汽车系统动力学习题答案

1.汽车系统动力学发展趋势随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车的舒适性、可靠性以及安全性也提出越来越高的要求，这些要求的实现都与汽车系统动力学相关。汽车系统动力学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有车辆在垂向和横向两个方面的动力学内容，随着多体动力学的发展及计算机技术的发展，使汽车系统动力学成为汽车CAE技术的重要组成部分，并逐渐朝着与电子和液压控制、有限元分析技术集成的方向发展，主要有三个大的发展方向：（1）车辆主动控制车辆控制系统的构成都将包括三大组成部分，即控制算法、传感器技术和执行机构的开发。而控制系统的关键，控制律则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合。（2）多体系统动力学多体系统动力学的基本方法是，首先对一个由不同质量和几何尺寸组成的系统施加一些不同类型的连接元件，从而建立起一个具有合适自由度的模型；然后，软件包会自动产生相应的时域非线性方程，并在给定的系统输入下进行求解。汽车是一个非常庞大的非线性系统，其动力学的分析研究需要依靠多体动力学的辅助。（3）“人—车—路”闭环系统和主观与客观的评价采用人—车闭环系统是未来汽车系统动力学研究的趋势。作为驾驶者，人既起着控制器的作用，又是汽车系统品质的最终评价者。假如表达驾驶员驾驶特性的驾驶员模型问题得到解决后，“开环评价”与“闭环评价”的价值差别也许就不存在了。因此，在人—车闭环系统中的驾驶员模型研究，也是今后汽车系统动力学研究的难题和挑战之一。除驾驶员模型的不确定因素外，就车辆本身的一些动力学问题也未必能完全通过建模来解决。目前，人们对车辆性能的客观测量和主观之间的复杂关系还缺乏了解，而车辆的最终用户是人。因此，对车辆系统动力学研究者而言，今后一个重要的研究领域可能会是对主观评价与客观评价关系的认识2.目前汽车系统动力学的研究现状汽车系统动力学研究内容范围很广，包括车辆纵向运动及其子系统的动力学响应，还有车辆垂向和横向动力学内容。及行驶动力学和操纵动力学。行驶动力学研究路面不平激励，悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰运动；操纵动力学研究车辆的操纵稳定性，主要是轮胎侧向力有关，引起的车辆侧滑、横摆、和侧倾运动。汽车系统动力学的研究可以分为三个阶段：阶段一（20世纪30年代）①对车辆动态性能的经验性的观察②开始注意到车轮摆振的问题③认识到车辆舒适性是车辆性能的一个重要方面阶段二（30年代—50年代）①了解了简单的轮胎力学，给出了轮胎侧偏角的定义②定义不足转向和过度转向③建立了简单的两自由度操纵动力学方程④开展了行驶平顺性研究，建立了K2实验台，⑤引入前独立悬架阶段三（1952年以后）①通过试验结果和建模，加深了对轮胎特性的了解②在两自由度操纵模型的基础上，建立了包括侧倾的三自由度操纵动力学方程③扩展了对操纵动力学的分析，包括稳定性和转向响应特性分析④开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测随着计算机技术的发展,复杂的模型得到了明确的表达的方便的求解。随后的发展中，逐步引进ABS（防抱死制动系统）,TCS(驱动力控制系统),ASR（防滑转控制）,DCS(动力学控制),PPS(液压助力)等技术，不断地推动着汽车工业的发展。3.系统状态方程表达及可控性和可观性判断状态方程表达式：其中，X为对于同一个系统，状态变量的选取并不是唯一的，关键是这些变量要相互独立，而且其个数等于微分方程的阶数。4.分析建立汽车直线制动时的数学模型应该考虑哪几个自由度？答：uvwpqr√×××√×需要考虑行驶方向和绕y轴的俯仰两个自由度。5.ABS和ASR的作用于有何异同？今后的发展趋势如何？答：相同点：都是通过控制车轮相对地面的滑动以使车轮与地面的附着力保持较大值的同时又具有良好的侧向稳定性。不同点：1、作用结果不同：ABS用于控制汽车制动时的“拖滑”和保持汽车在制动时的转向性，提高制动效果和制动时的安全性；ASR是控制车轮驱动时的“滑转”，用于提高汽车起步、加速及在滑溜路面上行驶时的牵引力和确保行驶的稳定性。2、作用对象不同：ABS通过控制车轮的制动力大小来抑制制动轮与地面的滑动；而ASR只对驱动轮实施制动控制。3、作用域及作用时间不同：ABS在汽车制动时工作，在车轮出现抱死时起作用，当车速很低时不起作用；ASR在汽车行驶过程中都工作，在车轮出现滑转时起作用。发展趋势：1、和电子制动力分配EBD(ElectricBrakeforceDistribution)集成,形成ABS/ASR/EBD系统,可以明显改善并进步ABS的功效。2、和电子稳定性程序ESP(ElectronicStabilityProgram)系统集成,形成ABS/ASR/ESP综合控制系统,可解除汽车制动、起步和转向时对驾驶员的高要求。3、和汽车巡航自动控制ACC(AdaptiveCruiseControl)系统集成,形成ABS/ASR/ACC综合控制系统,可解除汽车制动、起步和保持安全车距方面对驾驶员的高要求。6.与普通的前轮转向系统相比，四轮转向系统有什么优点？主要目的是改善整车的转向特性和响应特性。把后轮与前轮同相位转向，可以减小车辆转向时的旋转运动（横摆），改善高速行驶的稳定性。把后轮与前轮逆相位转向，能够改善车辆中低速行驶的操纵性，提高快速转向性。四轮转向的目的:①由于0k1时，侧向加速度及横摆角速度的稳态增益均比前轮转向汽车下降1-k倍，不足转向量增大。高速时后轮与前轮具有同向转角的4WS车具有更好的稳定性；②减小低速时的转弯半径，提高转弯的灵活性；③减小各种外部干扰对驾驶员驾驶操作的影响。7.操纵稳定性的主动控制的方式有哪些？各有什么优缺点？1.ABS控制轮胎的制动力，可以防止制动车轮抱死及制动稳定性的更丧失。2.ASR控制轮胎的驱动人力，可以避免驱动车轮滑转，提高驱效能和安全性。3.4WS控制四个车轮上纵向的有无、大小、方向及分配，可以保证车辆在各种运动工况下的稳定性并提高操纵性能。4.ARC主动改变是悬架的抗侧倾特性，可以保证车身的正常姿势，并间接地改善汽车的转弯性能。5.VDC控制轮胎的侧向力，可以改善汽车转向操纵性能并提高抗侧向干扰能力。6.ESP电子稳定性控制系统。除了ABS和ASR的优点之外，VDC还在以下几方面改善主动驾驶安全性：a.即使在临界的侧向动态状况也能提供给驾驶员一种主动的支持。b.在所有工作模式达到极限状态时也可增强车辆的操纵稳定性和行驶能力。c.即使在极端的转向操作中，也可增强车辆的稳定性，使滑溜的危险迅速减少。d.改善车辆的驱动能力并缩短制动距离。8.为什么要设计车辆动力学控制系统？它对提高汽车的性能主要表现在哪些方面？车辆动力学稳定性控制(VDC)出现,它兼容了ABS和TRC的优势功能,使车辆在各种路面和各种工况下都获得良好的操纵稳定性和方向性,大大降低交通事故的发生及其伤害。当汽车的运动处在极限状况的非线性状态时,如在高速大转弯、换车道、超车、转弯刹车时,存在单独车轮的侧偏刚度迅速下降,汽车对驾驶员操纵失去应有的响应,车辆的运行状态偏离驾驶员期望的行驶状态,尤其在冰雪等低附着路面条件下,容易导致过度转向或不足转向,车辆发生危险。VDC电子控制单元在上述情况发生时,根据方向盘转角传感器、制动主缸压力传感器的信号、油门踏板位置判断驾驶员的驾驶意图,估算出驾驶员期望的汽车行驶状态值。再根据检测得到的实际汽车状态与期望的汽车状态的差值,通过反馈控制逻辑计算出稳定横摆力矩,然后在单独车轮上面施加滑移率控制,直接调节车辆的侧向受力情况,使汽车按驾驶员预定的轨迹行驶,保证车辆的行驶安全。研究表明,车辆动力学稳定控制系统能够大幅度提高车辆的操纵稳定性和安全性,能够适应各种路面和行驶工况,取得了良好的主动控制效果。9.车轮跳动对汽车前轮定位参数的影响进行仿真分析一般来说，当车轮上下跳动时，瞬时摆动中心的位置将发生变化，瞬时中心位置的改变又会引起车轮在上下跳动时倾角的非线性变化如果上下臂相等，瞬时中心的位置将保持不变；如果上下臂相等且倾角相同，则车轮上下跳动时两个定位角度保持不变10.主动悬架与被动悬架比较？被动式悬架，刚度和阻尼不能随频率而调节，因而即使采用优化方法来设计也只能把其性能改善到一定的程度。主动式悬架也可称为“可调悬架”，它主要通过各种反馈信息实现悬架刚度和阻尼值的可调，以同时改善了汽车行驶的舒适性和安全性，但是主动式悬架的执行机械需要选用高精度的液压伺服缸，需要复杂的传感器和仪器设备，需要较多的外部动力来控制执行机构，故其成本很高结构复杂，可靠性影响因素多11.悬架对汽车性能的影响是什么？其发展趋势怎样？悬架是汽车的重要总成之一，它对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性有着极其重要的影响，悬架系统的基本功能：1．缓和路面不平的冲击，使汽车行驶平顺、乘坐舒适；2．车轮跳动时使车轮定位参数变化小，保证良好的操纵稳定性；3．使车轮与地面有良好附着性，较小车轮动载变化，以保证良好的安全性。被动悬架无外部能量消耗，但刚度和阻尼不能随频率而调节；主动悬架，能快速响应调节，但耗能较大；半主动悬架，调节响应较快，耗能较少，将会是目前一段时间内发展的方向。12.怎样用数学模型描述轮胎的动力学特性，其目的是什么？在物理模型中，轮胎通常被简化成一系列理想化和具有给定的物理特性的径向排列的弹性单元体。必要的话，还要给出这些弹性单元体在道路表面的滑动能力，以及由于相邻单元体连结或包络的胎面而引起的约束，旨在根据轮胎与路面之间的相互作用机理和力学关系建立模型，以模拟力或力矩产生的机理和过程13.汽车前轮摆振现象是怎样产生的，其主要原因？所谓的汽车前轮摆振就是汽车行驶中，前转向轮有时会发生其主销作周期性的角振动1周期变化的激振动车轮不平衡质量产生的离心惯性力；车轮陀螺力矩；悬架与转向杆系统运动关系不协调也引起车轮绕主销摆振；2偶然和单次性激励当汽车直线行驶时，汽车受偶然的侧向阵风或汽车传输线受侧向路面障碍作用下，车轮会发生起始偏转14.研究轮胎动力学的意义何在？现代轮胎是一个复杂的粘弹性结构，具有明显的非线性特性。由于轮胎材料和结构及其与路面的相互作用的复杂性，以及轮胎力学特性对车辆动力学的重要影响，有必要对轮胎的动力学进行研究。