車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力科學(xué)試習(xí)題

1、2017年西安科技大學(xué)研究生車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試卷1、車(chē)輛電子控制系統(tǒng)主要由哪些部分組成各自的功能如何車(chē)輛控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)怎樣請(qǐng)舉例進(jìn)行分析說(shuō)明。（15分）答: 汽車(chē)的所有電子控制系統(tǒng)都是由3部分組成的即：傳感器、控制器和執(zhí)行器。傳感器：主要是收集控制器所需要的各部分的信號(hào)，為控制器指揮執(zhí)行器提供數(shù)據(jù)支持?？刂破鳎菏占瘋鞲衅靼l(fā)送的信號(hào)并對(duì)該信號(hào)和其內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比對(duì)和分析，控制執(zhí)行器進(jìn)行作動(dòng)。執(zhí)行器：整個(gè)控制系統(tǒng)的末端，根據(jù)控制器發(fā)出的指令進(jìn)行作動(dòng)，完成控制器的各種指（有些執(zhí)行器內(nèi)還裝有傳感器，以便控制器檢測(cè)執(zhí)行器是否對(duì)指令進(jìn)行正確實(shí)施）。在市場(chǎng)需求推動(dòng)力和科技技術(shù)發(fā)展推動(dòng)力的共同作用之下，電子

2、化正成為汽車(chē)車(chē)身控制的趨勢(shì)，車(chē)身電子市場(chǎng)正在以高于汽車(chē)市場(chǎng)增速的速度發(fā)展。從乘用車(chē)到商用車(chē)，從微型車(chē)到中高級(jí)車(chē)、SUV，車(chē)身電子控制正在快速取代落后的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。車(chē)身電子控制系統(tǒng)服務(wù)于舒適性、安全性需求，實(shí)現(xiàn)功能有內(nèi)外燈光控制，中控鎖控制，搖控鑰匙，發(fā)動(dòng)機(jī)防盜控制，電動(dòng)后視鏡，自動(dòng)雨刮，天窗控制，電動(dòng)座椅等等。2、結(jié)合圖1所示，論述車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容、各部分的影響關(guān)系及底盤(pán)控制的研究進(jìn)展。（15分）答：車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究所有與車(chē)輛系統(tǒng)有關(guān)運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。它的設(shè)計(jì)范圍很廣，除了影響車(chē)輛縱向運(yùn)動(dòng)及其子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)（如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)、加速、制動(dòng)、防抱死和牽引力控制系統(tǒng)等方面的

3、因素）外，還有車(chē)輛在垂向和橫向兩個(gè)方面的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，即行駛動(dòng)力學(xué)的操縱動(dòng)力學(xué)。行駛動(dòng)力學(xué)主要研究由路面的不平激勵(lì)，通過(guò)懸架和輪胎垂向力引起的車(chē)身跳動(dòng)和俯仰以及車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)；而操縱動(dòng)力學(xué)研究車(chē)輪的操縱特性，主要與輪胎側(cè)向力有關(guān)，并由此引起車(chē)輪側(cè)滑、橫擺和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。電子技術(shù)在汽車(chē)技術(shù)中廣泛應(yīng)用使汽車(chē)底盤(pán)的控制正在快速地向電子化、 智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展從而出現(xiàn)了許多汽車(chē)底盤(pán)電子控制系統(tǒng)。特別是像 ABS、TCS 和 ESP 這些技術(shù)十分成熟功效顯赫成本低廉的電子控制系統(tǒng)在汽車(chē)中的安裝率逐年上升。各種電子轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)如 AFS、EPS 和 RWS 也在不斷地安裝到中高檔轎車(chē)?yán)铩Ｆ?chē)電子轉(zhuǎn)向控制能在必要

4、時(shí)向駕駛員提出合理的建議或者對(duì)駕駛員的指令進(jìn)行必要的修正。 在一些豪華型轎車(chē)?yán)镆查_(kāi)始應(yīng)用電子懸掛控制系統(tǒng)如 ARC 和 CDC 等。為了讓各種汽車(chē)底盤(pán)電子控制系統(tǒng)更和諧、更有效地工作汽車(chē)工業(yè)界正在研究和制定汽車(chē)開(kāi)放性系統(tǒng)構(gòu)架 AUTO SAR。使汽車(chē)系統(tǒng)和控制軟件具有開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化接口加速汽車(chē)底盤(pán)電子控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化從而加 ESPII和 GCC 的產(chǎn)品化和系列化進(jìn)程。 為了最終實(shí)現(xiàn)汽車(chē)駕駛的全自動(dòng)化 人們正在從事汽車(chē)線控系統(tǒng)的研發(fā)和試制。 隨著電子傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化將這些新的信息同汽車(chē)底盤(pán)電子控制系統(tǒng)結(jié)合將會(huì)出現(xiàn)更多的新功能和新系統(tǒng)如 ACC、前向車(chē)輛碰撞警告和自動(dòng)緊急制

5、動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)道偏離警告和車(chē)線維持系統(tǒng)等。 3、簡(jiǎn)述ABS、TCS、ESP、EPS、YSC、VSC、4WS、ASS(主動(dòng)懸架)主要解決什么問(wèn)題，分別畫(huà)圖說(shuō)明其工作原理，選擇其中的一個(gè)系統(tǒng)建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。（15分）答：（1）“ABS”中文譯為“防鎖死剎車(chē)系統(tǒng)”.它是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)的汽車(chē)安全控制系統(tǒng)。ABS是常規(guī)剎車(chē)裝置基礎(chǔ)上的改進(jìn)型技術(shù)，可分機(jī)械式和電子式兩種?，F(xiàn)代汽車(chē)上大量安裝防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，ABS既有普通制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)功能，又能防止車(chē)輪鎖死，使汽車(chē)在制動(dòng)狀態(tài)下仍能轉(zhuǎn)向，保證汽車(chē)的制動(dòng)方向穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏。 （2）牽引力控制系統(tǒng)(TCS)，其英文全稱(chēng)是Traction

6、Control System，即循跡控制系統(tǒng)，是根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)數(shù)及傳動(dòng)輪的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)判定驅(qū)動(dòng)輪是否發(fā)生打滑現(xiàn)象，當(dāng)前者大于后者時(shí)，進(jìn)而抑制驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的一種防滑控制系統(tǒng)。汽車(chē)在光滑路面制動(dòng)時(shí)，車(chē)輪會(huì)打滑，甚至使方向失控。同樣，汽車(chē)在起步或急加速時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪也有可能打滑，在冰雪等光滑路面上還會(huì)使方向失控而出危險(xiǎn)，TCS依靠電子傳感器探測(cè)到從動(dòng)輪速TCS牽引力控制系統(tǒng) 度低于驅(qū)動(dòng)輪時(shí)（這是打滑的特征），就會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)間、減小氣門(mén)開(kāi)度、減小油門(mén)、降擋或制動(dòng)車(chē)輪，從而使車(chē)輪不再打滑。（3）ESP是一種牽引力控制系統(tǒng)，與其他牽引力控制系統(tǒng)比較，ESP不但控制驅(qū)動(dòng)輪，而且可控制從輪。如后輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)常

7、出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向過(guò)多情況，此時(shí)后輪失控而甩尾，ESP便會(huì)剎慢外側(cè)的前輪來(lái)穩(wěn)定車(chē)子；在轉(zhuǎn)向過(guò)少時(shí)，為了校正循跡方向，ESP則會(huì)剎慢內(nèi)后輪，從而校正行駛方向。（4）EPS：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(electricpowersteering)是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：僅在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力,能減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)裝置的作用而助力向系的擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性,提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性；沒(méi)有液壓回路,

8、調(diào)整和檢測(cè)更容易,裝配自動(dòng)化程度更高,且可通過(guò)設(shè)置不同的程序，快速與不同車(chē)型匹配,縮短生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)周期；不存在漏油問(wèn)題,減小對(duì)環(huán)境的污染。（5）YSC：傳統(tǒng)車(chē)輛橫擺穩(wěn)定性控制(yaw stability control, YSC)的實(shí)現(xiàn)多采用分層結(jié)構(gòu).上層為運(yùn)動(dòng)跟蹤層，主要包括參考模型的選取和橫擺力矩控制器的設(shè)計(jì)；下層為轉(zhuǎn)矩分配層，根據(jù)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)和約束將所需橫擺力矩合理分配給各執(zhí)行器。圖車(chē)輛橫擺穩(wěn)定性優(yōu)化控制框圖（6）車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)(VSC),英文全稱(chēng)Vehicle Stability Control）。這些系統(tǒng)工作時(shí)，都必須檢測(cè)車(chē)輪是否將要抱死并能單獨(dú)的調(diào)整車(chē)輪的制動(dòng)力。VSC系統(tǒng)擁有三

9、大特點(diǎn)： (1)實(shí)時(shí)監(jiān)控：VSC系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控駕駛者的操控動(dòng)作（轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和油門(mén)等）、路面信息、汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并不斷向發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令。 (2)主動(dòng)干預(yù)：ABS等安全技術(shù)主要是對(duì)駕駛者的動(dòng)作起干預(yù)作用，但不能調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)。VSC系統(tǒng)則可以通過(guò)主動(dòng)調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)，以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并調(diào)整每個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，來(lái)修正汽車(chē)的過(guò)度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足。(3)事先提醒：當(dāng)駕駛者操作不當(dāng)或路面異常時(shí)，VSC系統(tǒng)會(huì)用警告燈警示駕駛者。(7) 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（4WS），是指后輪也和前輪相似，具有一定的轉(zhuǎn)向功能，不僅可以與前輪同方向轉(zhuǎn)向，也可以與前輪反方向轉(zhuǎn)向。4WS 汽車(chē)在低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后車(chē)輪逆相位轉(zhuǎn)

10、向，可減小車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑；在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后輪主要作同相位轉(zhuǎn)向，能減少車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角，降低車(chē)輛橫擺率的穩(wěn)態(tài)超調(diào)量等，進(jìn)一步提高車(chē)輛操縱穩(wěn)定性。(8) ASS主動(dòng)懸掛系統(tǒng)是近十年發(fā)展起來(lái)的由電腦控制的一種新型懸掛系統(tǒng)。主動(dòng)懸掛系統(tǒng)具有控制車(chē)身運(yùn)動(dòng)的功能。當(dāng)汽車(chē)制動(dòng)或拐彎時(shí)的慣性引起彈簧變形時(shí)，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與慣力相對(duì)抗的力，減少車(chē)身位置的變化。主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，又稱(chēng)主動(dòng)制導(dǎo)懸架系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)可變懸掛系統(tǒng)等，通過(guò)改變懸掛系統(tǒng)的高度、形狀和阻尼等，起到控制車(chē)身振動(dòng)和車(chē)身高度的功能，主要能增進(jìn)汽車(chē)操作穩(wěn)定性、乘坐舒適性等性能。4、振動(dòng)動(dòng)力學(xué)涉及哪些內(nèi)容如何改善車(chē)輛的振動(dòng)性能選取一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)動(dòng)力學(xué)建

11、模，并采用軟件工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。（15分）答：振動(dòng)動(dòng)力學(xué)涉及線性振動(dòng)理論，振動(dòng)問(wèn)題近似解法，非線性振動(dòng)，以及隨機(jī)振動(dòng)。(1)調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)本身的固有頻率，使其臨界轉(zhuǎn)速增加或者降低到發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速之外。由于固有頻率主要取決于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度，因此可通過(guò)改變傳動(dòng)系統(tǒng)中任一部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度來(lái)調(diào)整固有頻率。由于軸段扭轉(zhuǎn)剛度與軸徑的四次方成反比，故改變軸徑的效果明顯。實(shí)際中常用的調(diào)額方法是；改變遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)處(如飛輪)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；四改變傳動(dòng)系統(tǒng)某些軸段的扭轉(zhuǎn)剛度，如采用扭轉(zhuǎn)剛度較小的彈性聯(lián)軸器，可顯著降低傳動(dòng)系統(tǒng)的單節(jié)點(diǎn)固有頻率。 (2)提高系統(tǒng)阻尼以衰減傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)液力耦合器或液力變矩器具有

12、良好的阻尼特性，可有效地消除傳動(dòng)系統(tǒng)扭振。而對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式離合器來(lái)說(shuō)，則需要其他輔助裝置來(lái)增加阻尼。實(shí)際中通常采用的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)減振裝置不盡相同，常用的有以下兩種：扭轉(zhuǎn)減振器。通常在離合器中安裝扭轉(zhuǎn)減振器，降低離合器與交建省之間的扭轉(zhuǎn)剛度，并提高系統(tǒng)阻尼。扭轉(zhuǎn)減振器中同時(shí)具有彈簧和阻尼的作用，在其壓盤(pán)彈黃剛度變化的同時(shí)，還產(chǎn)生摩擦阻尼。為保證均勻使系統(tǒng)在不同情況下都能提供滿意的陽(yáng)尼特性，在扭轉(zhuǎn)誠(chéng)振器中可地衰減不同頻率的振幅，在發(fā)動(dòng)機(jī)愈速工況下起作用，以消除變速器息速噪聲。采用雙質(zhì)量飛輪，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：降低了發(fā)動(dòng)機(jī)-變速器振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，可避免柴油機(jī)息速時(shí)發(fā)生共振；可加大減振彈簧的布置半徑

13、，降低減振彈簧剛度，并容許增大轉(zhuǎn)角；由于其較好的減振效果，變速器中可采用粘度較低的齒輪油而不致產(chǎn)生齒輪沖擊噪聲，并可改善低溫工況下的換擋性能。而且，由于從動(dòng)盤(pán)中無(wú)減振器，減少了從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也有利于換擋平穩(wěn)。與采用附加扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)相比，采用雙質(zhì)量飛輪減振成本較高，并且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變引起了維修不便，也使成本增加。此外，由于雙質(zhì)量飛輪的結(jié)構(gòu)空間布置困難，因面未能在前輪驅(qū)動(dòng)車(chē)輛中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)求得的振型畫(huà)出振型圖，并將振型圖中振幅為零的質(zhì)點(diǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)處的振幅最小，而扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力最大，所以節(jié)點(diǎn)處是危險(xiǎn)截面。由振型圖可以得到危險(xiǎn)截面所在的部件。5、選定一種車(chē)輛控制系統(tǒng)，并采用一定的控制

14、策略或控制算法對(duì)該系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析。（20分） 答：天棚控制策略是以抑制車(chē)身振動(dòng)為目的的控制方法，是提高車(chē)輛平順性的有效策略之一。其控制原理為當(dāng)懸架簧載質(zhì)量的絕對(duì)速度1與簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的相對(duì)速度12的乘積大于零時(shí)，半主動(dòng)懸架系統(tǒng)產(chǎn)生的可控阻尼力Fsa與簧載質(zhì)量的絕對(duì)速度成正比，否則可控阻尼力等于零。即Fsa=csky1 1120Fsa=0 112<0 式中，csky為天棚阻尼系數(shù)。天棚控制策略忽略了懸架非簧載質(zhì)量的振動(dòng)問(wèn)題，易造成重載車(chē)輛對(duì)地面的損傷，降低車(chē)輛的道路友好性。與傳統(tǒng)天棚控制策略相反，地棚控制策略是一種旨在控制非懸掛質(zhì)量振動(dòng)的方法。當(dāng)懸架非簧載質(zhì)量的絕對(duì)速度2與簧載

15、質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的相對(duì)速度12的乘積大于零時(shí)，半主動(dòng)懸架系統(tǒng)產(chǎn)生的可控阻尼力Fsa與非簧載質(zhì)量的絕對(duì)速度成正比，否則阻尼力等于零。即Fgnd=cgnd2 - 2120Fgnd=0 112<0式中，cgnd為地棚阻尼系數(shù)。地棚控制策略忽略了簧載質(zhì)量的振動(dòng)，致使車(chē)輛行駛時(shí)車(chē)身振動(dòng)加速度增加，降低了車(chē)輛行駛平順性。6、以別克轎車(chē)為例，在MATLAB環(huán)境下對(duì)操縱動(dòng)力學(xué)的操縱穩(wěn)定性能進(jìn)行仿真分析。主要 內(nèi)容如下： 1. 列出兩自由度操縱穩(wěn)定性模型的運(yùn)動(dòng)微分方程； 2. 分析角階躍輸入下的橫擺角速度響應(yīng)，根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合理論進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)總結(jié)。 1) 比較不同速度下的響應(yīng)； 2) 修改質(zhì)量，

16、比較不同質(zhì)量的響應(yīng)； 3) 分別修改前輪和后輪的側(cè)偏剛度，比較不同側(cè)偏剛度的影響。3. 根據(jù)上面的方程及分析，思考不同路面附著系數(shù)下（如普通水泥路面與冰雪路面）車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的影響，并給出合理的解釋。（20分）別克轎車(chē)的模型參數(shù)參數(shù)符號(hào)單位別克質(zhì)量mkg2045轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IKg·m²5428質(zhì)心到前軸距離am1.488質(zhì)心到后軸距離bm1.712前輪側(cè)偏剛度k1KN/rad-77.85后輪側(cè)偏剛度k2KN/rad-76.51軸距Lm3.200答：1. 兩自由度操縱穩(wěn)定性模型的運(yùn)動(dòng)微分方程 對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的simulink仿真模型，可以把模型中完成特定功能的部分模塊組合起來(lái)，創(chuàng)建

17、一個(gè)新的模塊，即了系統(tǒng)。了系統(tǒng)減少了simulink框圖中模塊的數(shù)量，使模型的層次、結(jié)構(gòu)及功能更加清晰，應(yīng)用性強(qiáng)，降低了建模難度。將式(1)化簡(jiǎn)整理為: 當(dāng)車(chē)速u(mài)取15 m/s, 20 m/s不1125 m/s時(shí)，橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角仿真結(jié)果如圖3: 圖3橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)曲線 汽車(chē)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性是評(píng)價(jià)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性有3種狀況:不足轉(zhuǎn)向、過(guò)度轉(zhuǎn)向和中性轉(zhuǎn)向。駕駛員都習(xí)慣于駕駛具有適度不足轉(zhuǎn)向的汽車(chē)。汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的穩(wěn)定性極限對(duì)安全行車(chē)影響很大。如果駕駛員對(duì)汽車(chē)的操縱動(dòng)作使汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)超過(guò)了這一限度，汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)就會(huì)失去穩(wěn)定，發(fā)生側(cè)滑或傾翻，從而危及行車(chē)安全。 當(dāng)前輪上的側(cè)向反力先達(dá)到附著極限時(shí)，因前輪發(fā)生的側(cè)滑，汽車(chē)的橫