车辆系统动力学发展1

汽车系统动力学的发展和现状 摘要：近年来，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，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。本文通过对汽车系统动力学的的介绍，对这一新兴学科的发展和现状做一阐述。 关键字：汽车系统动力学 动力学响应 发展历史 Summary：In recent years, with the rapid development of automobile industry, people on the vehicle comfort, reliability and safety are also put forward higher requirements, to achieve these requirements are related to vehicle system dynamics.Vehicle system dynamics is the study of all related to the movement of the car system discipline, it involves the scope is broad, in addition to the effects of dynamic response of vehicle longitudinal motion and its subsystems, and vehicles to and dynamic content crosswise two aspects in the vertical.Based on the vehicle system dynamics is introduced, the development and status of this emerging discipline to do elaborate. Keywords：Dynamics of vehicle system dynamics Dynamic response Development history 0  引言 车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科。有关车辆行驶振动分析的理论研究，最早可以追溯到100年前。事实上，知道20世纪20年代，人们对车辆行驶中的振动问题才开始有初步的了解；到20世纪30年代，英国的Lanchester、美国的Olley、法国的Broulhiet开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。开始出现有关转向、稳定性、悬架方面的文章。同时，人们对轮胎侧向动力学的重要性也开始有所认识。 在随后的20年中，车辆动力学的进展甚微。进入20世纪50年代，可谓进入了一个车辆操纵动力学发展的“黄金时期”。这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域（即侧向加速度约小于0.3g）理论体系。随后有关行驶动力学的进一步发展，是在完善的测量和计算手段出现后才得以实现。人们对车辆动力学理解的进程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。随后的几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽车产品竞争中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。计算机及应用软件的开发，使建模的复杂程度不断提高。在过去的70多年中，车辆动力学在理论和实际应用方面也都取得了很多成就。在新车型的设计开发中，汽车制造商不仅依靠功能强大的计算机软件，更重要的是具有丰富测试经验和高超主观评价技能的工程师队伍。 传统的车辆动力学研究都是针对被动元件的设计而言，而采用主动控制来改变车辆动态性能的理念，则为车辆动力学开辟了一个崭新的研究领域。在车辆系统动力学研究中，采用“人—车—路”大闭环的概念应该是未来的发展趋势。作为驾驶者，人既起着控制器的作用，又是车辆性能的最终评价者。控制技术的应用，使得车辆设计的目标可以是：力求使车辆系统在各种工况下都有一种较易为驾驶者适应的特性[2~4]。 1  历史回顾 回顾车辆动力学的发展过程，首先要肯定20世纪30年代英国的Lanchester对这门学科的早期发展所做的贡献。另一位本学科发展有卓越贡献的人物是美国的Olley，他率先系统的提出了操纵动力学分析理论。1932年Olley在美国狄拉克公司建立了著名的“K”试验台（一个具有前后活动质量的车架），来研究前后悬架匹配及轴距对前后轮相位差的影响。以Olley为核心人物提出的有关行驶平顺性问题的讨论一直延续到20世纪30年代末，其中关于车身震动、固有频率、俯仰固有频率机器与前后悬架刚度匹配关系等重要问题的讨论极为有意义。在随后的20年中，车辆动力学进展甚微。     在50年代，人们建立了较为完整的汽车操纵和转向动力学的基础理论体系，其中德国的Milliken出版《汽车动力学》标志着汽车动力学的成熟。在1993年举办的一次关于车辆舒适性和操纵稳定性的会议上，Segel发表了一篇重要的演讲，对车辆动力学的发展进行了系统的回顾。在他的文章中，他以自己的深刻理解回顾了这门学科的发展，并以阶段划分的方式对本门学科的早期成就进行了概括。动力学的发展过程分为三个阶段[8~9]： 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 随后几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在产品中的重要作用。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，推动着汽车工业的发展。 2  汽车系统动力学的研究内容和范围 2.1 定义：汽车系统动力学就是把汽车看作是一个动态系统，对其行为进行研究，讨论其模型和响应。 2.2 目的：是研究汽车受的力及其与汽车运动之间的相互关系，找出汽车主要性能的内在规律和联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据 2.3 重要性： ①阐述汽车运动规律的理论基础 ②汽车动态设计的必要手段  ③当今汽车技术发展的四大主题都与汽车动力学密切相关 ④安全、节能、降低污染、舒适 2.4 研究内容：     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。 2.4.1纵向动力学 纵向动力学研究车辆直线运动及其控制的问题，主要是车辆沿前进方向的受力与其运动的关系。按车辆工况的不同，可分为驱动动力学和制动动力学两部分。 2.4.2行驶动力学 行驶动力学研究中的首要问题是建立考虑悬架特性在内的车辆动力学模型，而分析这些动力学问题的最简单的数学模型应该是具有七自由度的整车系统模型。随着功能愈来愈强大的多体动力学仿真软件的普及应用，包括衬套等复杂细节在内的车辆模型也可以方便地解决。 2.4.3操纵动力学[1] 由于轮胎的重要性，因此操纵动力学建模中必须要与轮胎模型精度相吻合。分析车辆操纵特性可以从最基本的两自由度车辆模型入手，该模型中，车辆向前的速度被假定为恒定的，而两个变量是车辆的侧向加速度和横摆速度。经过对基本模型的动力学分析，得到了一个关于车辆操纵特性的最基本的概念，即车辆的“不足或过度转向”特性。通常，操纵动力学的研究范围分为三个区域，即： （1）线性域：侧向加速度约小于0.4g时，通常意味着车辆在高附着路面作小转向运动； （2）非线性域：在超过线性域且小于极限侧向加速度（约为0.8g）范围内； （3）非线性联合工况：通常指车辆在转弯制动或转弯加速时的情况。 3  发展趋势 车辆动力学研究由被动元件设计转变为采用主动控制来改变车辆动态性能。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。 3.1 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。 3.2 多体系统动力学 多体系统动力学的基本是，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。系统方程组可以写成这样一个通式：MX=F 式中M表示一个系统参数矩阵，F为所有外力的矢量。 3.3 “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[5~7]。 参考文献 [1] 郭孔辉著.汽车操纵动力学[M].长春：吉林科学技术出版社，1991 [2] 林逸，施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[M].公路交通科技，2001,18（3）：79～87 [3] 中国汽车技术研究中心所.汽车定型与通用试验方法标准汇编[M].天津：中国汽车技术研究中心，1994 [4] 林逸，陈欣.轿车悬架系统空间多提弹性系统运动学研究[J].中国公路学报，2000，13（3）：120～122 [5] 崔胜民.汽车系统动力学研究内容综述[D].山东工程学院学报，1995,9（4）：32～34 [6]  温吾凡,张本德.  多刚体系统动力学及其在汽车动力学分析中的应用[J]. 汽车工程. 1986(04) [7]  林逸,张洪欣,李润,温吾凡.  多刚体系统动力学在汽车单斜臂悬架运动分析中的应用[J]. 吉林工业大学学报. 1987(02) [8] Lanchester F W.Some problems peculiar to the design of automobile[J].Automobile Engineers,1908,II:187 [9] Olley M.Road manners of the modern car[J].Automobile Engineers,1946-47,51:147～182 [10]唐 岚，李涵武．汽车测试技术[M]．北京：机械工业出版社，2006．