Chapter 1
Vehicle Mechanics
Abstract Before embarking on the focus of this book it was felt necessary to provide a basic understanding of the dynamic forces experienced by any road vehicle during normal operation. This chapter introduces such forces on a vehicle when considered as a rigid body. It discusses the source of each force in some detail and how they may be applied to predict the performance of a vehicle. It extends the normal straight-line driving to include non-steady state cornering and the case of car-trailer combinations. Each section generally includes typical problems with detailed solutions.
- Modelling Philosophy
Most of the analyses of vehicle performance rely on the idea of representing the real vehicle by mathematical equations. This process of mathematical modelling is the cornerstone of the majority of engineering analyses. The accuracy of the resulting analysis depends on how well the equations (the mathematical model) represent the real engineering system and what assumptions were necessary in deriving the equations.
A vehicle is a complex assembly of engineering components. For different types of analysis, it is reasonable to treat this collection of masses differently. For example, in analysing vehicle acceleration/deceleration, it may be appropriate to lump together all the masses and treat them as if the vehicle were one single body, a lumped mass, with the mass acting at an effective centre of mass, commonly termed the “centre of gravity”. For ride analyses however, the unsprung masses would typically be treated separately from the rest of the body since they can move significantly in the vertical direction relative to the body. Also, for an internal combustion engine (ICE) vehicle, the engine mass may be treated separately to represent its relative vertical motion on the engine mounts. For driveline analyses, the masses and inertias of the rotating parts in the engine, gearbox, clutch, drive shafts etc. may be separated from the rest of the vehicle mass.
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copy; Springer International Publishing AG 2018 |
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D. C. Barton and J. D. Fieldhouse, Automotive Chassis Engineering, https://doi.org/10.1007/978-3-319-72437-9_1
2 1 Vehicle Mechanics
This lumped mass approach is extremely useful for modelling the gross motions of the vehicle, i.e. in the longitudinal, lateral or vertical directions. The lumped masses are assumed to be rigid bodies with the distribution of mass throughout the body characterised by the inertia properties. Of course, no engineering component is strictly a rigid body, implying infinite stiffness, although it will in many cases be a perfectly adequate assumption to treat it as such. The vehicle body, typically made of pressed steel sections and panels spot-welded together is fairly flexible—a typical torsional stiffness for a saloon car is around 10 kNm/degree. For other types of analysis, e.g. structural properties or high frequency vibration and noise prop-erties, the vehicle body would be treated as a distributed mass, (i.e. its mass and stiffness properties distributed around its geometric shape) and typically a finite element approach would be used for the analysis.
Using the lumped mass approach to a vehicle dynamics problem, the governing equations of motion can usually be derived by applying Newtonrsquo;s Second Law of Motion or its generalised version when rotations are involved which are usually called the Rigid Body Laws. The approach, which is the preferred method for tackling the majority of dynamics problems is:
- Define an axis system
- Draw the Free Body Diagram (FBD)
- Apply the Rigid Body Laws
- Write down any kinematic constraints
- Express forces as functions of the system variables
-
The governing set of equations then come from combining (c), (d), and (e).
- Co-ordinate Systems
There is a standard definition embodied in an SAE standard (SAE J670 Vehicle Dynamics Terminology) for a co-ordinate system fixed in the vehicle and centred on the vehicle centre of gravity (C.G.) as shown in Fig. 1.1. Note that the rotational motions of the vehicle body—roll, pitch and yaw—are defined in the figure. The vehicle fixed co-ordinate system which, therefore, moves with the vehicle is useful for handling analyses. For the analyses of vehicle performance in this chapter, however, a simple ground fixed axis system is appropriate and the analyses are restricted to two dimensions involving longitudinal, vertical and pitch co-ordinates.
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1.3 Tractive Force and Tractive Resistance |
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C.G.
Lateral
Y Pitch
phi;
Longitudinal
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Yaw |
Roll |
X |
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theta; |
|||
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Psi; |
|||
Vertical
Z
Fig. 1.1 The vehicle co-ordinate system as detailed in SAE J670 vehicle dynamics terminology
- Tractive Force and Tractive Resistance
Static and dynamic calculations require an understanding of the dynamic forces and loads involved during motion. These may be referred to as tractive forces and resistances. The following sections discuss these loads and associated tyre properties.
- Tractive Force or Tractive Effort (TE)
The tractive effort (TE) is the force, provided by the engine or electric drivetrain, available at the driven axle road/tyre interface to propel and accelerate the vehicle. For a conventional ICE vehicle, TE is given by:
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TE |
frac14; |
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第1章 摘要 在开始学习本书的重点之前，有必要对道路上正常运行情况下的车辆受力有基本的了解。 本章将车辆视为刚体，并引入这些受力。 详细讨论了每个力的来源，以及它们如何影响预测车辆的性能。它将正常的直线行驶范围扩展到非稳态转弯和挂车组合的情况。 每个部分通常包含典型问题及其详细解决方案。 1.1建模理论 大多数车辆性能分析都依赖于数学方程表示实际车辆的运动。 这个数学建模过程是大多数工程分析的基础。 分析结果的准确性取决于方程（数学模型）能否表示真实的工程系统以及推导方程时做出的假设。 车辆结构复杂，由许多工程零件装配而成。 以不同方式对不同类型车辆进行分析，是合理的。 例如，在分析车辆加速度/减速度时，将所有质量集中在一起并将它们看作是车辆一个集中的质量点，质量作用在有效的质心处，通常称为 “重心”。 然而，分析行驶状态时，因为它们可以在相对于车辆的垂直方向上显着移动，所以非悬挂质量通常将与车辆的其余部分分开处理。 而且，对于内燃机（ICE）车辆，可以单独对待发动机质量，以表示其在发动机支架上的相对垂直运动。 对于传动系分析，发动机、变速箱、离合器、传动轴中的旋转部件的惯性质量可以与车辆其余部分分开。 这种集中质量法对于模拟车辆的总体运动，即纵向，侧向或垂直方向非常有用。 集中质量可被认为是具有惯性特征以代表及整个车辆质量分布的刚体。 当然，没有任何一个工程部件是严格意义上的刚体（有着无限的刚度），尽管在很多情况下刚体是符合情况的假设。 通常由点焊在一起的压制钢部分和面板制成的车身非常柔软 - 轿车的典型扭转刚度约为10 kNbull;m /度。 对于其他类型的分析，例如 结构特性或高频振动和噪声特性，车体将被视为分布质量（即其质量和刚度特性分布在其几何形状周围），并且通常使用有限元方法进行分析。 使用集中质量方法处理车辆动力学问题时，通常可以通过应用牛顿第二运动定律或其广义版本来获得运动控制方程式，其中通常称为刚体法则。 该方法是解决大多数动力学问题的首选方法：
（a）定义一个参考系 1.2坐标系统 美国汽车学会标准（SAE J670车辆动力学术语）中包含一个标准定义，用于固定在车辆系中的坐标系，并以车辆重心（CG）为中心，如图1.1所示。 请注意，图中定义了车身侧倾，俯仰和偏航的旋转运动。 因此建立一个与车辆一起移动的车辆固定坐标系对于处理分析是有用的。 然而，对于本章中车辆性能的分析，一个简单的地面固定轴坐标系是合适的，并且分析仅限于纵向，纵向和纵坐标两个维度。 纵向 侧倾 垂向z 重心 图1.1 汽车行驶坐标系 倾斜 偏航 侧向 Y 1.3牵引力和牵引阻力 静态和动态计算需要理解运动过程中涉及的动态力和载荷。 这些可以被称为牵引力和阻力。 以下各节讨论这些载荷和相关的轮胎特性。 1.3.1牵引力或牵引力 牵引力是发动机或电动传动系统提供的力量，可用于驱动车桥路面/轮胎界面以推动和加速车辆。 对于传统的内燃机车辆，牵引力由以下给出： 图1.2 典型发动机特性曲线 对于传统内燃机汽车,车速可由计算式 其中为发动机转速 图1.2显示了典型的内燃机功率和扭矩特性曲线，与发动机转速关系曲线。 请注意，最大扭矩和最大功率出现在不同的发动机转速下。 电动或混合动力传动系统将具有不同的转矩和功率特性曲线。 但是，传动系并不是本书的重点，因此不再进一步讨论。 1.3.2牵引阻力 车辆对运动的阻力是由三个基本参数决定的：坡度阻力，空气阻力和滚动阻力（慢速操纵，转向阻力也很重要）。 1.3.2.1坡度阻力（GR） 如果车辆正在向上爬坡，坡度阻力就是车辆重量沿坡度下降的比例 - 如图1.3所示的“mg sintheta;”分量。 如果车辆正沿着坡度行进，则该分力将协助车辆，在这种情况下，该力将被称为“坡度辅助”。坡度阻力可以表示为在重心处作用的单个力并且方向平行于路面。 坡度阻力 坡度阻力 图1.3汽车爬坡受力示意图
注意： 1.3.2.2空气阻力或拉力（D） 空气阻力是衡量车辆有效通过空气气流的指标。 它可以表示为在道路水平面上某距离处压力中心所受到的单一力。 这个距离通常首先由计算流体动力学分析确定，并通过风洞试验确定阻力系数。 空气阻力D可以有下式表示：
注意： 阻力系数最终由风洞试验实验确定。 它也可以通过提供其他抵抗力（即滚动阻力）的惯性滑行测试来估计，这是已知的。 从能源效率和燃料经济性的角度来看，阻力系数显然是一个重要的车辆设计参数。 现在最好的乘用车拥有约0.3的阻力系数。 典型的阻力系数值在表格1.1中呈现
阻力系数取决于车辆设计的要素，它决定了车辆通过空气气流的程度。 实际上，这代表了车辆通过流体的“效率”。 如果导致空气改变方向或甚至相对于车辆静止，则会发生损失，车辆前方的静压增加。 如果空气在车辆上快速流动，则静压会降低，并且在某些情况下相对于环境变为负压。 空气阻力增加 车顶扰流减少尾流 常数 显然，从公式看出，随着风速降低，局部压力增加。 相反，随着空气速度的增加，局部压力将下降，实际上可能相对环境变为负值。 这就解释了为什么纸张会被高速打开的天窗“吸入”。 图1.4显示了在风洞中流过梅赛德斯汽车的流线。 应该指出的是，空气越早离开车辆，越大“尾流”（直接位于车辆后方的区域），导致车辆后部的负压增加以及空气动力阻力增加。 如果空气在车辆尾流中形成涡流，或者空气流经发动机舱或轮毂等曲折路径，则会发生其他损失。 这种气流通常被控制并且可以被称为“空气管理”，气流被用于冷却发动机和制动器。 除了水平拖曳力外，车辆上的空气动力学流动通常也会产生垂直向下的力（负升力）。 这种向下的力将有助于转弯，但会有效地增加车辆轮胎和道路间的附着力，并在直线行驶期间增加滚动阻力。 装有尾翼的方程式赛车的目的是平衡转弯所需的增加的下压力和高速直线上产生的伴随增加的尾翼阻力。 如果车辆拖曳挂车或拖车，则可能会出现计算空气动力阻力时要考虑的总面积问题。 一个拖车的顶箱可以形成良好的空气导流板。 如果没有其他信息可用，那么通常将车辆和大篷车前部区域相加以给出总体阻力的上限。 如果这证明是不正确的，那么这个组合的表现会比预期好。 另一方面，如果前方区域被低估，则汽车发动机容量太小，并且组合将表现不佳 - 其动力不足。 1.3.2.3滚动阻力（RR）
假定没有空气阻力，滚动阻力为必须克服的力，以使车辆在水平表面上以恒定速度移动。通常假定车辆在直线行驶，并且路面相当平滑。 滚动阻力被表示为每个车轮的道路和轮胎界面处的力。它可以减少为作用在每个轴的道路/轮胎界面处的单个力。 满载 图1.5轮胎在装载过程中出现的迟滞损失 空载 偏转 轮胎热损失差值 压力 轮胎上的空气阻力引起的空气动力学效应再次增加了损失。
通常将车辆的所有滚动阻力损失包括在一起，并按照由下列公式定义的滚动阻力系数来近似它们：请注意，N一般是车辆重量（mg）与路面垂直的“mg cos theta;”元素，但也应包括由空气动力学效应施加的任何下压力。
特别是，轮胎的滚动阻力当然是轮胎制造商的关键设计参数，它对以下方面非常敏感： 图1.6轮胎宽度对滚动阻力的影响 偏差 轮胎载荷相同 压力相同 面积相同 宽轮胎 窄轮胎 高压 接触减少 低压 边缘接触 正确的压力 良好路面接触 图1.7压力对接触面积和轮胎变形的影响
如果正常轮胎充气至正确的压力，则滚动阻力降低并且车辆经济性增加。如果轮胎充气不足，滚动阻力会由于轮胎壁过度变形而增加。如果发生过度的膨胀，则车辆操控性会受到影响。目前的技术正在趋向于基于到不同的路面和高度自动监测轮胎压力。 这是为了尽量减少油耗，同时保持最佳的车辆性能。 前进力 图1.8平面图显示低速时的转弯阻力 一般来说，转弯阻力取决于转向轮角度（取决于转弯半径），转向轮负载，轮胎/道路界面摩擦水平以及驱动配置（前轮，后轮或全轮驱动）。 考虑图1.8中的情况：其中l是静态轮胎/道路界面摩擦系数（通常称为粘附系数），alpha;是车轮转向方向与车辆向前运动之间的角度。
1.3.3 牵引力和阻力对车辆性能的影响 牵引阻力=滚动阻力 空气阻力坡度阻力 车辆的加速度取决于牵引力和阻力之间的差以及车辆的质量（包括旋转惯性效应），如下所示：图1.9显示了内燃机车辆的牵引阻力（TR）和牵引力（TE）与车辆速度的典型变化。 牵引力（TE）曲线是根据公式（1）中定义的特定传动比的发动机转矩/发动机转速特性计算出来的。（1.1）。 车速（v）由发动机转速，传动比和轮胎滚动半 全文共5789字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[9756]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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