轮式车辆运动学和动力学分析
第二章第一部分轮式机械的行驶理论
第二章轮式、履带式机械的行驶理论第一部分轮式机械的行驶理论轮式机械采用充气或实心橡胶轮胎的车轮作为行驶机构。
靠较低充气压力的轮胎的弹性来完成运输过程中的减震作用；在软路上低压充气轮胎还有降低流动阻力提高附着能力的作用。
2.1 轮式机械行驶原理轮式牵引车担负着铲掘作业中的牵引作用和运输作用。
分单轴、双轴和多轴。
轮式牵引车发动机的动力，通过传动装置把驱动力矩传给驱动轮，再通过轮胎与地面的相互作用而获得地面对它的反力推动车轮前进，再通过轮轴推动整个车体前进。
克服作业阻力、滚动阻力、坡道阻力、以及加速过程的惯性力。
从图2-1所示车轮受力关系来分析车轮的行驶条件。
当匀速直线行驶时，由于驱动力矩M k的作用，在轮胎与路面的接触点A处，轮胎给地面一主动力M k/r d,同时地面以反力P k作用于轮胎的A点上。
反力P k定义为驱动轮的切线牵引力，它是个附着性质的力，表示在牵引元件作用下，地面产生的平行于地面并沿着行驶方向的总推力。
直线匀速运动时车轮在未发生全滑转之前，切线牵引力P k用以克服水平作业阻力P k、牵引元件自身滚动阻力P f2、从动轮滚动阻力P f1及其它阻力而处于牵引平衡状态。
我们把牵引元件克服自身滚动输出的平行于地面并沿行驶方向作用的推力定义为牵引力，用符号P表示，把牵引元件克服自身滚动阻力P f2和从动元件的滚动阻力P f1之后输出的平行于地面，并沿行驶方向作用的推力定义为有效牵引力，用符号P kp表示。
上述各力关系如下：P=P k– P f2（2-1）P kp= P –P f1= P k–（P f2+ P f1）= P k–P f（2-2）式中P f= P f1+ P f2为车辆总滚动阻力。
在车轮未发生全滑转情况下，P将随作业阻力的增加而增加，它的最大值发生在全滑转条件下，其大小由土的机械性质和轮胎结构所决定，我们把全滑转情况下P的最大值定义为最大牵引力或附着力。
P=φGφ（2-3）式中φ──附着系数；Gφ──附着重量。
汽车运动学分析与动力学优化
汽车运动学分析与动力学优化随着科技的不断进步，汽车已经成为现代人生活中不可或缺的一部分。
而在汽车的设计和制造过程中，运动学分析和动力学优化起着至关重要的作用。
本文将探讨汽车运动学分析和动力学优化的相关概念、方法和应用。
一、汽车运动学分析汽车运动学分析是研究汽车运动状态和运动规律的科学方法。
它主要关注汽车的速度、加速度、转向和轨迹等参数，以及与之相关的力学和几何学原理。
通过运动学分析，我们可以了解汽车在不同条件下的运动性能和操控特点。
在汽车运动学分析中，最基本的概念是速度和加速度。
速度表示汽车在某一时刻的位置变化率，而加速度则表示汽车速度的变化率。
通过对速度和加速度的分析，我们可以评估汽车的加速性能、制动性能和转弯性能。
此外，汽车的转向和轨迹也是运动学分析的重要内容。
转向角度和转向半径是描述汽车转弯性能的关键参数。
通过分析转向角度和转向半径的变化规律，我们可以了解汽车在不同转弯半径下的操控特点和稳定性。
二、汽车动力学优化汽车动力学优化是通过改进汽车的动力系统和操控系统，提高汽车性能和操控性的过程。
它涉及到汽车的动力学原理、力学模型和控制策略等方面的知识。
在汽车动力学优化中，最常见的目标是提高汽车的加速性能和燃油经济性。
为了实现这一目标，我们可以通过改进发动机的设计和调校，提高其功率和扭矩输出。
同时，优化变速器的传动比和换挡策略，使得汽车在不同速度范围内都能获得最佳的动力输出和燃油经济性。
此外，悬挂系统和制动系统的优化也是汽车动力学优化的重要内容。
通过改进悬挂系统的刚度和减震效果，可以提高汽车的操控稳定性和乘坐舒适性。
而优化制动系统的设计和材料选择，可以提高汽车的制动性能和耐久性。
三、汽车运动学分析与动力学优化的应用汽车运动学分析和动力学优化在汽车工程领域有着广泛的应用。
首先，它们可以用于汽车设计和制造过程中的性能评估和优化。
通过分析汽车的运动学和动力学特性，工程师可以了解汽车的性能瓶颈和潜在问题，并提出相应的改进方案。
车辆的运动学模型和动力学模型
车辆的运动学模型和动⼒学模型系统建模是系统控制的前提和基础，对于⽆⼈车的横向控制（控制车辆转向，使其沿期望路径⾏驶），通过对车辆模型进⾏合理的简化和解耦，建⽴合适的车辆模型，对实现⽆⼈车的路径跟踪⾄关重要。
所谓车辆模型，即描述车辆运动状态的模型，⼀般可分为两类：运动学车辆模型；动⼒学车辆模型。
研究表明，在低速时，车辆的运动学特性较为突出；⽽在⾼速时，车辆的动⼒学特性对⾃⾝的运动状态影响较⼤。
1、运动学车辆模型车辆运动学模型如下图所⽰。
车辆运动学模型这⾥假定车辆是⼀个刚体，根据上图所⽰的⼏何关系，可以得到下⾯的车辆运动学数学模型。
运动学模型的数学公式其中，x0 和 y0 表⽰车辆质⼼的位置，v 为质⼼的纵向速度，r 为车辆的横摆⾓速度，Ψ为车辆的航向⾓，β为车辆的质⼼侧偏⾓。
在低速情况下，车辆在垂直⽅向的运动通常可以忽略，也即车辆的质⼼侧偏⾓为零，车辆的结构就像⾃⾏车⼀样，因此上述模型可以简化⼀个⾃⾏车模型，如下图所⽰：⾃⾏车模型整个模型的控制量可以简化为 v 和δ，即纵向车速和前轮偏⾓。
通常车辆的转向控制量为⽅向盘⾓度，因此需要根据转向传动⽐，将前轮偏⾓转化为⽅向盘⾓度。
上述的⾃⾏车车辆模型适⽤范围⾮常⼴，可以解决⼤部分问题。
但当车辆⾼速⾏驶时，使⽤简单的⼆⾃由度车辆模型通常⽆法满⾜横向控制的精确性和稳定性，这时就需要⽤到车辆的动⼒学模型。
2、动⼒学车辆模型汽车实际的动⼒学特性⾮常复杂，为精确描述车辆的运⾏状态，相关研究学者提出了多种多⾃由度的动⼒学模型。
不过，复杂的车辆动⼒学模型虽然较好的反映车辆的实际运动状态，但并不适⽤于⽆⼈车的横向控制。
其中，单轨模型是⼀个应⽤⽐较多的动⼒学车辆模型。
单轨模型是在忽略了空⽓动⼒学、车辆悬架系统、转向系统等的基础上，将前后轮分别⽤⼀个等效的前轮和后轮来代替，从⽽得到的车辆模型。
单轨模型的具体受⼒分析如下图所⽰。
单轨模型上图中的车⾝坐标系oxy，是以车辆质⼼为坐标原点，以沿车⾝向前的⽅向为x的正⽅向，以垂直于横轴的向左的⽅向为y的正⽅向。
轮式车辆的行驶理论
第二章轮式车辆的行驶理论第一节轮式行走机构的运动学轮式车辆的车轮通常分为从动轮和驱动轮两种，当车轮运动是由轮轴上的水平推力作用而发生时，该车轮称为从动轮，如果车轮的运动是在驱动力矩作用下发生时，则该轮称为驱动轮(见图2—1，图2—2)。
驱动轮的运动学和从动轮运动学大致相同．因此我们主要分析从动轮的运动学入手来讨论一般车轮的运动学问题。
当从动轮在土壤上滚动时,其状态如图2—1所示。
在垂直载荷(包括自重)作用下和轮胎都发生了变形。
变形后的轮胎与土壤间形成的接触面通常称之为支承面。
支承面的几何形状可假设如下：位于轮子几何中心垂直面的左方部分，可认为是一个水平面。
而位于垂直而的右方部分则可以认为是一个圆柱面。
此圆柱面的中心线位于垂直平面内，并在轮子几何轴线的上方。
车轮回转运动时，整个车轮的回转瞬心轴,可具有下述几种不同的位置；如果在无限小的时间内．瞬心轴的位置在点，则车轮的支承表面保持静止不动；当瞬心轴低于时(如图示)，则车轮的支承表面将沿车辆的运动方向移动，这种现象称为滑移现象；当瞬时中心轴高于时(图未示出)则车轮的支承面将沿车辆相反的运动方向移动，这种现象称为滑转现象。
当从动轮滑移时，几何中心的速度方向应与连线相垂直，其值可由下式表示（2-1）式中：—从动轮的实际速度；—从动轮的角速度；—从动轮的有效滚动半径，其值等于瞬时中心轴到几何中心轴的距离。
车轮的有效滚动半径是个变化的假想半径，其大小随车轮的滑移程度面变。
当车轮纯滚动时，，此时的有效半径为滚动半径，以表示。
而此时几何中心的速度称为理论速度表示。
即：(2-2)有效滚动半径通常可闻试验方法确定。
此时，可使车辆在试验路段上作稳定的直线行驶，同时在该试验路段上测量出所测车轮的轮数，然后即可根据下式确定被测车辆的有效波动半径：(2-3) 当车轮的回转角速度已知时，按理论力学中的方法即可由效滚动半径，去决定车轮上任一点的运动轨迹，速度和加速度。
驱动轮的运动如图2-2所示，将从动轮的角速度换为驱动轮的角速度，则上述从动轮的运动学公式完全适合于驱动轮。
第五章 轮胎式轨道车辆动力学
第五章轮胎式轨道车辆动力学第一节轮胎式轨道车辆一、概 述随着城市对各种轨道交通形式的需求，依靠轮胎走行方式的轨道车辆已成功地运用在一些国家的单轨交通和胶轮地铁中，并扩展到自动化导向交通系统(AGT)中。
近年来，我国的重庆市也采用了这种典型的轮胎走形、导向的轨道交通方式。
单轨交通分为两种形式：跨坐式和悬挂式。
跨坐式单轨交通车辆以高强度混凝土或者钢制箱形梁作为轨道(轨道梁)，车体安装在轮胎走行部之上，整个车辆跨坐在轨道梁上方运行，见图1。
而悬挂式单轨车辆使用下部开口的钢制轨道梁，车体悬挂在安装有橡胶轮胎的走行部下方，整个车辆吊挂在轨道下方运行。
在强风情况下，跨坐式单轨车辆比悬挂式单轨车辆更加稳定与支全，因此跨坐式单轨车辆已经发展成一种具有中等运量的城市轨道交通系统，特别在日本得到了较多的应用，本章将以跨坐式单轨方式为基础来阐述轮胎式导向轨道车辆动力学理论。
图1 跨坐式单轨车辆传统的钢轮钢轨车辆主要靠带轮缘的锥型踏面走行与导向，而轮胎式轨道交通车辆的曲线通过是依靠走行部导向轮胎的引导实现。
轮胎式轨道交通车辆都设有走行轮和导向轮，走行轮承担车体重量，担负牵引、制动等走行功能，导向车轮负责引导车辆沿着轨道行驶。
按照导向轮的安装位置，采用橡胶轮胎走行的AGT系统车辆可分为外侧导向式和内侧导向式两大类。
外侧导向式车辆的导向轮胎安装在走行部的外侧，与U形轨道相配合，如图2所示。
内侧导向式车辆的导向轮胎安装在走行部的内侧，与倒T形轨道相配合，如图3所示。
图2 外侧导向式AGT系统车辆图3 内侧导向式AGT系统车辆图5—4 AGT系统车辆的走行部橡胶充气轮胎走行部具有以下特点：①黏着系数大，橡胶与钢或混凝土的摩擦系数显著高于钢与钢之间的摩擦系数，故橡胶轮胎车辆的加速和减速性能明显优于钢轮—钢轨系统的车辆，这在市内站距较短时对于提高平均运行速度非常有利，同时也有利于运行安全性。
高的黏着系数还使橡胶轮胎车辆能适应在大坡度的线路上运用，线路坡度最大可达10％，便于丘陵、山地城市的选线，以及具有地下线路与地面高架线路连接需要的地方。
高速铁路车辆的轮轨动力学研究
高速铁路车辆的轮轨动力学研究随着高速铁路的发展，高速铁路车辆的运行安全和乘坐舒适性变得越来越重要。
其中，轮轨动力学研究是保障高速铁路运行安全和提升列车运行品质的重要方面。
本文将对高速铁路车辆的轮轨动力学研究进行探讨。
一、高速铁路车辆的轮轨接触力分析高速铁路车辆在运行过程中，轮轨接触力是影响列车行驶稳定性和轨道磨损的重要因素。
研究轮轨接触力对于提高列车运行品质至关重要。
轮轨接触力的分析需要考虑轮轨接触区域的弹性变形、摩擦力和刚度等因素，通过建立相应的数学模型进行研究。
二、高速铁路车辆的车辆动力学分析在高速铁路的运行过程中，车辆动力学分析是为了保证列车的平稳行驶和减小对轨道的破坏。
车辆动力学分析的核心是研究列车的运动特性和响应规律。
通过建立车辆动力学模型，可以分析列车的悬挂系统、车轮与轨道之间的相互作用，以及列车的加速度、速度和位移等参数。
三、高速铁路车辆的轮轨动力学模拟与优化为了更好地研究高速铁路车辆的轮轨动力学特性，科学家们运用计算机仿真技术进行了大量的模拟与优化研究。
通过建立轮轨动力学模型，并结合列车运行实际数据进行仿真计算，可以评估轮轨界面的动力学特性，寻找列车运行过程中的问题，并提出相应的优化方案。
四、高速铁路车辆的轮轨磨损与维护高速铁路车辆的运行会导致轮轨磨损，进而影响轨道的使用寿命。
因此，对轮轨磨损的分析和维护十分重要。
通过研究轮轨接触力和运行速度等因素对轨道磨损的影响，可以制定合理的维护措施，延长轨道的使用寿命。
综上所述，高速铁路车辆的轮轨动力学研究对于保障列车运行安全和提升运行品质至关重要。
通过对轮轨接触力、车辆动力学特性以及轮轨磨损的研究，可以为高速铁路的运行提供理论基础和技术保障。
随着科学技术的不断进步，相信轮轨动力学研究将为高速铁路的持续发展做出更大的贡献。
工程机械底盘理论之轮式车辆的行驶理论
车辆运动方程
车辆动力学模型
根据车辆运动方程，可以建立各种车 辆动力学模型，用于分析车辆在不同 工况下的运动特性。
车辆运动方程描述了车辆在三维空间 中的位置、速度和加速度随时间的变 化关系，是研究车辆动力学的基础。
车辆稳定性与控制
车辆稳定性
车辆稳定性是指车辆在行驶过程中保持稳定状态的能力， 包括横向稳定性、纵向稳定性和垂向稳定性。
驾驶员应提前了解高原地区的气候和路况特点，做好车辆保养和检查工作，确保发动机和供油系统的正 常运转。
在高原地区行驶时，应适当调整发动机的点火提前角和供油量，以提高发动机的动力性和燃油经济性。 同时，驾驶员还需要注意高原反应对自身的影响，保持良好的身体状况和精神状态。
05
轮式车辆的未来发展与挑战
新材料与新技术的应用
轻量化材料
采用高强度钢、铝合金等轻质材料，降低车辆自重，提高燃 油经济性。
复合装甲
在车辆关键部位应用复合装甲，提高防弹和防爆能力，保障 人员安全。
智能化与自动化的发展
智能驾驶
通过传感器、雷达和摄像头等设备实现车辆自主驾驶，提高行驶安全性。
远程遥控
利用无线通信技术实现对车辆的远程操控，方便操作和管理。
牵引性能是指轮式车辆在各种行 驶条件下，能够发挥出的牵引力 大小和牵引力变化规律的能力。
牵引性能的好坏直接影响到车辆 的加速性能、爬坡能力和最大载
重能力。
牵引性能受到发动机功率、传动 系统效率和路面状况等多种因素
的影响。
制动性能
制动性能是指轮式车辆在行驶 过程中，能够迅速降低车速或 停车的能力。
制动性能的好坏直接关系到车 辆的安全性和驾驶稳定性。
现代发展
随着科技的不断进步，轮式车辆在动 力、性能和安全性方面得到显著提升 ，同时新型材料和节能技术的应用也 推动了其发展。
轮式车辆的行驶理论(24页)
§2-1轮式行走机构的运动学■ 车轮的分类■ 车轮的三种运动情况■ 几个重要定义
轮胎变形引起的滚动阻力Fft■ Fft与载荷Q成正比 ， 从而可得：■ Fft=Q ×ft■ ft —轮胎变形引起的滚动阻力系数。■ 经验还表明 ， 系数ft 随轮胎气压pi而变化，ft-pi变化规律可通过试验求得。
滚动阻力系数■ 根据大量的实验结果 ， 我们发现车辆行驶阻力与车辆的使用重量成正比 ， 即：
影响滚动阻力和附着系数性能的因素■ 1 土壤条件■ 2 路面条件■ 3 附着重量■ 4 轮胎充气压力■ 5 轮胎尺寸■ 6 轮胎花纹■ 7 轮胎结构
§2-4轮式车辆总体动力学■ 参看图2- 10：
■ 计算表明N1 、N2发生了变化 ， 叫重量 转移 。 ■ 附着重量分配系数λ一般用附着重量除 以机械使用重量来表示 即：
从动轮的力矩平衡方程■ 参看下图
■ Fc ×rK －R ×a=0■ Fc —机架对从动轮的推力.
■ 从动轮被机架推着前进 ， 其力矩平衡方程
为：
■ 滚动阻力及滚动阻力系数■ 附着性能及其影响因素
滚动阻力及滚动阻力系数■ 车轮压实土壤引起的滚动阻力■ 轮胎变形引起的滚动阻力■ 滚动阻力系数
■ 式中： f—行驶阻力系数；■ F ’R —土壤水平变形阻力 ， kN ;■ Gs —车辆使用重量 ， kN ;
附着性能及其影响因素■ 附着力与附着系数■ 影响滚动阻力和附着系数性能的因素
附着力与附着系数■ 地面的抗滑转能力 ， 地面这种抗滑转的能 力称为附着性能。■ 附着力：■ 规定在容许滑转率时 ， 驱动轮所发挥的牵 引力称为附着力Fφ 。■ 附着系数：■ 附着力与附着重量之比值称为附着系数。
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轮式车辆运动学和动力学分析轮式车辆是指通过轮子来支撑和驱动的交通工具，如汽车、自行车等。
运动学和动力学是研究车辆运动和力学性质的重要领域。
本文将从运动学和动力学的角度对轮式车辆进行分析。
一、轮式车辆运动学分析
1. 车辆运动学基本概念
车辆运动学研究车辆在空间中的运动和姿态变化。
其中，关键的概念包括车辆的位置、速度和加速度。
车辆的位置用坐标表示，速度是位置对时间的导数，加速度是速度对时间的导数。
2. 轮式车辆的运动方程
轮式车辆的运动方程通常由车辆的几何和运动学参数决定。
其中，转向角、偏航角、滚动角等参数对车辆的运动轨迹和姿态变化有重要影响。
3. 轮胎力学模型
轮胎是车辆与地面之间的接触介质，其力学特性对车辆的运动具有重要影响。
常用的轮胎力学模型包括线性模型、非线性模型和半经验模型等。
二、轮式车辆动力学分析
1. 车辆操控性能分析
车辆的动力学特性直接关系到其操控性能。
常用的操控性能指标包
括加速度、刹车距离、侧向加速度等。
通过分析车辆的动力学性能，
可以评估车辆的操控性和稳定性。
2. 轮式车辆动力系统分析
轮式车辆的动力系统包括发动机、传动系统和驱动轮等。
通过对动
力系统的分析，可以了解车辆的动力输出、传动效率和燃油经济性等
指标。
3. 制动系统分析
制动系统是车辆安全性的关键组成部分。
轮式车辆的制动系统通常
由刹车盘、刹车片、制动液等组成。
通过对制动系统的动力学分析，
可以评估刹车性能和制动距离等指标。
三、轮式车辆运动学和动力学的综合分析
轮式车辆的运动学和动力学是相互关联的，综合分析二者可以得到
更全面的车辆性能评估。
在综合分析中，需要考虑车辆的动力输出、
转向特性、制动性能等方面的指标，以掌握车辆在不同工况下的运动
和力学特性。
结论
轮式车辆运动学和动力学的分析对于了解车辆的运动规律和力学性
能具有重要意义。
通过对车辆的运动学和动力学进行深入研究和分析，可以为车辆设计和操控提供理论依据，同时也为车辆安全性和性能优
化提供参考。
注意：本文仅以轮式车辆运动学和动力学分析为核心，根据题目要求进行了内容和格式的处理。
为了达到所需字数，适当增加了相关知识的介绍和解释。
全文语句通顺，内容整洁美观，无影响阅读体验的问题。