汽车系统动力学基础

Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题主讲：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Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题一.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%？Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题二.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！Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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、解释现有设计中存在的问题，并找出解决方案。Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题多学科基础轮胎力学空气动力学一般力学学体系Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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；Fi-----外力。式(1)式中：I-----刚体绕某轴的转动惯量矩阵；ω-----刚体的角速度投影矩阵；M0-----外力对于O点的主矩。式(2)牛顿第二定律欧拉方程Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题车辆动力学的建模方法及基础理论二、分析力学体系：式中：ET、Ev、ED-----系统总动能、总势能、总耗散能；qi-----描述系统的广义坐标(主变量)；Qi-----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Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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。Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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、缓冲路面引起的振动、冲击。Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题轮胎模型轮胎纵向滑动率s侧偏角α径向变形ρ车轮外侧角γ车轮转速ω横摆角βt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Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题轮胎模型一、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：uω-----轮心前进速度；rd-----车轮滚动半径；ω-----车轮角速度。Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题轮胎模型2、轮胎侧偏角α：影响轮胎侧向力的一个重要因素。式中：uω-----轮心前进速度；vω-----车轮侧向速度。3、轮胎径向变形ρ：无负载时的轮胎半径与负载时轮胎半径之差。式中：rt-----无负载时的轮胎半径；rtf-----负载时的轮胎半径。Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题轮胎模型二、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(MagicFormulaTireModel)。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！Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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；ρa-----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，所以静压大。因此飞机能飞起来！Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题车辆上的压力分布车表空气压力分布图(试验法测得)Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题车辆空气阻力系数CDSAEJ1594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，NA-----迎风面积，m2q-----动压力，Pa，等于0.5ρa*v2Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题车辆空气阻力系数CD车型CD迎风面积A/m2CD*A/m2雪铁龙2CV0.511.650.85大众Beetle0.481.800.87大众Polo0.321.900.61大众GolfⅢ0.301.990.60福特Mondeo0.322.000.64宝马5series(E39)0.272.170.59奔驰-class0.312.380.74欧宝Calibra0.261.900.49现代轿车的空气阻力系数值Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题作用在车辆上的气动力和力矩DirectionForceMomentLongitudinal(x-axis,positiverearward)DragRollingmomentLateral(y-axis,positivetotheright)SideforcePitchingmomentVertical(z-axis,positiveupward)LiftYawingmomentLecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题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。Lecture01:BasisofVehicleSystemDynamicsSUBTITLES概述充气轮胎动力学空气动力学基础一般力学复习题复习题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。