车辆动力学:建模与仿真

——本书是一本系统介绍车辆动力学和运动学建模与仿真分析的专业工具书，主要介绍了车辆系统动力学建模与仿真的理论基础和构建方法；——通过理论分析和抽象，建立整车、发动机、行驶系统、传动系统、悬架系统、路面与车轮相互作用等的模型方案，计算公式步骤详细；——采用实例示范车辆动力学模型的求解和分析过程，注重工程应用，解决工程实际问题，书中建模相关的数据和图表大多来自实际的汽车开发项目；——本书既可做研究生课程的引进教材，也可作汽车工程技术人员及研究人员的参考书。

《车辆动力学——建模与仿真》主要介绍了汽车数学建模与仿真的理论基础以及车辆动力学、运动学模型的构建方法；详细描述了刚体动力学的有关知识，并通过理论分析和抽象建立了整车、悬架、路面-车轮相互作用等模型的方法；采用实例解析了车辆动力学模型的求解和分析方法。
本书内容实用，注重工程应用，解决实际问题，既可作大学生及研究生在汽车动力学研究领域的相关教材，也可作汽车工程技术人员及研究人员的参考书。

作者:（德）迪特尔·施拉姆（Dieter Schramm）、（德）曼弗雷德·席勒（Manfred Hiller）、（德）罗伯托·巴迪尼（Roberto Bardini）

第1章绪论1
1.1定义1
1.1.1建模技术系统2
1.1.2系统的定义3
1.1.3仿真与仿真环境4
1.1.4车辆模型4
1.2完整的车辆模型7
1.2.1车辆模型及其应用领域9
1.2.2商务车的仿真系统9
1.3本书概要10
1.4本书网址11
参考文献11

第2章数学与运动学基础13
2.1矢量13
2.1.1矢量的基本算法13
2.1.2物理矢量14
2.2坐标系及其分量14
2.2.1坐标系14
2.2.2分量分解14
2.2.3分量表示之间的关系15
2.2.4变换矩阵的性质16
2.3线性矢量函数和二阶张量17
2.4刚体的自由运动18
2.4.1刚体的一般运动18
2.4.2相对运动21
2.4.3重要的参考坐标系22
2.5旋转运动23
2.5.1一般形式的空间旋转和角速度24
2.5.2参数化的旋转运动24
2.5.3旋转位移对和旋转张量25
2.5.4旋转位移对和角速度27
2.5.5卡尔丹（布莱恩特）角27
参考文献30

第3章多体系统运动学31
3.1运动链的结构31
3.1.1拓扑建模31
3.1.2运动学建模32
3.2运动链中的运动副33
3.2.1空间运动链中的运动副34
3.2.2平面运动链中的运动副35
3.2.3球面运动链中的运动副35
3.2.4运动副的分类36
3.3自由度和广义坐标37
3.3.1运动链的自由度37
3.3.2道路车辆悬架运动学实例38
3.3.3广义坐标39
3.4运动链合成的基本原则39
3.4.1稀疏方法——绝对坐标公式40
3.4.2矢量环法——拉格朗日公式42
3.4.3拓扑方法——最少坐标公式43
3.5完整多体系统的运动学44
3.5.1基本概念44
3.5.2模块线形图和运动网络45
3.5.3空间四连杆机构的相对运动学47
3.5.4相对运动学、绝对运动学和全局运动学48
3.5.5实例——双横臂式悬架49
参考文献51

第4章复杂多体系统的运动方程52
4.1质点系的动力学基本方程52
4.2若丹原理53
4.3质点系的第一类拉格朗日方程53
4.4刚体的第二类拉格朗日方程54
4.5达朗贝尔原理55
4.6基于计算机的运动方程推导57
4.6.1绝对运动的微分57
4.6.2运动方程59
4.6.3空间多体动力学60
参考文献66

第5章车体运动学和动力学67
5.1车辆固定参考系67
5.2底盘运动学分析69
5.2.1悬架运动学69
5.2.2运动方程71
参考文献72

第6章悬架的建模与分析73
6.1悬架系统的功能73
6.2不同类型的悬架74
6.2.1梁式车桥75
6.2.2扭转梁式悬架75
6.2.3纵臂式独立悬架76
6.2.4斜臂式独立悬架77
6.2.5双横臂式独立悬架78
6.2.6麦弗逊式独立悬架79
6.2.7多连杆式悬架79
6.3悬架的特征变量80
6.4一维1/4车辆模型82
6.5麦弗逊式悬架三自由度模型84
6.5.1运动学分析85
6.5.2求解过程87
6.6五连杆后悬架三自由度模型91
6.6.1运动学分析91
6.6.2隐式解93
6.6.3三维1/4车辆模型的仿真结果96
参考文献99

第7章路面与轮胎的接触模型100
7.1轮胎的结构101
7.2车轮与路面间的力101
7.3静止状态下轮胎接触力101
7.3.1受垂直载荷作用的轮胎102
7.3.2滚动阻力103
7.3.3受纵向力（圆周力）作用的轮胎103
7.3.4受侧向力作用的轮胎112
7.3.5外倾角对轮胎侧向力的影响114
7.3.6在接触面上轮胎载荷与轮胎力的影响115
7.3.7轮胎力的基本构成115
7.3.8纵向力和侧向力的叠加115
7.4轮胎模型117
7.4.1接触点的几何形状118
7.4.2接触速度121
7.4.3滑移值的计算122
7.4.4魔术公式轮胎模型123
7.4.5滑移叠加的魔术公式124
7.4.6HSRI轮胎模型125
7.5非稳态轮胎特性128
参考文献129

第8章传动系统建模131
8.1传动系统的概念131
8.2建模132
8.2.1发动机缸体的相对运动132
8.2.2传动系统建模132
8.2.3发动机悬置133
8.2.4等速万向节建模137
8.3发动机模型139
8.4传动系统的相对运动学140
8.5传动系统的绝对运动学142
8.6运动方程142
8.7仿真结果讨论143
参考文献144

第9章车辆的受力分析146
9.1多体系统的力和力矩147
9.1.1反作用力147
9.1.2作用力148
9.2制动系统的工作过程148
9.3空气阻力149
9.4弹簧和减振器的分力151
9.4.1弹簧元件151
9.4.2减振器元件152
9.4.3并联时的受力152
9.4.4串联时的受力152
9.5防侧倾杆153
9.5.1被动防侧倾杆154
9.5.2主动防侧倾杆156
9.6橡胶合成元件156
参考文献157

第10章单轨模型159
10.1线性单轨模型159
10.1.1线性单轨模型的运动方程160
10.1.2稳态转向特性和转弯164
10.1.3非稳态转向特性下的车辆稳定性166
10.2非线性单轨模型167
10.2.1非线性单轨模型的运动学168
10.2.2轮胎受力170
10.2.3驱动力矩和制动力矩173
10.2.4运动方程174
10.2.5状态方程175
10.3线性侧倾模型176
10.3.1底盘侧倾运动方程178
10.3.2动态轮胎载荷180
10.3.3自转向特性的影响182
参考文献183

第11章双轨模型184
11.1无悬架运动的双轨模型184
11.1.1用于基本空间双轨模型的牛顿和欧拉方程186
11.1.2弹簧力和阻尼力188
11.1.3车轮的牛顿与欧拉方程189
11.1.4轮胎与路面的接触189
11.1.5传动系统192
11.1.6制动系统193
11.1.7运动方程194
11.2有悬架运动的双轨模型194
11.2.1双轨模型的自由度195
11.2.2车辆底盘运动学197
11.2.3车轮悬架的广义运动学199
11.2.4有拖曳臂的悬架202
11.2.5半拖曳臂式悬架的车轮运动学206
11.2.6轮胎的力和力矩208
11.2.7悬架弹簧和减振器208
11.2.8气动力209
11.2.9转向209
11.2.10防侧倾杆210
11.2.11作用力和力矩210
11.2.12牛顿方程和欧拉方程211
11.2.13运动和状态空间方程214
11.3简化的驾驶员模型214
11.3.1控制器的概念215
11.3.2参数化216
参考文献217

第12章三维整车模型218
12.1整车建模218
12.1.1后轮驱动整车模型的运动学218
12.1.2前轮驱动和四轮驱动的整车模型运动学226
12.1.3整车模型动力学236
12.2整车仿真237
12.2.1FASIM_C++的安装和概念238
12.2.2整车模型的模块结构239
12.2.3运动方程的结构242
12.2.4数值积分246
12.2.5事件处理248
参考文献249

第13章典型的复杂整车建模251
13.1整车模型的建立251
13.2模型的验证和确认253
13.2.1验证253
13.2.2确认254
13.3参数化的汽车模型260
13.3.1参照模型的定义260
13.3.2参数化模型和验证模型的比较265
参考文献267

第14章应用实例269
14.1转向阶跃输入的仿真（ISO1989）269
14.2车辆侧倾的仿真271
14.2.1虚拟试验场274
14.2.2仿真结果276
14.3使用主动防侧倾杆的侧倾动力学控制285
14.3.1被动防侧倾杆285
14.3.2前后轴的刚度分配285
14.3.3利用主动防侧倾杆进行侧倾动态控制287
14.3.4控制单元的设计288
14.3.5响应和干扰的影响290
14.3.6模糊逻辑的侧倾转矩分配290
14.3.7主动控制原则290
14.3.8侧倾转矩分配控制实现的可能292
参考文献293

索引295