与路面等级有关的参数，m−1；β为与路面等级有关的参数，m−1；ρ为与路面等级有关的参数，m。在幂函数功率谱密度表达式中，当n→0时，功率谱密度不再保持一个有限值，而是趋于无穷大；当n→∞时，功率谱密度为0。而采用有理函数功率谱密度，当n→0时，为有限值；当n→∞时，路面位移功率谱密度函数均衰减为Gq(n)≈1/n2。因此，有理函数功率谱密度可以描述整个空间频率范围内的路面不平度特性。非接触式路面测量装置假如路面的细致纹理也需考虑，则可以采用非接触式测量方法，如激光或超声波方法。路面与测量装置中的质量块间的相对位移可由加速度传感器间接获得。非接触式路面测量装置通常安装在车辆前部的支承横梁上，可安装多个测量装置进行多道同时测量。倾斜测量装置第二章路面输入及其模型可使用一辆双轮小车并配合自立式陀螺仪来测量非路面的不平度。地表面的倾斜度由陀螺仪测量，然后通过积分得出位移。4、何谓轮胎模型？魔术公式轮胎模型有何特点？（6分）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。“魔术公式”轮胎模型的特点：1）用一套公式可以表达出轮胎的各向力学特性，统一性强，编程方便，需拟合参数较少，且各个参数都有明确的物理意义，容易确定其初值。2）无论对侧向力、纵向力还是回正力矩，拟合精度都比较高。3）由于“魔术公式”为非线性函数，参数的拟合较困难，有些参数与垂直载荷的关系也是非线性的，因此计算量较大。4）C值的变化对拟合的误差影响较大。5）不能很好地拟合小侧偏情况下轮胎的侧偏特性。5、轮胎的滚动刚度与静态刚度有何区别？滚动刚度与静态刚度有何关系？（6分）静刚度轮胎的静态垂向刚度由静载荷与变形关系曲线的斜率所决定。当充气压力一定时，除了在极低载荷作用下外，斜交轮胎和子午线轮胎的载荷与变形关系基本上均呈线性特征。可认为在实际载荷范围内，轮胎的垂向刚度不随载荷的变化而变化。滚动动刚度通常可通过考察滚动轮胎对已知简谐振动激励的响应来衡量轮胎的滚动动刚度。响应在轮轴处测量而激励施加于胎面。通过测试输出与输入的幅频和相频特性，来获得滚动轮胎的动刚度和阻尼系数。另一种测量方法是，通过测量轮胎在转鼓或传动带上滚动时的共振频率，来获得滚动轮胎的动刚度。6、车辆空气动力学研究的主要内容有哪些？空气动力对汽车性能有那些影响？为什么？（8分）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。对动力性的影响影响高速时的加速性能和最高车速。对燃油经济性的影响对于A=0.8m2的轿车，ν=65km/h时，55%的能量克服空气阻力；ν=90km/h时，70%的能量克服空气阻力；轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达12%以上。对安全性的影响高速时的加速性能影响行车的安全；空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性；空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。对汽车外观的影响汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形；空气动力学影响着人们的审美观。7、载货汽车的动力传动系统由哪几部分组成？如何建立其扭振系统模型？由其振型图中可以了解到哪些信息？（10分）载货汽车的动力传动系统由发动机、飞轮弹性主动盘、变速器、万向节传动轴、差速器、车辆质量。根据求得的振型画出振型图，并将振型图中振幅为零的质点称为节点。由于节点处的振幅最小，而扭转切应力最大，所以节点处是危险截面。由振型图可以得到危险截面所在的部件8、车辆的平顺性是如何测量的？如何评价车辆行驶的平顺性？（8分）测量方法由安装于车辆特定部位的加速度传感器进行测量。传感器的安装位置应根据需要而定。(1)如果关心的主要是整个车身的振动，传感器安装在车身的刚性部位，以使得测量结果不受安装部位本身结构振动(如地板的弯曲变形等)的影响。(2)如果需要测量高频的结构振动信号，则应将加速度传感器安装在车身板件上。(3)俯仰和侧倾等角振动的测量，可由相隔一段距离的两个加速度传感器测出。(4)对于驾驶员和乘员所受到的振动测量，通常需在座椅和人体之间安装一个衬垫。评价车辆行驶的平顺性9、什么是簧载质量和非簧载质量？（4分）由弹性元件(包括弹簧和减振筒)所承载的质量称为“簧载质量”，主要包括底盘骨架及其他所有弹性部件所承载的质量。而自悬架摆臂或者弹性元件向车轮端延伸的部件，均归属于“非簧载质量”。简单来说，能和车轮一起跳动的部件属于“非簧载质量”，而只能和车身保持相对静止的部件属于“簧载质量”。10、什么是半主动悬架和主动悬架系统？天棚控制、地棚控制和混合控制有何区别？（12分）半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节的悬架。目前，半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测到汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度，由ECU根据控制策略发出脉冲控制信号实现对减振器阻尼系数的有级可调和无级可调。主动悬架是根据汽车的运动状态和路面状态，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。它是在被动悬架中附加一个可控作用力的装置，一般为液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等。天棚控制策略是以抑制车身振动为目的的控制方法，是提高车辆平顺性的有效策略之一。其控制原理为当悬架簧载质量的绝对速度ν1与簧载质量和非簧载质量的相对速度ν12的乘积大于零时，半主动悬架系统产生的可控阻尼力Fsa与簧载质量的绝对速度成正比，否则可控阻尼力等于零。即{Fsa=cskyν1ν1ν12≥0Fsa=0ν1ν120}式中，csky为天棚阻尼系数。天棚控制策略忽略了悬架非簧载质量的振动问题，易造成重载车辆对地面的损伤，降低车辆的道路友好性。与传统天棚控制策略相反，地棚控制策略是一种旨在控制非悬挂质量振动的方法。当悬架非簧载质量的绝对速度ν2与簧载质量和非簧载质量的相对速度ν12的乘积大于零时，半主动悬架系统产生的可控阻尼力Fsa与非簧载质量的绝对速度成正比，否则阻尼力等于零。即{Fgnd=cgndν2−ν2ν12≥0Fgnd=0ν1ν120}式中，cgnd为地棚阻尼系数。地棚控制策略忽略了簧载质量的振动，致使车辆行驶时车身振动加速度增加，降低了车辆行驶平顺性。混合控制策略使可控悬架系统产生的可控阻尼力与簧载质量、非簧载质量的绝对速度同时成正比，从而在使车辆道路友好性基本不变的情况下，提高车辆行驶平顺性与舒适性。基于混合控制策略的可控阻尼力Fh为Fh=G[αFsky+(1−α)Fgnd]式中，Fsky为天棚阻尼力；Fgnd为地棚阻尼力；G为增益常数；α为阻尼力分配系数，通过调整阻尼力分配系数α值，可调节天棚控制力与地棚控制力在混合控制策略中所占的比重，从而在改善车辆行驶平顺性的同时，不会导致车辆道路友好性变差。11、车辆运动过程中，轮胎受到的三个方向作用力的功用是什么？车辆操纵特性分析的内容是什么？（8分）车辆运动过程中，轮胎主要受到纵向、侧向以及垂向三个方向的力和力矩，驾驶员对这些力和力矩的准确控制始终是间接的。轮胎纵向力的作用使车辆加速或减速，驾驶员通过加速踏板和变速机构来控制驱动力的大小，通过制动系统来控制制动力的大小。轮胎侧向力的作用是使车辆转弯，驾驶员通过转向系统使车轮产生一个转向角，以此来控制轮胎的侧向力。同时，单个轮胎在转弯过程中会产生所谓的“回正力矩”。其实，回正力矩对车辆运动的影响并不大，其重要性却在于它能通过转向盘为驾驶员提供了一个反馈力矩。这一反馈信息就是通常所说的“路感”。轮胎垂向力的作用使车辆具有良好的附着性能。（1）稳态响应分析稳定的转弯状态。该状态下，车辆的前进速度和转向角均为定值，从而使车辆以固定的转弯半径转弯行驶。车辆很少能长时间地在这样的稳态工况下行驶。但是，稳态响应特性非常重要，它代表了车辆的基本操纵性能，并被作为一个公认的标准操纵性能试验方法。（2）稳定性分析没有转向角输入的直线行驶状态。通常指高速公路上以中、高速直线行驶的情况。稳定性响应是指在直线行驶条件下，车辆持续受到小的干扰，如风的扰动或不平路面的激励，使其偏离本身平衡状态的程度。车辆不稳定的行为表现实际上还是较为普遍的，比如最常见的铰接车“折叠”，以及轿车与后挂车组成的机组蛇形行驶等现象。车辆对外界扰动的瞬态响应是相当重要的，对于小型车辆，瞬态响应的品质可按“有效方向刚度”和“阻尼特性”来分类。（3）频率响应分析车辆在转向角为正弦输入下的响应。它代表了车辆对转向盘角输入的一般动态响应特征。频率响应函数间接地为车辆对任何形式的转向输入响应提供了一个完整描述。12、应用拉格朗日方程推导下面车辆振动模型的微分方程，并写成矩阵形式。假定车身是一个刚体，车辆在水平面做匀速直线运动，以2个车轮不同激励作为系统输入。（10分）