车辆动力学的研究和发展

发布时间：2020-08-27

　　摘要：车辆动力学正在飞速发展，进行车辆动力学性能优化,必须先确定车辆动力学三要素的关系,即运行的稳定性、平稳性、安全性,建立以列车为研究对象的模型。车辆动力学问题需要把车辆和线路视为一个整体的系统。由于研究中需要考虑某些部件的弹性,从而导致高频动力学的发展。本文就动力学的研究和发展，进行一系列的探讨。

　　关键词：车辆动力学;研究;发展

　　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。车辆系统动力学是系统动力学的一个分支，其研究对象为车辆系统。车辆系统动力学就是研究车辆系统特征(悬挂结构与参数、定位方式等)、外界环境输入(线路、接触网和气流等)，车辆系统的响应，及其三者之间的动态相互关系;使得车辆系统具有良好的稳定性、平稳性、安全性，并保证车辆系统的服役寿命，且降低设计、制造、运维成本。

　　一、车辆动力学的发展史

　　对于车辆行驶振动分析的理论研究，最早在100年前就开始了。但实际上，直到20世纪20年代，人们对车辆行驶中的振动问题才有了一些初步的了解;到20世纪30年代，英国的Lanchester、美国的Olley、法国的Broulhiet开始了车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。慢慢出现有关转向、稳定性、悬架方面的文章。同时，人们对轮胎侧向动力学的重要性也开始有所认识。在之前，车辆动力学在理论和实际应用方面也都取得了很多成就。在新车型的设计开发中，汽车制造商不仅依靠功能强大的计算机软件，更重要的是具有丰富测试经验和高超主观评价技能的工程师队伍。在随后的20年中，车辆动力学的进展甚微。进入20世纪50年代，可谓进入了一个车辆操纵动力学发展的“黄金时期”。这期间建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域(即侧向加速度约小于0.3g)理论体系。随后有关行驶动力学的进一步发展，是在完善的测量和计算手段出现后才得以实现。在我们对车辆动力学理解的过程中，理论和试验两方面因素均发挥了作用。随后的几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在汽车产品竞争中的重要作用，因而车辆动力学得以迅速发展。

　　二、轮胎的系统动力学的探究

　　2.1 轮胎模型

　　车辆行驶过程中，来自地面的冲击通过滚动的轮胎、悬架和座椅传递到驾驶员，所以，轮胎的选用至关重要，它的结构参数和力学特性对汽车的行驶性能起着重要影响。整车动力学模型中，轮胎模型的精度必须与整车模型的精度相匹配，选择符合实际又便于使用的轮胎模型是关键。

　　2.2 系统拓扑结构

　　车辆振动系统由轮胎、悬架、座椅等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成。整车模型包括车架、铰接架、回转支撑、悬架系统、发动机、人椅系统、货箱等22个构件，32个自由度。该模型前、后车架以铰接架和回转支撑连接，前车架以铰接点为中心整体转向，回转支撑允许前、后车架独立转动以减小车架扭转应力。

　　三、悬架系统动力学的发展现状

　　车辆悬架系统是车架与车桥之间连接和传力装置的总称，包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，起着缓和、消减由于路面不平所引起的冲击和振动，传递并承受各种力和这些力所形成的力矩等作用，是车辆上的一个非常重要的系统。悬架系统主要概括为以下几个方面：(1)弹簧：从舒适性的角度考虑， 为满足偏频的要求，提升弹簧的刚度， 并确保车身姿态不变;(2)前稳定杆：从侧向力转移和侧倾刚度的角度考虑 ，增加了前稳定杆的刚度 ;(3)前转向节：为达到前悬侧倾转向的设计要求，提升了与转向横拉杆的连接处硬点，重新设计了零件;(4)后桥：为满足侧倾刚度、侧倾转向和侧倾中心高度的要求， 更改了中间梁的臂厚和开口方向;(5)后桥“ A” 衬套：为降低侧向力转向，同时又权衡舒适性的影响，在一定范围内调试“ A” 衬套的径向刚度。

　　四、汽车动力学的发展趋势

　　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。随着多提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裂解元件，从而建立一个具有合适自由度的模型;然后，软件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为所以外力的矢量) 4.3“人--车--路”闭环系统采用人车闭环系统是未来汽车系统动力学学研究的趋势。作为驾驶者，人既要起着控制器的作用，又是汽车系统品质的终极评价者。加入表达驾驶员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。除驾驶员模型不确定因素外，就汽车本身的一些动力学问题也未必能全部通过建模来解决。目前，人们对汽车性能的客观测量和主管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和客观评价之间关系的认识。

　　车辆动力学的研究和发展相关期刊推荐：《中国铁道科学》是由我国著名科学家茅以升先生于1979年亲自创刊、中华人民共和国铁道部主管、中国铁道科学研究院主办的综合性学术刊物，面向国内外公开发行。刊载内容：铁路及城市轨道交通运输领域关于土木工程、机车车辆、通信信号、信息技术、运输组织、材料与工 艺、环境保护、安全技术等学科的最新科学基础理论研究、科学试验、重点工程技术、产品研发等方面的优秀学术论文。

　　结论 对于车辆动力学研究者而言，通过对轮胎和悬架的系统动力学研究，来探究汽车动力学的发展现状具有重大的意义。——论文作者：张莉