汽车系统动力学复习资料2 - 图文

纵向动力学

纵向动力学性能分析

动力的需求与供应、动力性、燃油经济性、驱动与附着极限和驱动效率、制动性 汽车动力性能 最高车速、爬坡能力、加速能力。 动力的需求与供应

车辆对动力的需求（行驶阻力）

稳态匀速行驶阻力：车轮滚动阻力、空气阻力、坡度阻力 瞬态加速行驶阻力（加速阻力） 车辆对动力的需求

FG?(mv?mc)gsin?G?(mv?mc)giGFR?fRFZ,WFD?CDA

?a2u2旋转质量总等效转动惯量

发动机、离合器；某特定传动比时的传动系统；驱动桥、差速器；车轮（包括制动鼓或制动盘及半轴） 加速阻力分量 222????i??i旋转质量转动惯量 iw0dr0ig(?e??c??Ti)定义质量换算系数 i 有 Fa?(?imv?mc)ax????1i rd2

代表车辆动力需求的车辆总行驶阻力

???Ma???itwFa,t?(mv?mc)ax Fa,r???2axrdrdrdFDem?Fa?FG?FR?FD ?(?imv?mc)ax?(iG?fR)(mv?mc)g?CDA?a2u2车辆的动力供应

驱动轮毂的转矩 MH?(Me?ML)i0igP发动机额定工况下的转矩损失 ML?(1??t0)Me,0?(1??t0)02?n0动力供求平衡式 F?M/r?Mii/rxHdng0d

若车辆出动系统的效率为ηt，则驱动力为 Fx?Mnigi0/rd??tMeigi0/rd则动力供求平衡式为 Me?tigi0?a2?(?m?m)a?(i?f)(m?m)g?CAu ivcxGRvcDr2d汽车驱动力-行驶阻力平衡图

Ft?Ff?FR?FG?FDMei0ig?TrdCDA?au2

?(?imv?mc)ax?(iG?fR)(mc?mv)g?2行驶方程式反映了汽车行驶时，驱动力和外界阻力之间的普遍情况。当已知条件：i0,ig,?T,r,CD,A,m为已知时，便可以分析汽车在附着条件良好路面上的行驶能力。即在油门全开时，汽车可能达到最高车速、加速能力和爬坡能力。 动力性

驱动力与行驶阻力平衡图定义

为了清晰地描述汽车行驶时受力情况及其平衡关系，通常将平衡方程式用图解方式进行描述，即将驱动力Ft和常见行驶阻

力FD和Ff 绘在同一张图上。

Mei0ig?TrdCDA?au2 ?(?imv?mc)ax?(iG?fR)(mc?mv)g?2Ft?(Ff?FD)??imax?tg?sin?1[]?mg??Ft?Mei0ig?TrdFf?mgfCDAu2aFD?21.15

1. 最大速度和部分负荷时的力平衡以及 uamax 和部分负荷时的等速；2. 加速能力；3. 最大爬坡度

ua?uamax,此时，Fi?mgsin?i?tg(sin?1Ft?Ff?FDmg)

利用驱动力-行驶阻力平衡图确定汽车的爬坡能力其前提条件是路面良好，克服 Fw+Ff 后的全部力都用于克服坡道阻力，

即

du?aj?0?dtFt?Ff?Fw?Fi?Ff?Fw?mgf?(假设cos??1)CDAu21.152amgsin??Ft?(Ff?Fw)???arcsin

Ft?(Ff?Fw)mg,

通常用坡度i表示i?tg??tg[arcsinFt?(Ff?Fw)mg]imax?tg??tg(arcsinFt?(Ff?Fw)mg)imax?I档Ft?(Ff?Fw)mgi0max?最高档的最大爬坡度。(货车)i0max?目的是减少通常较小坡度汽车经常换档，影响汽车的运行速度。

加速能力它用aj,但aj不方便评价。通常用加速时间或加速距离来评价。

加速度：aj?du1?(Ft?Ff?FD)dt?im

则加速度倒数曲线为dududt??t??ajaj离散化处理后t???t???uajduFjaj??dtm或者aj?dudsdu?dtdsdtudu1??(Ft?Ff?FD)ds?muudu ds?du?s???ajajs???s??u?uaj

由驱动力、滚动阻力和空气阻力，就可按行驶方程式计算加速度及其倒数，从而求得加速时间或者加速距离。 1a?[Ft?(Ff?Fw)]j

?m

11 dt?du??t??u ajaj注意：

1.手工计算时,一般忽略原地起步过程的离合器打滑过程.即假设在最初时刻，汽车已具备起步换档所需的最低车速。 2.换档时刻的确定：若I-II加速度曲线相交，则规定在交点处换档；若I-II的加速度曲线不相交，则规定在发动机最高转速处换档；换档时间一般忽略不计（正态分布t=0.2~0.4s)。

3.计算加速时间的用途：确定汽车加速能力；传动系最佳匹配；合理选择发动机的排量。 传动系统设计方案的影响

1.除行驶阻力和发动机特性的影响外，传动系统设计方案和控制策略对车辆的动力性也有显著影响。 2.必须对每个档位下的加速能力和爬坡能力逐一进行校核。

3.由于CVT可以根据所需的功率任意选择发动机的工作点，采用合理的控制策略，可使发动机始终工作在最大输出功率的工况下，从而使车辆总可以获得最佳的爬坡性能和加速性能。 总制动力和制动潜力 Fb??Fa?(FR?FD?FG?Fe,t?Fb)?Fa?FR?FD?FG?Fe,t?Fb

若制动减速度为 a xb ，则所需的制动力Fb为 ?(?imv?mc)axb?(FR?FD?FG?Fe,t)采用电涡流缓速器和发动机制动的车辆下坡行驶稳定性

燃油经济性

汽车燃油经济性：①指汽车以最少的燃油消耗完成单位运输工作量的能力，它是汽车使用的主要性能之一；②在保证动力性的条件下，以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力。

汽车发动机的燃油经济性：通常由有效燃油消耗率be(ge) 或有效效率ηe 来评价。因其不能反映发动机在具体汽车上的功率利用情况及行驶条件的影响，所以，它不能直接用于评价整车的燃油经济性。 评价指标

①常选取单位行程的燃油消耗量，即L/100km，或单位运输工作的燃油消耗量，即L/100tkm、L/kpkm。前者用于比较相同容量的汽车燃油经济性，也可用于分析不同部件(如发动机、传动系等)装在同一种汽车上对汽车燃油经济性的影响；后者常用于比较和评价不同容载量的汽车燃油经济性。其数值越大，汽车燃油经济性越差。

②汽车燃油经济性也可用单位量燃油消耗汽车所行驶的里程，即km/L作为评价指标，称为汽车经济性因数。例如，美国采用每加仑燃油能行驶的英里数，即MPG或mile/USgal。其数值越大，汽车燃油经济性越好。 汽车燃油经济性试验方法

测定汽车燃油经济性的试验方法有多种。根据对各种使用因素的控制程度，试验方法可分为以下几类：

不加控制的道路试验；控制的道路试验；道路循环试验(包括等速油耗、加速油耗、制动油耗、怠速油耗等)；在室内实验，如汽车底盘测功机(即转鼓试验台)上的循环试验。 燃油消耗量计算

（1）绘制发动机万有特性图 ?a2F?(m?m)gf?CA(u?u)DemvcRDw（2）车辆在水平路面相对于风速uw以速度u匀速行驶，所需的驱动力 2（3）若考虑转矩损失，则所需发动机转矩为 FDemrdM??MLDem（4）所需的发动机缸内平均有效压力pme

ii

n（5） 由车辆行驶速度u求得发动机转速ne为 e ?uigi0/(2?rd)（6）根据发动机万有特性图即可确定发动机相应的工况，得到该工况下的燃油消耗率，根据所需的功率及燃油密度，得到 bePebePmeVsneiB??cftp 瞬时燃油消耗量 ?f?f BtpbePmeVsneiB??cf 里程燃油消耗量 trua?fua减少油耗的途径 MLigi0beb1(FDem?)?e??FDem Btr??frd?f?t be1?a2 ??[(m?m)g(fcos??sin?)?CAu?(?imv?mv)ax] vcRGGD?f?t2

可以从以下几方面找出减少油耗的途径

（1）交通管理因素（2）车辆行驶阻力因素（3）尽可能地降低附属设备（空调、动力转向等）的消耗（4）提高传动效率

2?MDem2?FDemrdpme??(?ML)VsiVsiigi0g0驱动与附着极限和驱动效率

车辆所受的垂向力

静载、动载、坡道分量、空气动力学分量 车辆所受的垂向力

F?(F?F)?F?FzfzsfzgfLfzdf

?abhh? 2 ?mg(cos??sin?)?CA(u?u)?ma(?)GGLfwx LL2LmrdL

Fzr?(Fzsr?Fzgr)?FLr?Fzdr ?ahh? ?mg(cos?G?sin?G)?CLfAa(u?uw)2?max(?)LL2LmrdL

车辆所受的纵向力

F?F?F?F?F?FDGa,ta,rRf xf ?f?abh2 ?CA(u?u)?mgsin??ma?a?mgf(cos??sin?G) DwGxxRG22rLLd

Fxr?FD?FG?Fa,t?Fa,r?FRr

? ?CAa(u?u)2?mgsin??ma??ra?mgf(bcos??hsin?)DwGxxRGG2rd2LL

前后轴的附着力

Fxr Fxff?r ff?FzrFzf

由路面附着限制的加速或爬坡能力 baba??,f??g amax,??,r??gtan?G,max,?,f?? tan?G,max,?,r?? amax,LLLL驱动效率

??FzsW制动性

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，称为汽车的制动性。 制动性是汽车主动安全性的重要评价指标。

制动性的评价指标包括：制动效能—制动距离与制动减速度；制动效能恒定性；制动时方向稳定性。 制动效能即制动距离和制动减速度。

影响制动距离的因素：路面条件、载荷条件、制动初速度。 制动效能的恒定性即抗热衰退性能。

制动时汽车的方向稳定性：制动时汽车按给定路径行驶的能力。即在制动中不发生跑偏、侧滑或失去转向能力的性能。 制动强度 axbz?

g

FbfF附着率 ff?, fr?brFzfFzr

zF制动效率 E?z?zf, E?z?zFzrfr ffFbffrFbr

直线制动动力学分析 理想制动力分配 Fbrbb2FbfLFbfFz??2h?(2h)?Fzh?Fz制动稳定性分析

前轮和后轮先报死时的运动车辆情况（如上图）

1）制动过程中，如果只有前轮抱死或前轮先抱死拖滑，汽车基本上沿直线向前行驶，汽车处于稳定状态，但丧失转向能力；

2）若后轮比前轮提前一定时间先抱死拖滑，且车速超过某一数值，汽车在轻微的侧向力作用下就会发生侧滑，路面越滑、制动距离和制动时间越长，后轴侧滑越剧烈。 转弯制动动力学分析 制动力控制系统

固定的制动力分配系统 制动力调节系统

制动过程的三种可能

1）前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑；稳定工况，但丧失转向能力，附着条件没有充分利用。 2）后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑；后轴可能出现侧滑，不稳定工况，附着利用率低。 3）前、后轮同时抱死拖滑；可以避免后轴侧滑，附着条件利用较好。

前、后制动器制动力的分配比例，将影响制动时前后轮的抱死顺序，从而影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件利用程度。

理想的前后制动器制动力分配曲线

“理想”的条件是：前后车轮同时抱死。 Fμ1?Fμ2??GI 曲线：在各种附着系数的路面上

Fμ1??FZ1制动时，要使前、后车轮同时抱死， 前、后轮制动器制动力应满足的关 Fμ2??FZ2系曲线。

1.解析法确定 I 曲线

由理想的条件可得

Fμ1?Fμ2??G?

?Fμ1FZ1 ?? ?Fμ2FZ2?

Fμ1?Fμ2??G? Fμ1b??hg??G?b??hg???L将?代入GFZ2??a??hg??L?FZ1?消去变量 ?

?G??4hgL1?G 2?F?b?Fμ1??2Fμ1?? μ22?h???Ghg?g????

作图法确定 I 曲线 1）按照 F μ1 作图，得到一组等间隔的45?平行线。 ? Fμ2??G线上任何一点都有以下特点： Gdu?F?F??G μ1μ2gdt这组线称为“等制动减速度线组”。 2）按 a ? ? h g 作射线束

Fμ2?Fμ1

b??hg

Fμ2?a??hg??du??gdt

具有固定比值的前、后制动器制动力与同步附着系数 1.β线

制动器制动力分配系数β：前、后制动器制动力之比为固定值时，前轮制动器制动力与汽车总制动器制动力之比。

F ??μ1Fμ?Fμ1?Fμ2Fμ1??FμFμ2??1???Fμ Fμ

1??Fμ1? 直线斜率tan??F?BF为一直线?μ2μ1 ?Fμ21??

β线：实际前、后制动器制动力分配线。 具有变化值的前、后制动器制动力的分配特性

通过使用比例阀或载荷比例阀等制动力调节装置，根据制动强度、载荷等因素，改变前、后制动器制动力的比值，使之接近于理想制动力分配曲线，满足制动法规的要求。

制动力分配曲线的设计兼顾制动稳定性和最短制动距离但优先稳定性的原则。 转折点的选择一般低于 I 曲线。

??防抱制动装置

在制动过程中防止车轮被制动抱死，提高汽车的方向稳定性和转向操纵能力，缩短制动距离的安全装置。 1.ABS系统的组成 2.ABS的液压原理

3.ABS单轮模型

FXb?FZ?bId??FXbr?Tμdt?为了分析方便，假设 0?s?sp??ps1）车轮抱死过程很快，忽略车速的降低。 ?p?b??2）车轮的载荷是一个常数，FZ=mg 。 ?1?s??p??s??s?sp?s?13）附着力滑移曲线可以用两直线段来近似，即 1?sp??4）制动力矩是时间的线性函数。

设车轮制动器的制动效能为Kef，制动轮缸的压力 p ( t )= p0t，p0—液压增长斜率。 制动器的制动力矩 T sK ef r k Fs—轮缸面积；rk—制动器摩擦力的等效作用半径。 μ?p?t?F 令T?pFKrTμ?T0t00sefk

4.求解微分方程 1）当 0?s?sp

s??2）当 sp?s?1

5.制动抱死过程

制动滑移率

v?vRS — 制动滑移率；v — 车辆行驶速度；vR — 车轮圆周速度； S?r — 车轮动力半径；ω — 车轮角速度。 v制动滑移率与车轮运动状态的关系

S＝０纯滚动 ０﹤S﹤１边滚动边滑动 S＝１纯滑动

结论：滑移率描述了制动过程中车轮滑移的程度，滑移率值越大，表明滑移越严重。 最佳滑移率范围

车辆的制动性能与轮胎的附着性能密切相关；轮胎的附着性能与轮胎的滑移率密切相关；附着力－滑移率特性曲线与路况、行驶工况密切相关；最佳滑移率范围：0.1—0.3；制动时的最差状况：轮胎抱死。

防抱死制动控制

ABS的基本组成和工作原理

由传感器、电子控制元件（ECU）和执行器三部分组成。

ABS的控制技术

ABS的布置及通道、ABS控制方式、ABS控制方法、ABS控制过程 ABS的布置及通道

四通道式、三通道式、双通道式、单通道式

ABS的布置及通道：四通道式 ABS的布置及通道：三通道式

ABS的布置及通道：二通道式 ABS的布置及通道：单通道式

ABS控制方式

独立控制、低选择控制、高选择控制、修正的独立控制、智能选择控制 ABS控制方式：独立控制

? 控制方式：每个车轮都有专用通道，一个轮速传感器对应一个压力控制阀。

? 优点：每个车轮的附着系数利用率达到最大值，以获得最佳制动效果，? 制动距离短！

? 缺点：对不对称路面，由于附着系数不同，左右轮产生的路面制动力不同，导致车辆产生附加的横摆力矩，使车

辆难以控制，? 操纵性和方向稳定性不太好！

ABS控制方式：低选择控制

? 控制方式：一个车桥上的两个车轮由一条通道控制，即两个轮速传感器对应一个压力控制阀，制动压力取决于预

先抱死车轮的状态，对于不对称路面，选择附着系数较低的一侧车轮；

? 优点：左右车轮产生的制动力相同，减少或消除了横摆和转向力矩；? 操纵性和方向稳定性好！ ? 缺点：附着系数较高的一侧车轮的附着系数得不到充分利用。? 制动距离加大！ ABS控制方式：高选择控制

? 控制方式：一个车桥上的两个车轮由一条通道控制，即两个轮速传感器对应一个压力控制阀，制动压力取决于后

抱死车轮的状态，对于不对称路面，选择附着系数较高的一侧车轮进行控制； ? 优点：附着系数得到充分利用；?制动距离短！

? 缺点：对于附着系数不对称的路面，该控制方式会产生附加的横摆力矩。? 降低制动时的方向稳定性！ 修正的独立控制

? 控制方式：和独立控制一样，每个轮速传感器对应一个压力控制阀。具体控制方式是，对一个车桥上的左右轮中

附着系数低的一侧车轮用独立控制，附着系数高的另一侧按一定的比例以低于最大附着系数利用率进行控制，或者使其控制压力的建立时间推后一段。

优点：综合了独立控制和低选择控制的优点；?制动距离较短！方向稳定性较好！ 智能选择控制

控制方式：一个车桥上的两个车轮由一条通道控制，即两个轮速传感器对应一个压力控制阀。 左右轮附着系数相同: 低选择控制

左右轮附着系数不同: 当附着力低的一侧其附着系数相对较高时，用低选择控制；而其附着系数相对较低时，选择系统趋向于高选择控制。 三通道四传感器

四个轮速传感器、三个制动压力调节器，前轮独立控制，后轮按低选择方式控制 三通道三传感器

三个轮速传感器、三个制动压力调节器，前轮独立控制，后轮按低选择方式控制 四通道四传感器

四个轮速传感器、四个制动压力调节器，对各个车轮进行独立控制。

ABS控制方法

逻辑门限值控制、PID控制、模糊控制 逻辑门限值控制

dω/dtap 保压，上一个是减压过程；dω/dt<

驱动防滑转（ASR）系统

一、概述

1. 什么是ASR

ASR是驱动防滑转系统（Acceleration Slip Regulation）的简称，也称为牵引力控制系统（Traction Control System），简称为TCS或TRC。 2. ASR的功用

驱动防滑转系统能在车轮开始滑转时，降低发动机的输出转矩，同时控制制动系统，以降低传递给驱动车轮的转矩，使之达到合适的驱动力，使汽车的起步和加速达到快速而稳定的效果。 3. 滑转率及其与附着系数的关系

1) 滑转率SA：滑转成分在车轮纵向运动中所占的比例。 SA=(rω-ν)/rω×100%

式中：SA—车轮的滑转率；r —车轮滚动半径；ω —车轮旋转角速度；ν —车轮中心的纵向速度。 SA=0，纯滚动； SA=100%，纯滑转；0

2) 与汽车在制动过程中的滑移率相同，在汽车的驱动过程中，车轮与路面间的附着系数的大小随着滑转率的变化而变化。 滑转率及其与附着系数的关系

二、ASR的控制原理

1) 发动机输出功率（输出转矩）控制

调整供油量：减少或中断供油；调整点火时间：减小点火提前角或停止点火；调整进气量：减小节气门的开度； 2) 对驱动轮进行制动控制

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