车辆系统动力科学试题

12017年西安科技大学研究生《车辆系统动力学》试卷1、车辆电子控制系统主要由哪些部分组成？各自的功能如何？车辆控制技术的发展趋势怎样？请举例进行分析说明。（15分）答:汽车的所有电子控制系统都是由3部分组成的即：传感器、控制器和执行器。传感器：主要是收集控制器所需要的各部分的信号，为控制器指挥执行器提供数据支持。控制器：收集传感器发送的信号并对该信号和其内部存储的数据比对和分析，控制执行器进行作动。执行器：整个控制系统的末端，根据控制器发出的指令进行作动，完成控制器的各种指（有些执行器内还装有传感器，以便控制器检测执行器是否对指令进行正确实施）。在市场需求推动力和科技技术发展推动力的共同作用之下，电子化正成为汽车车身控制的趋势，车身电子市场正在以高于汽车市场增速的速度发展。从乘用车到商用车，从微型车到中高级车、SUV，车身电子控制正在快速取代落后的点对点控制，逐渐成为标准配置。车身电子控制系统服务于舒适性、安全性需求，实现功能有内外灯光控制，中控锁控制，摇控钥匙，发动机防盗控制，电动后视镜，自动雨刮，天窗控制，电动座椅等等。2、结合图1所示，论述车辆系统动力学的研究内容、各部分的影响关系及底盘控制的研究进展。（15分）答：车辆系统动力学是研究所有与车辆系统有关运动的学科。它的设计范围很广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应（如发动机、传动、加速、制动、防抱死和牵引力控制系统等方面的因素）外，还有车辆在垂向和横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学的操纵动力学。行驶动力学主要研究由路面的不平激励，通过2悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的运动；而操纵动力学研究车轮的操纵特性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引起车轮侧滑、横摆和侧倾运动。电子技术在汽车技术中广泛应用使汽车底盘的控制正在快速地向电子化、智能化和网ABS、TCS和ESP升。各种电子转向控制系统如AFS、EPS和RWS也在不断地安装到中高档轿车里。汽车电子转向控制能在必要时向驾驶员提出合理的建议或者对驾驶员的指令进行必要的修正。ARC和CDC究和制定汽车开放性系统构架AUTOSAR。使汽车系统和控制软件具有开放性和标准ESPII和GCC的产品化和系列化进程。人们正在从事汽车线控系统的研发和试制。通过网络化将这些新的ACC、、前向车辆碰撞警告和自动紧急制动系统、车道偏离警告和车线维持系统等。3、简述ABS、TCS、ESP、EPS、YSC、VSC、4WS、ASS(主动悬架)主要解决什么问题，分别画图说明其工作原理，选择其中的一个系统建立该系统的数学模型。（15分）答：（1）“ABS”中文译为“防锁死刹车系统”.它是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。ABS是常规刹车装置基础上的改进型技术，可分机械式和电子式两种。现代汽车上大量安装防抱死制动系统，ABS既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏。（2）牵引力控制系统(TCS)，其英文全称是TractionSystem，即循迹Control3控制系统，是根据驱动轮的转数及传动轮的转数来判定驱动轮是否发生打滑现象，当前者大于后者时，进而抑制驱动轮转速的一种防滑控制系统。汽车在光滑路面制动时，车轮会打滑，甚至使方向失控。同样，汽车在起步或急加速时，驱动轮也有可能打滑，在冰雪等光滑路面上还会使方向失控而出危险，TCS依靠电子传感器探测到从动轮速TCS牵引力控制系统度低于驱动轮时（这是打滑的特征），就会发出一个信号，调节点火时间、减小气门开度、减小油门、降挡或制动车轮，从而使车轮不再打滑。（3）ESP是一种牵引力控制系统，与其他牵引力控制系统比较，ESP不但控制驱动轮，而且可控制从轮。如后轮驱动汽车常出现的转向过多情况，此时后轮失控而甩尾，ESP便会刹慢外侧的前轮来稳定车子；在转向过少时，为了校正循迹方向，ESP则会刹慢内后轮，从而校正行驶方向。4（4）EPS：电动助力转向系统EPS(electricpowersteering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。（5）YSC：传统车辆横摆稳定性控制(yawstabilitycontrol,YSC)的实现多采用分层结构.上层为运动跟踪层，主要包括参考模型的选取和横摆力矩控制器的设计；下层为转矩分配层，根据系统的优化目标和约束将所需横摆力矩合理分配给各执行器。图车辆横摆稳定性优化控制框图5（6）车身稳定控制系统(VSC),英文全称VehicleStabilityControl）。这些系统工作时，都必须检测车轮是否将要抱死并能单独的调整车轮的制动力。VSC系统拥有三大特点：(1)实时监控：VSC系统能够实时监控驾驶者的操控动作（转向、制动和油门等）、路面信息、汽车运动状态，并不断向发动机和制动系统发出指令。(2)主动干预：ABS等安全技术主要是对驾驶者的动作起干预作用，但不能调控发动机。VSC系统则可以通过主动调控发动机节气门，以调整发动机的转速，并调整每个轮子的驱动力和制动力，来修正汽车的过度转向和转向不足。(3)事先提醒：当驾驶者操作不当或路面异常时，VSC系统会用警告灯警示驾驶者。(7)四轮转向系统（4WS），是指后轮也和前轮相似，具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与前轮反方向转向。4WS汽车在低速转弯时，前后车轮逆相位转向，可减小车辆的转弯半径；在高速转弯时，前后轮主要作同相位转向，能减少车辆质心侧偏角，降低车辆横摆率的稳态超调量等，进一步提高车辆操纵稳定性。(8)ASS主动悬挂系统是近十年发展起来的由电脑控制的一种新型悬挂系统。主动悬挂系统具有控制车身运动的功能。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬挂系统会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化。主动悬挂系统，又称主动制导悬架系统、动态可变悬挂系统等，通过改变悬挂系统的高度、形状和阻尼等，起到控制车身振动和车身高度的功能，主要能增进汽车操作稳定性、乘坐舒适性等性能。64、振动动力学涉及哪些内容？如何改善车辆的振动性能？选取一个系统进行振动动力学建模，并采用软件工具进行计算机仿真分析。（15分）答：振动动力学涉及线性振动理论，振动问题近似解法，非线性振动，以及随机振动。(1)调整传动系统本身的固有频率，使其临界转速增加或者降低到发动机工作转速之外。由于固有频率主要取决于转动惯量和扭转刚度，因此可通过改变传动系统中任一部件的转动惯量和扭转刚度来调整固有频率。由于轴段扭转刚度与轴径的四次方成反比，故改变轴径的效果明显。实际中常用的调额方法是；改变远离节点处(如飞轮)的转动惯量；四改变传动系统某些轴段的扭转刚度，如采用扭转刚度较小的弹性联轴器，可显著降低传动系统的单节点固有频率。(2)提高系统阻尼以衰减传动系统振动液力耦合器或液力变矩器具有良好的阻尼特性，可有效地消除传动系统扭振。而对于传统的机械式离合器来说，则需要其他辅助装置来增加阻尼。实际中通常采用的动力传动系统减振装置不尽相同，常用的有以下两种：扭转减振器。通常在离合器中安装扭转减振器，降低离合器与交建省之间的扭转刚度，并提高系统阻尼。扭转减振器中同时具有弹簧和阻尼的作用，在其压盘弹黄刚度变化的同时，还产生摩擦阻尼。为保证均匀使系统在不同情况下都能提供满意的阳尼特性，在扭转诚振器中可地衰减不同频率的振幅，在发动机愈速工况下起作用，以消除变速器息速噪声。采用双质量飞轮，其优点表现为：降低了发动机-变速器振动系统的固有频率，可避免柴油机息速时发生共振；可加大减振弹簧的布置半径，降低减振弹簧刚度，并容许增大7转角；由于其较好的减振效果，变速器中可采用粘度较低的齿轮油而不致产生齿轮冲击噪声，并可改善低温工况下的换挡性能。而且，由于从动盘中无減振器，减少了从动盘的转动惯量，也有利于换挡平稳。与采用附加扭转减振器的结构相比，采用双质量飞轮减振成本较高，并且传统结构的改变引起了维修不便，也使成本增加。此外，由于双质量飞轮的结构空间布置困难，因面未能在前轮驱动车辆中得到广泛应用。8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。5、选定一种车辆控制系统，并采用一定的控制策略或控制算法对该系统性能进行仿真分析。（20分）答：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错误!未找到引用源。与簧载质量和非簧载质量的相对速度错误!未找到引用源。的乘积大于零时，半主动悬架系统产生的可控阻尼力错误!未找到引用源。与簧载质量的绝对速度成正比，否则可控阻尼力等于零。即错误!未找到引用源。式中，错误!未找到引用源。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9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错误!未找到引用源。与簧载质量和非簧载质量的相对速度错误!未找到引用源。的乘积大于零时，半主动悬架系统产生的可控阻尼力错误!未找到引用源。与非簧载质量的绝对速度成正比，否则阻尼力等于零。即错误!未找到引用源。式中，错误!未找到引用源。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。6、以别克轿车为例，在MATLAB环境下对操纵动力学的操纵稳定性能进行仿真分析。主要内容如下：1.列出两自由度操纵稳定性模型的运动微分方程；2.分析角阶跃输入下的横摆角速度响应，根据仿真结果，结合理论进行分析，并进行相应总结。1)比较不同速度下的响应；2)修改质量，比较不同质量的响应；3)分别修改前轮和后轮的侧偏刚度，比较不同侧偏刚度的影响。3.根据上面的方程及分析，思考不同路面附着系数下（如普通水泥路面与冰雪路面）车辆操纵稳定性的影响，并给出合理的解释。（20分）别克轿车的模型参数参数符号单位别克质量mkg2045转动惯量IKg·m²5428质心到前轴距离am1.488质心到后轴距离bm1.712前轮侧偏刚度k1KN/rad-77.85后轮侧偏刚度k2KN/rad-76.51轴距Lm3.200答：1.两自由度操纵稳定性模型的运动微分方程10对于复杂系统的simulink仿真模型，可以把模型中完成特定功能的部分模块组合起来，创建一个新的模块，即了系统。了系统减少了simulink框图中模块的数量，使模型的层次、结构及功能更加清晰，应用性强，降低了建模难度。将式(1)化简整理为:11当车速u取15m/s,20m/s不1125m/s时，横摆角速度与质心侧偏角仿真结果如图3:图3横摆角速度与质心侧偏角响应曲线汽车稳态转向特性是评价汽车操纵稳定性的重要指标。稳态转向特性有3种状况:不足转向、过度转向和中性转向。驾驶员都习惯于驾驶具有适度不足转向的汽车。汽车转向行驶时的稳定性极限对安全行车影响很大。如果驾驶员对汽车的操纵动作使汽车的运动状态超过了这一限度，汽车的运动就会失去稳定，发生侧滑或倾翻，从而危及行车安全。当前轮上的侧向反力先达到附着极限时，因前轮发生的侧滑，汽车的横摆角速度减小，转向半径增大，汽车将向外侧甩出，发生“偏航”现象。严重时，汽车会被甩出路外、导致交通事故。如果后轮上的侧向反力先达到附着极限，后轮将先于前轮向外侧侧滑，发生“甩尾”现象。因转向半径减小，极易诱发汽车倾翻。