汽车系统动力学概论

汽车系统动力学概论

摘要：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，还有汽车在垂向和横向两个方面的动力学内容。本文通过对大量教科书和文献进行了分析，对汽车动力学的研究内容、研究方法和理论基础以及发展趋势进行了阐述。

关键词：系统，汽车，系统动力学

1系统及系统动力学的概念

1.1系统

系统是一个由相互区别、相互作用的各部分（即单元或要素）有机地连接在一起，为同一目的的完成某种功能的集合体。

由此可知系统具有以下几个特点：具有目的性、具有层次性、具有功能共性、具有整体性。

1.2系统动力学

系统动力学是一门分析研究信息反馈的学科。它是系统科学中的一个分支，是跨越自然科学和社会科学的横向学科。系统动力学基于系统论，吸收控制论、信息论的精髓，是一门认识系统问题和解决问题系统问题交叉、综合性的学科。

反馈系统就是包含反馈环节与其作用的系统。它要受系统本身的历史行为的影响，把历史行为的结果回授给系统本身，以影响未来的行为。如库存订货系统。

2汽车系统动力学及其研究内容

2.1汽车系统动力学

汽车系统动力学就是把汽车看做是一个动态系统，对其行为进行研究，讨论数学模型和响应。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。

汽车系统动力学研究所有与车辆系统运动有关的学科，包括空气动力学，纵向运动及其子系统的动力学响应，垂向和横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学和操作动力学，行驶动力学主要研究由路面的不平激励，通过悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯卧以及车轮的运动，操纵动力学研究车辆的操纵性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引起车辆侧滑、横摆和侧倾运动。

2.2汽车动力学研究内容

汽车系统动力学是研究所有与汽车运动有关的学科，研究内容可按车辆运动方向分为纵向、垂向和侧向动力学三大部分。

2.2.1纵向动力学

纵向或前进运动对于车辆来说都是最重要的，它们主要代表了运输任务需要的运动。特别地，车辆的纵向性能主要取决于由其驱动系统产生的运动与所能实现的驱动性能。

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。按车辆的工况不同，可分为驱动动力学和制动动力学两大部分。行驶动力学主要研究由路面的不平激励，通过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辆的操纵特性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引起车辆侧滑、横滑和侧倾运动。

2.2.2行驶动力学

行驶动力学研究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。将行驶动力学问题分为两类。一类是可通过数学建模来分析的行驶动力学问题即“主要行驶舒适性问题”。然而，主要行驶舒适性研究还无法将所有的行驶震动特性完整而真实地描绘出来，实际中还有大量其他因素影响着乘员对乘坐舒适性的主观评价，包括对约15Hz以上的高频震动的响应、更高频率范围内的震动噪声问题、悬架系统中橡胶村套的影响、对路面的阶跃凸起等路障的纵向冲击的响应以及人体对震动的响应等。目前，几乎还没有办法用数学解析模型来准确的预测这些影响，这类问题常归结为“次级行驶舒适性问题”。

对次级是、行驶舒适性问题，通常需要人的主观设计，例如路面凹坑离散输入对悬架系统震动噪声响应的评价，一般会涉及三个方面的问题，包括轮胎在路面输入处变形时的动态响应、纵向和垂向的悬架非线性动力学性能以及驾驶员的响应特性。

2.2.3操纵动力学

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，否则建立的操纵模型将失去意义。

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，而两个变量分别是车辆的侧向速度和横摆速度。经

过对基本模型的动力学分析，得到一个关于车辆操纵特性的基本概念，即车辆的“不足或过度转向”特性。考虑到实际设计中的可用性，模型中至少应包括车身的横摆、侧倾和侧向运动，悬架的运动学效应，悬架系统特性，转向系统的影响等。在高速直线行驶时，还包括空气阻力和力矩。尽管线性模型已经在操纵性能定量分析中得到了有效的应用，但对非线性域和非线性联合工况，则通常需要采用多体动力学分析软件，以求解这些非线性方程。

3汽车系统动力学研究方法和理论基础

3.1研究方法

解决任何一个系统问题的首要步骤就是把时间问题抽象，并转变为简化的模型。抽象是通过一种思维区分出现象的本质而抽出其中非本质和次要的性质的一种逻辑方法。在抽象的基础上就要建立表达系统行为的物理或者数学的模式，即所谓的物理模型和数学模型。

模型的分类：

3.1.1.比例的物理模型

即模型和实物的物理本质相同，仅在形状和尺寸上有差距。尺寸比例为1：1的称为足尺模型，如风洞实验中的汽车模型，用以预测空气动力学性能。模型即使尺寸与原物相同也只能称模拟，因为它在结构上进行了简化，只对研究中主要特征按原型制造，而其他部分加以简化，以利于制造、节省成本，突出主要矛盾。其优点是可以同时观察到整体的物理性能，并能做种种记录、摄影等，且能清楚一些次要因素的干扰，故能准确的预测系统的性能和参数间的关系。

3.1.2.数学等效模型

在工程上发展不同物理系统，其动态行为的数学形式是相同的。不同系统的行为可用等效的常系数微分方程来描绘。这就使我们可能用一种系统来模拟另一系统，如用电力系统模拟机械系统。

3.1.3.数学模型

这种模型比实物模型、模拟模型更为抽象，但是在实物和数学模型间存在很强的相似性，它建立了一组法则或运算，从而将一个或多个元素（运算对象）与运动结果联系起来。这种数学模型有多种表示方式：

（1）各种数学方程式（代数方程、微分方程、差分方程）。这些方程式形式服从于研究的对象和目的。其动态特性和响应常用微分方程。

（2）用数学与逻辑符号建立符号模型—方块图。它反映了信息传递因果

关系。

（3）用能量键、功率流建立模型。这种方法是利用相互作用的子系统必然传递功率这一事实，使各种不同系统（液压—机械—电力）的描

述统一起来。而功率的表现形式可以不同。

3.2理论基础

在汽车系统动力学研究中，主要的理论基础有分析力学，分析力学是从能动量观点建立起来的，它利用广泛坐标作为独立参数来描述系统的运动，另一方面应用达朗贝尔原理将静力学中的虚位移原理推广到动力学问题中去，从而建立动力学普遍方程式，由此出发推导出可广泛应用的拉格朗日方程来建立系统的运动方程。用分析力学的方法可以较严格地阐明有限自由度体系振动的普遍规律和计算方法，而且所得的规律可推广于无限自由度体系。

另外，线性系统理论和现代控制系统理论，概率论及其分支随机过程以及人体工程学等也都是其理论基础。

4．汽车系统动力学发展趋势

汽车系统动力学研究由被动元件设计转变为采用主动控制来改变汽车动态性能。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。

4.1汽车主动控制

汽车控制系统的构成都将包括三个部分，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，控制规律则需要控制理论与汽车系统动力学的紧密结合。

4.2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设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）。

4.3“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。初驾驶员模型的不确定因素外，就汽车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，人们对汽车性能的客观测量和主观之间的复杂关系还缺乏了解，而汽车的最终用户是人。因此，对汽车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。

参考文献

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[2]郭孔, 辉著. 汽车操纵动力学[M]. 长春:吉林科学技术出版社, 1991.

[3]中国汽车技术研究中心标准所. 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]唐, 岚, 李涵武. 汽车测试技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2006.