1、第三章汽车纵向动力学问题的提出：汽车只要在道路上行驶，就会存在驱动和制动方面的问题，其性能如何？是否稳定？传统的汽车理论考虑时通常将许多因素的影响简化了。本章讨论时，我们将考虑得更细致。2009-10-191第三章汽车纵向动力学3.1 驱动与制动动力学基础一、汽车驱动力与行驶阻力主要内容二、汽车的加速性能1.驱动转矩引起的横向载荷转移2.附着极限三、汽车的制动性能1.制动系统功能2.制动系统的评价指标2009-10-192第三章汽车纵向动力学汽车驱动与制动动力学主要研究汽车纵向运动与其受力的关系。驱动动力学主要涉及汽车的动力性，其主要评价指标通常为最高车速、加速时间和最大爬坡度。制动动力学则主
2、要涉及汽车的制动性，通常定义为汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。一、汽车驱动力与行驶阻力研究驱动动力学时需要确定沿纵向（行驶方向）作用于汽车的各种外力，即驱动力和行驶阻力。驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的。行驶阻力有滚动阻力、空气阻力和坡度阻力。2009-10-193第三章汽车纵向动力学1.汽车的驱动力它们是发动机功率或驱动轮的附着极限。具体取决于哪一个极限主要看汽车的速度。低速时轮胎附着力可能是限制因素，而高速时主要受限于发动机功率。发动机的转矩经传动系传至驱动轮上时，驱动轮将相对地面转动或具有转动的趋势，如图所示。附着力足够大时
3、，车轮匀速转动时的驱动力大小为：分析受限于发动机功率的最大驱动PFt力时首先要了解发动机的特性及其与传作用在驱动轮上的转矩和驱动力动系（发动机、传动系）的匹配。汽车前进方向Tt2009-10-19r4第三章汽车纵向动力学Teitf tfr(Ie+It)itf+Id it+Iw 22得到驱动力为：Ft=aXr2由两部分组成：1）右边的第一项,代表了产生于地面的稳态驱动力，它被用来克服各种阻力、使车辆加速。2）右边的第二项代表发动机及传动系零件的转动惯量引起的驱动力“损失”。TeF t一定转速下发动机的转矩路面提供的附着力变速器传动比主传动比变速器和驱动桥的总传动比传动效率iti fIeItI w
4、I daX发动机旋转零件转动惯量变速器旋转零件换算到其输入端的等效转动惯量车轮及半轴的转动惯量传动轴转动惯量车辆加速度tf2009-10-19itf5第三章汽车纵向动力学2.汽车的行驶阻力汽车在水平道路上行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力，当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称其为坡度阻力。这部分在汽车理论和第二章 轮胎动力学中有相应介绍，在此不再重复。二、汽车加速性能知道了驱动力和行驶阻力，就可以计算车辆的加速性能了。1.取决于发动机功率的极限加速能力2.取决于附着力的极限加速能力假设发动机功率足够大，极限加速能力会受到轮胎与路面之间摩擦系数的限制。这样
5、的话，驱动力的极限值为:2009-10-196第三章汽车纵向动力学作用在每个驱动轮上的垂直载荷等于静态载荷加上动态载荷，后者是由加速时的纵向载荷转移或驱动转矩造成的横向载荷转移引起的。(1)驱动转矩引起的横向载荷转移不管是前桥还是后桥，只要驱动桥是刚性桥就存在横向载荷转移。绕车桥中心点的力矩平衡方程为:T即O=(Wr/2+Wy Wr/2+Wy)t/2+Ts Td=0Wy=(Td Ts)/tTd：为传动轴作用在驱动桥上的转矩T s：簧载质量经悬架作用于驱动桥的转矩刚性驱动桥受力分析图2009-10-197第三章汽车纵向动力学T上面方程中，d 与驱动力有关：Td =Ft r/i f而Ts=Ts f
6、+Tsr=K r +K f =K Ft r K f综合以上几式可得：Wy =i f t K rK f注意：1.横向载荷转移的大小是驱动力及一些其它车辆参数的函数;2.如果驱动桥的差速器未锁止，传至两侧车轮的转矩将受限于垂直载荷较小一侧车轮的附着极限。2009-10-198第三章汽车纵向动力学如果坡度为零且无挂钩牵引力，一定加速度aX 下的后桥垂直载荷为:a a X hW r=W(+)Lg LWa ma h=W LW=W ax LWr=,xrrg hL右后轮垂直载荷 Wrr 为 Wr/2-Wy，因此Wa Fx h Ft r K rW rr=+2 L2 L i f t K再根据差速器的特性，有 W
7、bh 2Ft r K r+Fx Ft =2Wrr=LLi f t K 2009-10-199第三章汽车纵向动力学(2)附着极限从上式中求解 Ft 得到其最终表达式，它就是不带差速锁的整体式后驱动桥能够获得的最大附着力：Ft maxWbL=2 r K rh1 +Li f t K对于带差速锁的整体式后驱动桥，或独立悬架后驱动桥，另一侧车轮可以获得更大的驱动力，最大时达到其附着极限，最大附着力的表达式都为：F t max =Wb/(L h)2009-10-1910第三章汽车纵向动力学汽车的制动性是汽车的主要性能之一。制动性直接关系到行车三、汽车的制动性能安全，重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动
8、时发生侧滑等情况有关，故良好的汽车制动性是汽车安全行驶的重要保证。1.制动系统功能减少行驶汽车的车速，必要时，可使其在一定距离内停车；在下长坡时能维持一定车速；对已停驶（特别是在坡道停驶）的汽车，应使其可靠地驻留原地不动。2.制动系统的评价指标制动效能：即制动距离与制动减速度；制动稳定性：即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力（方向稳定性）；制动恒定性：即抗热衰退、抗水衰退等恒定性。2009-10-1911第三章汽车纵向动力学3.2 纵向动力学运动方程主要内容一、SAE坐标系二、空间任一刚体的运动方程三、直线运动时簧上质量（或悬挂质量）的运动方程四、纵向动力学的运动方程2009-10-1
9、912第三章汽车纵向动力学一、SAE坐标系 x为汽车前进方向；u、v、w为汽车前进、侧向和垂直方向的速度；p、q、r分别为汽车侧倾、俯仰和横摆角速度。&p=uxw z&=2009-10-19y q=?&SAE坐标系13第三章汽车纵向动力学二、空间任一刚体的运动方程ms(u+w q)=Fxms(vw p+u)=Fyms(wu q+p)=FzI x p (I y I z)q=M xI z (I x I y)pq=M zI y q (I z I x)p=M y2009-10-1914第三章汽车纵向动力学三、直线运动时簧上质量（或悬挂质量）的运动方程uwpq&p=uxw z&=ms(v w p+u)=
10、Fyms(u +w q)=Fxyms(wu q+p)=FzI y q (I z I x)p=M yI z (I x I y)pq=M zI x p (I y I z)q=M x&q=?xzms(u+w q)=s Fm(w u q)=FI q=Myy2009-10-1915第三章汽车纵向动力学3.3 简单的稳定性讨论主要内容一、制动，前轮抱死二、制动，后轮抱死三、驱动，前轮滑转四、驱动，后轮滑转2009-10-1916第三章汽车纵向动力学一、制动，前轮抱死假设一辆汽车在干扰力作用下质心侧偏角为。前轮如果抱死，制动切向力将总是指向速度v的反方向，不受车轮行驶方向的影响。此时，只有当车轮受的力产生的
11、力矩有使质心侧偏角减小的趋势，汽车才处于稳定状态。当FaH b FpV a sin FpV a其中：F aH =k H 即满足 kH b Fpva 时，汽车才处于稳定状态图 3-3-12009-10-1917第三章汽车纵向动力学二、制动，后轮抱死后轮抱死的分析过程与前轮抱死相同。汽车处于稳定状态的前提条件是以下不等式成立FaV a F其中：pVa sin FpVa FaV =kV 即满足kV a T 时，=(1 T)2009-10-1923第三章汽车纵向动力学在此前提下，车辆和车轮的数学模型可表达为：I&=T b+RF&m v =F bF b =()Fzb制动力矩可表示为制动缸压力函数:Tb=
12、Kf p(t)K f 制动效能因数；p(t)随时间而变的制动缸压力，MPa；2009-10-1924第三章汽车纵向动力学3.ABS实现原理请看动画吧！看看需要增加哪些元器件？4.ABS仿真实现借助于Matlab的Simulink工具箱完成步骤：1）分析：滑移率wsilp=1vv=VVR根据车速计算出的车轮角速度2009-10-1925第三章汽车纵向动力学2）建立数学模型&I =T b+RF&m v=F bF b =()F zg=9.8;bv0=60/3.6;Rr=0.38;Kf=1;m=50;PBmax=1500;TB=0.01;I=0.45;Tb=Kf p(t)Fb =m(slip)mg&v
13、=Fb/m液压系统滞后环节G(s)=100TB S+12009-10-1926第三章汽车纵向动力学2）Simulink仿真模型2009-10-1927第三章汽车纵向动力学怎么样一清二楚了吧！无ABS作用有ABS作用2009-10-1928第三章汽车纵向动力学（二）ASR的基本工作原理ASR也被称为TCS（Traction Control System，即驱动力控制系统），ASR可以通过调节作用于驱动车轮的驱动力矩和制动力矩，在驱动过程中防止驱动车轮发生滑转。调节方式：发动机的输出转矩节气门开度常用点火提前角燃油喷射量中断燃油喷射和点火 变速器传动比 差速器锁紧系数很少采用2009-10-192
14、9第三章汽车纵向动力学三、ABS和ASR的比较ABS和ASR都是通过控制作用于被控制车轮的力矩，而将车轮的滑动率控制在设定的理想范围内，以提高车轮附着力的利用率，从而缩短汽车的制动距离或提高汽车的加速性能，改善汽车的行驶方向稳定性和转向操纵能力。2009-10-1930第三章汽车纵向动力学ABS与ASR在以下几个方面的不同:1.ABS对驱动和非驱动车轮都可进行控制，而ASR只有对驱动车轮进行控制；2.在ABS控制期间，离合器通常都处于分离状态，发动机也处于怠速运转，而在ASR控制期间，离合器通常处于接合状态，发动机的惯性会对ASR控制产生较大的影响；3.在ABS控制期间，汽车传动系统的振动较小
15、，由此对ABS控制产生的影响也较小，而在ASR控制期间，很容易使传动系统产生较大的振动，由此对ASR控制产生的影响也很大；4.在ABS控制期间，各车轮之间的相互影响不大，而在ASR控制期间，由于差速器的作用会使驱动车轮之间产生较大的相互影响；5.ABS只是一个反应时间近似一定的制动控制单环系统，而ASR都是有反应堆时间不同的制动控制和发动机控制等组成的多环系统。2009-10-1931第三章汽车纵向动力学讨论、思考题、作业：1.试分析建立汽车直线制动时的数学模型时，应考虑哪几个自由度？（思考）2.ABS和ASR的作用有何异同？今后的发展趋势如何？（讨论）3.建立ABS制动系统的数学模型，并用Matlab仿真分析。（作业）2009-10-1932第三章汽车纵向动力学2009-10-1933
