车辆系统仿真理论与实践

1.车辆系统

车辆是指装有轮子的交通运输工具，包括轮式和履带式两种。本书仅讨论地面车辆，不考虑轨道车辆和气垫车辆。车辆依照运输和作业任务（人员或物资运输、勘探、作战、农耕、采矿、建筑、维修等）的不同产生不同类型的构型。不同构型的车辆依据作业任务在运用中对其时间因素、空间因素和限制性因素作出了具体的规定和要求。例如，车辆的速度、形状、尺寸、载重、功率等。基于车辆构型有不同的结构和组成，针对所分析问题及目的，可建立车辆整体或局部的简化子系统作为分析对象。

如图1.1.5所示，车辆系统通常包括车体、动力系统、传动系统、操控系统、行动系统、作业装置和辅助装置。车体是车辆的骨架，起承载、安装和传力作用，属于分布参数系统，其结构强度和减重成为分析的主要目标。动力系统是车辆的心脏和动力源泉，包括人力、畜力、内燃机、电动机、燃气轮机等，还包括动力辅助装置，不同类型的动力系统的特性不同，其结构组成也不同，内燃机通常以热力学理论为基础进行建模与仿真分析。传动系统用于弥补和完善动力系统的不足，满足车辆行驶需求，通常有变速机构、转向机构、制动机构、变矩器、传动箱、离合器、联轴器等，结构复杂，部件类型多，以机械液力系统为主，属于集中参数动力学系统，其传动比、力矩、速度、效率和疲劳寿命是分析的重点。操控系统是人与车的互动机构，以实现人的意图为目的，其行程、力、速度、控制规律是分析的重点。行动系统包括行驶推进装置和悬挂装置，决定着车辆的通过性和越野机动性；车辆平顺性、通过性、越野机动性以行动系统影响最大，其悬挂性能、轮胎－土壤相互作用、履带－土壤相互作用、行驶机构是分析的重点。作业装置和辅助装置因车辆的构型而各不相同，往往针对作业任务而设置。

由于车辆属于运输工具，最重要的性能都与其动力学相关，因此车辆系统属于连续系统，采用常微分方程组或偏微分方程组来描述。

2.车辆系统的模型(www.xing528.com)

车辆系统的模型包括实体模型和数学模型。实体模型通常建立在试验台上，可以是整车或部件的比例模型，模拟真实路面状态或使用环境，施加动力和负载，利用传感器和数据采集系统获得所需要的试验数据，以此对所分析的系统进行辅助设计或评价验证。实体模型依托实车部件或比例模型进行试验验证，其试验结果真实度高，往往应用在设计完成之后验证或必须依托实体模型的分析计算，设计之初主要还是依托数学模型和经验值修正来完成的。

图1.1.5　货车总体构造

1—发动机；2—前悬架；3—转向车轮；4—离合器；5—变速器；6—万向传动装置；7—驱动桥；8—驱动车轮；9—后悬架；10—车架；11—车箱；12—转向盘；13—驾驶室。

数学模型是车辆系统计算机辅助设计的主要依托和手段，一次建模主要依据原始车辆系统的物理规律来完成，二次建模在一次建模的数学模型下完成。依据车辆系统的属性，其数学模型应为连续的、动态的模型，其主要特征是用常微分方程、偏微分方程和差分方程分别描述集中参数系统、分布参数系统和离散时间系统。其中，常微分方程、偏微分方程也可以转换成差分方程形式。车辆系统是一种复杂的连续系统，依据的分析目标不同，其复杂及耦合程度也会不同，从而导致数学模型的结构形式和求解算法也会有所变化。