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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