5-汽车垂向动力学

2009-10-191第五章汽车垂向动力学问题的提出：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，这两者又是相互矛盾的，因而传统的被动悬架优化设计时采取折中的方法，且一旦设计确定就无法改变。主动悬架和半主动悬架的出现可以较好的解决上述问题。同时，悬架的结构型式多样，它的运动学特性会引起汽车前轮定位参数的变化，从而影响汽车的操纵稳定性。因此，本章将从以上三个方面入手讨论这些问题。当然这些都离不开问题数学模型的建立。请看吧！2009-10-192主要内容第五章汽车垂向动力学5.1概述一、悬架系统的基本功能二、悬架系统的分类三、评价指标2009-10-193第五章汽车垂向动力学一、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。悬架系统是指车身与车轴之间连接的所有组合体零件的总称。一般由弹性元件、减振装置和导向机构组成，有些还装有横向稳定杆、缓冲块等。2009-10-194第五章汽车垂向动力学二、悬架系统的分类2.按控制力学的角度可以分为被动悬架和主动悬架两大类。主动悬架--可分为全主动式悬架、半主动悬架、主动阻尼式悬架几种。1.按导向机构型式可分为非独立悬架、独立悬架、复合式悬架（半刚性悬架）三种。独立悬架有单横臂、双横臂、单纵臂、双纵臂、麦克弗逊式、斜臂式等几种。三、评价指标根据汽车整车性能对悬架的要求，通常用以下三个参数来评价悬架的优劣，即：车身垂直加速度（舒适性）；车轮相对动载（安全性）；弹簧行程（弹簧寿命）。2009-10-195主要内容第五章汽车垂向动力学5.2垂向动力学的数学模型一、单轮垂直模型二、二维垂直和俯仰模型三、垂直、俯仰和侧倾运动的三维垂向模型2009-10-196第五章汽车垂向动力学U图5-2-1单轮汽车悬架模型2xsksc1xtktc0x我们便可写出悬架系统的动力学方程：()()()2121222101211xxkCxxfUfxMxxkfffxmsst−+−=−=−=−=&&&&&&我们对悬架系统作如下假设：1．取1/4汽车作为分析模型；2．只考虑垂直方向振动；3．不考虑非线性因素；4．认为轮胎不离开路面。一、单轮垂直模型2009-10-197第五章汽车垂向动力学二、二维垂直和俯仰模型Z2k2fc2fk2rc2rurufZ1fZ1rabk1fZ0fk1rZ0r１／２汽车主动悬架模型车身质量M2φ转动惯量IMˆm1fm1r2009-10-198第五章汽车垂向动力学系统动力学方程为：rfrrrrffffrfrfrfrfuuZcZkZcZkbcackkZccZkkZM++++++−−+−+−+−=12121212222222222222)()()()(&&&&&&φφbuaubZkZbcZacaZkbcacbkakZbcacZbkakIrfrrrrffffrfrfrfrf−+−−+++−+−−−−−=1212121222222222222222)()()()(&&&&&&φφφffffffffffffffuZkZcZkkacakZcZkZm−+−+−+++=011211222222211)(&&&&&φφrrrrrrrrrrrrrruZkZcZkkbcbkZcZkZm−+−+−+++=011211222222211)(&&&&&φφ2009-10-199第五章汽车垂向动力学{}TrrffxxxxxxxxXZxZxZxZxxxZxZx8765432118171615432221,,,,,,,,,,,,,,=========&&&&φφ用状态变量代替系统动力学方程中的物理变量，令：{}{}TrfTrfzzzuuU000,,,==则系统状态方程为:0CZBUAXX++=&若以汽车车身的垂直加速度、速度和俯仰角加速度、前悬和后悬的变形为输出，并令：{}TrfddzzY,,,,22ϕ&&&&&=则输出方程为：EUDXY+=2009-10-1910第五章汽车垂向动力学三、垂直、俯仰和侧倾运动的三维垂向模型请看动画吧！2009-10-1911第五章汽车垂向动力学0)()(0)()(011=−+−+−+−+=+++++++−=++++++++krlkrrcrlcrrrkflkfrcflcfrfkrlkrrcrlcrrrkflkfrcflcfrfkrlkrrkflkfrcrlcrrcflcfrffffhffffhIfffflfffflIffffffffZmφθφθ&&&&&&0)(0)(0)(0)(2222222222222222=−+−−=−+−−=−+−−=−+−−rlrlrlkrlcrlrlrlrrrrrrkrrcrrrrrrflflflkflcflflflfrfrfrkfrcfrfrfrWZkffZmWZkffZmWZkffZmWZkffZm&&&&&&&&车身和四个车轮的运动方程如下：2009-10-1912四、汽车行驶平顺性试验—汽车平顺性就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能。—第一类试验的道路是接近平稳随机的不同路面;另一类试验的道路是冲击型不平整路面。—汽车平顺性主要是根据乘坐者的舒适度来评价。人体用加权加速度均方根值评价，车厢用加速度均方根值和加速度功率谱密度函数来评价。试验种类①脉冲输入行驶试验②随机输入行驶试验第五章汽车垂向动力学2009-10-1913第五章汽车垂向动力学①脉冲输入行驶试验—试验说明按要求的方法，从汽车驶过凸块时的冲击对乘客及货物影响的角度，评价汽车的平顺性。—仿真标准参照GB/T4970-1996进行试验标准进行—三维试验路面模型通过构造一系列三角形单元来建立标准中规定。—仿真方法使整车动态模型以试验车速沿建立路面行驶，以稳定的试验车速行驶过试验用三角形凸块，记录下不同车速下的加速度响应。2009-10-1914第五章汽车垂向动力学脉冲输入行驶试验动态模拟条件：车速：10~60km/h，直线行驶，记录垂直加速度最大值2009-10-1915第五章汽车垂向动力学②随机输入行驶试验—试验要求所有道路应平直，纵坡不大于1%，路面干燥，不平度应均匀无突变。越野车优选路面为砂石路，路面等级应符合GB7031规定的C级路面。通过分析与处理，在ADAMS软件中定义相应的路面，产生国家规定的C级标准路面作为虚拟试验的路。—仿真标准参照GB/T5902-86试验标准进行。—仿真方法使整车动态模型以试验车速沿直线行驶，通过特定等级的随机路面，记录响应情况。2009-10-1916第五章汽车垂向动力学随机输入行驶试验动态模拟2009-10-1917第五章汽车垂向动力学5.3悬架的运动学特性问题的提出：1.由于车轮相对车身的垂直位移，可能伴随着车轮定位参数和系统其他参数的变化，从而影响到汽车的操纵稳定性；2.这些运动的大小和特性是由悬架的刚性和弹性元件或连杆的几何性质决定的。因此，有必要对悬架的运动学特性予以研究。为了便于研究，我们把车轮中心的垂直位移Z作为自变量，分析悬架系统在各个平面内的运动特性及对系统参数的影响。2009-10-1918第五章汽车垂向动力学主要内容—车轮外倾角和主销内倾角的变化—车身侧倾中心离地面高度的变化。—车轮轮距的变化。一、悬架系统在YZ平面内的运动主要决定二、悬架系统在XZ平面的运动主要决定三、悬架系统在XY平面的运动主要决定—转向车轮的偏摆(toe)—侧滑—轴转向运动。—主销后倾角和轴距的变化—转向拉杆不协调—抗点头和抗扬头的趋势。自学自学2009-10-1919第五章汽车垂向动力学一、悬架在Y-Z平面内的运动特性下面以双横臂独立悬架为例，分析悬架系统在Y-Z平面内的运动特性。双横臂悬架的立体图2009-10-1920第五章汽车垂向动力学a）双横臂悬架简化图b）麦弗逊悬架简化图YZP对称面侧倾中心YZP对称面侧倾中心双横臂独立悬架简化图如下a）所示：2009-10-1921第五章汽车垂向动力学1.车轮跳动时主销内倾角和车轮外倾角的变化特性设在平衡位置时，从瞬时摆动中心到转向节基面的距离，则：0ICY00000cosαβγtgYtgYcICIC⋅−⋅=当和都很小时，0a0β0γ)(000αβ−=ICYcICOacb汽车对称面图5-3-1双横臂独立悬架0α0γ0β0ICY假设上横臂倾角小于下横臂倾角，则瞬时摆动中心将位于转向节的“内侧”，如图5-3-1所示：2009-10-1922第五章汽车垂向动力学假设车轮向上跳的位移指定为正值（显然向下跳动就为负）。并假设：zYICΔ=Δ⋅γ0或cYzIC00001ddαβγ−==注意: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。（在此不考虑）由于任意函数都可用泰勒级数(即X0=0时的泰勒级数)表示，即：L+′′+′+=)0(!2)0()0()(2fxfxfxf2009-10-1923第五章汽车垂向动力学对求二阶导数，得：γ)dddd(1dzd22zzcαβγ−=如果设0000,)(,,βααββαβα时当都很小和Δ=Δ=ΔΔΔabz则随车轮跳动量∆Z的变化率为：ααβ1,100==dzdbdzd则车轮外倾角（或主销内倾角）的变化可表示为：202200)(dzdddzzzΔ+Δ+=γγγγ而一阶导数为：cYzIC00001ddαβγ−==2009-10-1924第五章汽车垂向动力学2000))(11(21)(zabczcΔ−Δ−=mmαβγγ因此有：)11(1022abcdzd−=γ由此得出车轮外倾角（或主销内倾角取正号）随车轮跳动量变化为：结论：1.如果上下臂相等，车轮的两个定位角度对车轮跳动位移的二阶导数便为零。这就是说，在任何情况下，瞬时中心的位置将保持不变，即和Z只考虑成线性关系就够了。2.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。γ2009-10-1925第五章汽车垂向动力学悬架和前轮定位参数如下：车轮初始外倾角：上横臂长a＝343.4主销内倾角：下横臂长b＝492.4上横臂倾角：主销长c＝329.7下横臂倾角：轮胎上下最大跳动量：100mmo10=νo100=γo64.40=αo5.90=β情形一：上下横臂长度和倾角均不等请看动画！1，2双横臂独立悬架（瞬时摆动中心位于内外侧）举例12009-10-1926第五章汽车垂向动力学1.1车轮外倾角随车轮跳动的变化曲线车轮跳动量（毫米）车轮外倾角（°）瞬时摆动中心位于内侧瞬时摆动中心位于外侧2009-10-1927第五章汽车垂向动力学1.2主销内倾角随车轮跳动的变化曲线车轮跳动量（毫米）主销内倾角（°）瞬时摆动中心位于内侧瞬时摆动中心位于外侧2009-10-1928第五章汽车垂向动力学1.3前轮前束随车轮跳动的变化曲线车轮跳动量（毫米）前轮前束瞬时摆动中心位于内侧瞬时摆动中心位于外侧2009-10-1929第五章汽车垂向动力学悬架和前轮定位参数如下：车轮初始外倾角：上横臂长a＝343.4主销内倾角：下横臂长b＝492.4上横臂倾角：主销长c＝329.7下横臂倾角：轮胎上下最大跳动量：100mmo10=νo100=γo5.90=αo5.90=β情形二：上下横臂长度不等，但倾角相等请看动画！2009-10-1930第五章汽车垂向动力学悬架和前轮定位参数如下：车轮初始外倾角：上横臂长a＝492.4主销内倾角：下横臂长b＝492.4上横臂倾角：主销长c＝329.7下横臂倾角：轮胎上下最大跳动量：100mmo10=νo100=γo5.90=αo5.90=β情形三：上下横臂长度和倾角都相等2009-10-1931第五章汽车垂向动力学比较：车轮外倾角上下横臂长和倾角都不等上下横臂长和倾角都相等上下臂倾角相等，长不等2009-10-1932第五章汽车垂向动力学比较：主销内倾角上下横臂长和倾角都相等上下横臂长和倾角都不等上下臂倾角相等，长不等2009-10-1933第五章汽车垂向动力学比