车辆动力学:建模与仿真 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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迪特尔·施拉姆（Dieter Schramm） 著，罗伯托·巴迪尼（Roberto Bardini） 编

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• 车辆动力学
• 汽车工程
• 建模仿真
• MATLAB
• Simulink
• 车辆控制
• 汽车悬架
• 动力学分析
• 汽车设计
• 交通工程

出版社： 化学工业出版社

ISBN：9787122294340

版次：1

商品编码：12162057

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-08-01

用纸：胶版纸

页数：302

字数：381000

正文语种：中文

编辑推荐

适读人群 ：本书既可作汽车动力学研究领域的大学生和研究生的教材，也可作汽车工程技术人员及研究人员的参考书。
——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。

内容简介

《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。

内页插图

目录

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

前言/序言

本书主要内容以车辆动力学以及汽车的数学建模与仿真为基础，其应用范围包括最基本的单轨迹模型和复杂的空间多体系统模型。读者可以自己建立仿真模型，应用成熟的商业化程序来选择合适的模型，并进一步理解和评估仿真结果。本书详细描述了如何通过应用软件完成从实车到数学模型，再到仿真结果验证的整个建模过程。
本书主要面向那些在论文中或工作中涉及工程学方面内容的学生和研究生，也面向工程技术人员和车辆动力学或相关的仿真程序应用研究人员。
本书主要基于数学方法进行车辆动力学的建模，因此需要读者具有数学基础，比如可以先学习工程学或自然科学专业的前三个学期的课程。
本书是德文第二版的英文版本。
我们在此感谢所有为本书做出贡献的人，他们每个人都为本书提出了问题或建议。我们想特别感谢Stephanie Meyer、Lawrence Louis和Michael Unterreiner，他们完成了一些章节的翻译和校对工作，具有突出贡献；也感谢Frederic Kracht认真地进行校对，并帮助我们解决了一些文字处理软件中出现的难以解决的问题。

2014年5月于杜伊斯堡
Dieter Schramm,Manfred Hiller,Roberto Bardini

机械设计与制造基础：理论、方法与应用 本书聚焦于现代机械工程领域的核心基础——机械设计与制造的系统性理论、先进方法论及其在工程实践中的具体应用。旨在为机械、材料、自动化、工业工程等相关专业的学生、初级工程师以及寻求知识深化的专业人士提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考教材。 --- 第一部分：机械设计基础理论与方法 本部分深入探讨了机械设计过程中所依赖的基本物理原理、材料行为以及结构可靠性分析的理论框架。 第一章 机械系统概述与设计哲学 本章首先界定了现代机械系统的构成要素，包括功能模块、传动链、控制单元和结构载体的相互关系。重点阐述了面向性能、面向成本、面向可制造性和面向维护性的多目标设计哲学。详细分析了从概念设计到详细设计的完整流程，强调了系统思维在解决复杂工程问题中的重要性。引入了生命周期评估（LCA）在设计决策中的初步考量。 第二章 工程材料科学基础与选择 深入研究了金属、高分子、陶瓷及复合材料的宏观力学性能（强度、刚度、韧性、疲劳极限）与微观结构之间的内在联系。详细介绍了应力-应变关系的本构模型，特别关注了材料在不同载荷条件下的非线性行为。本章的核心内容是材料选择的系统方法论，包括基于性能指标的矩阵筛选法和考虑环境因素（温度、腐蚀）的修正标准，为后续的结构设计提供了坚实的材料基础。 第三章 静力学分析与结构强度 本章回归基础，系统阐述了静力平衡原理、应力与应变的概念。详细分析了杆件、梁、轴和壳体等基本构件在静载荷下的内力分布和变形计算。重点讲解了经典的强度理论（如冯·米塞斯准则、特雷斯卡准则）在复杂应力状态下的应用。引入了接触应力分析的基本方法，为齿轮和轴承等元件的设计打下基础。 第四章 疲劳、蠕变与可靠性设计 结构失效是机械设计中必须避免的核心问题。本章全面覆盖了交变应力下的结构破坏机制。详细讨论了S-N曲线的构建与应用，以及Goodman、Soderberg等疲劳许用应力线的确定。针对高低温环境下的长期服役问题，系统介绍了蠕变和应力松弛现象的机理与寿命预测模型。最后，引入了概率论在机械可靠性设计中的应用，讲解了可靠性指标（如平均寿命、失效概率）的计算与优化。 第五章 机构运动学与动力学 本章专注于机械装置的运动规律和能量传递分析。详细分析了平面和空间连杆机构的运动分析（位置、速度、加速度），并介绍了瞬心法和速度投影法。在动力学方面，讲解了机构的惯性力、冲击力的计算，以及利用虚功原理和拉格朗日方程分析复杂机构的动态响应。本章特别关注了振动隔离和噪声抑制在机构设计中的初步对策。 --- 第二部分：关键机械传动元件设计与计算 本部分将理论知识转化为具体的工程设计实践，专注于机械传动系统中最为关键和普遍应用的元件。 第六章 机械连接件与紧固技术 深入探讨了静连接（焊缝、铆接）和可拆卸连接（螺栓、键、销）的设计准则。对螺栓连接的预紧力计算、防松技术（机械锁固、弹性变形）进行了详尽的分析，确保连接的可靠性和装配精度。 第七章 摩擦、润滑与轴承技术 本章阐述了摩擦学的基本原理，包括干摩擦、边界润滑和流体润滑的特性。重点讲解了润滑剂的选择标准和润滑系统的设计。全面覆盖了滚动轴承和滑动轴承的选型、静载荷和动载荷下的寿命计算（L10寿命标准），以及密封技术在保持润滑性能中的作用。 第八章 齿轮传动系统设计 齿轮传动是机械动力的核心载体。本章详细介绍了标准直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮和人字齿轮的几何参数、啮合原理和强度校核。涵盖了齿面接触疲劳（点蚀）和齿根弯曲疲劳的计算方法，并引入了提高齿轮承载能力和降低噪声的制造公差与表面处理技术。 第九章 带传动与链传动 针对需要柔性连接或改变中心距的场合，本章分析了V带、同步带和链条传动的特性。计算了传动比的精确性、中心距的优化选择，并探讨了张紧机构的设计，以应对不同工况下的滑动和拉伸现象。 --- 第三部分：现代制造工艺与可制造性设计（DFM） 本部分将设计蓝图转化为实际产品，关注制造过程的限制、成本控制和质量保证。 第十章 机械加工基础与精度控制 系统介绍了切削原理、主要机床（车、铣、磨）的工作方式及其加工能力。重点讲解了尺寸公差、形位公差的标注体系（如ISO标准），以及如何通过合理的工艺路线规划来确保最终产品的几何精度和表面质量。 第十一章 成形制造技术：铸造与锻造 探讨了毛坯制造的主流方法。详细分析了铸造工艺（砂型、金属型）的优缺点、收缩率的补偿，以及铸件缺陷的形成机理。对于锻造，阐述了塑性变形过程中的金属流动规律和模具设计原则，强调其对提高材料内部组织性能的优势。 第十二章 现代连接与增材制造概论 涵盖了现代高效连接技术，如精密配合、胶粘接和新型焊接方法。特别引入了增材制造（3D打印）技术在机械原型制作和复杂零件制造中的应用潜力，分析了其对传统设计约束的颠覆性影响。 第十三章 可制造性设计（DFM）与成本优化 DFM是连接设计与制造的桥梁。本章指导读者如何根据所选的制造工艺来优化设计参数，避免“不可制造”的几何特征，减少工序数量，并降低加工辅助时间的占比。通过案例分析，演示如何通过材料替代和工艺集成来实现整体制造成本的显著削减。 --- 本书的特色在于其深度与广度的结合。理论推导严谨，同时紧密结合行业标准和工程实例，确保读者不仅理解“为什么”，更能掌握“如何做”。全书结构逻辑清晰，适合作为机械设计类课程的指定教材，亦可作为工程技术人员提升综合设计能力的案头必备工具书。

评分☆☆☆☆☆

《车辆动力学：建模与仿真》这本书，与其说是一本技术书籍，不如说是一本让我对“动”这一概念有了全新认识的启蒙读物。在阅读过程中，我最大的感受是作者对于“变化”的洞察力。他不是简单地描述车辆的静态结构，而是着重于车辆在运动过程中所表现出的各种动态特性。书中对车辆的受力分析，特别是如何将各种外部激励（如路面不平度、风阻、侧风等）转化为车辆的运动响应，进行了非常细致的讲解。我被书中关于车辆稳定性和操纵性的章节深深吸引。作者通过对车辆质心、转向轴、以及各个轮胎受力点的详细分析，阐述了车辆在高速行驶、紧急避让、以及非铺装路面行驶时的不同表现。最令我兴奋的是，书中还引入了许多先进的控制理论，比如PID控制、LQR控制等，来解释如何通过主动控制系统来提升车辆的动态性能，比如电子稳定程序（ESP）和自适应巡航控制（ACC）。这种将理论与实际应用相结合的方式，让我看到了车辆动力学在提升驾驶安全性和舒适性方面的巨大潜力。这本书不仅仅是关于车辆，更是关于如何利用科学原理来驾驭和优化“运动”。

评分☆☆☆☆☆

阅读《车辆动力学：建模与仿真》的过程，对我来说更像是一次探险，一次深入车辆“灵魂”的旅程。我原本以为车辆就是四个轮子加上一个发动机，没想到在作者的笔下，它们竟然是如此复杂而精密的系统。书中对车辆各个子系统的建模方法进行了详尽的介绍，从动力总成到制动系统，再到转向和悬架，每一个部分都得到了深入的剖析。特别是关于车辆悬架的建模，作者详细解释了不同类型的悬架（如麦弗逊、双叉臂等）在几何结构和参数设置上的差异，以及这些差异如何影响车辆的舒适性、操控性和稳定性。我尤其喜欢书中关于“半车模型”和“整车模型”的对比分析，这让我清晰地认识到在进行不同复杂度的仿真时，需要考虑的因素和模型精度是如何权衡的。当读到仿真结果的分析时，我更是惊叹于作者如何将理论计算与实际驾驶感受联系起来。书中通过大量图表展示了不同参数对车辆动态性能的影响，例如，当减震器阻尼系数改变时，车辆在颠簸路面上的震动表现会有怎样的差异。这种理论与实践相结合的讲解方式，让我对车辆的实际表现有了更深刻的理解，仿佛亲身驾驶着车辆在各种场景下进行测试。

评分☆☆☆☆☆

这本《车辆动力学：建模与仿真》简直是为我量身定做的！我一直对汽车的内部运作原理感到好奇，特别是它们是如何在各种复杂路况下保持稳定和灵活的。这本书从最基础的物理定律讲起，清晰地解释了车辆的惯性、摩擦力、空气动力学等等如何影响行驶。作者的讲解方式非常直观，他并没有直接抛出复杂的数学公式，而是通过生动的比喻和图示，让我一步步理解了车辆悬架系统的设计原理，以及轮胎与地面之间的相互作用。尤其让我印象深刻的是关于车辆转向动力学的章节，书中详细阐述了过弯时车辆的侧滑角度、转向比以及轮胎抓地力之间的微妙平衡。当我读到仿真部分时，更是惊叹不已。通过各种软件模拟，我可以直观地看到不同参数设置对车辆性能的影响，比如改变悬架的硬度，模拟在湿滑路面上行驶的稳定性，甚至是碰撞时的溃缩效果。这种可视化学习的方式，让抽象的理论知识变得触手可及，也让我对车辆工程产生了浓厚的兴趣。我甚至开始尝试自己设计一些简单的仿真模型，感受建模的乐趣。这本书不仅拓展了我的视野，也为我未来的学习和职业发展奠定了坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，《车辆动力学：建模与仿真》这本书的深度和广度着实让我有些措手不及。一开始，我以为它会是一本关于如何操作某个仿真软件的“操作指南”，但事实完全不是这样。作者深入探讨了车辆动力学背后的理论框架，从牛顿力学到拉格朗日方程，再到各种控制理论的应用，几乎涵盖了车辆动力学研究的方方面面。对于我这个非科班出身的读者来说，很多概念起初都显得相当晦涩。然而，每当我感到困惑时，书中提供的详尽的参考文献和延伸阅读的建议，就像是指引我前进的灯塔。我不得不承认，为了完全理解其中的一些精髓，我花了大量的时间去查阅相关的资料，甚至重新温习了大学时期的数学和物理课程。但这份付出是值得的。当我终于能够理解如何利用数学模型来描述车辆在不同工况下的动态行为时，那种成就感是无与伦比的。尤其是在仿真部分，书中提供的不仅仅是软件操作的演示，更是对如何建立准确仿真模型、验证模型有效性以及如何解释仿真结果的深刻剖析。这本书挑战了我，但也极大地提升了我的理论认知水平，让我看到了车辆工程领域严谨而迷人的科学魅力。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，《车辆动力学：建模与仿真》这本书的篇幅让我一度有些望而却步，但当我翻开第一页，就被其系统性的讲解所吸引。作者并非零散地介绍各种概念，而是构建了一个清晰的知识体系。从最基本的物理建模，到复杂的仿真技术，再到结果的分析与验证，整个过程环环相扣。我最欣赏的是书中对模型选择的论述，作者并没有强求所有场景都使用最复杂的模型，而是根据仿真目的和精度要求，提供了不同层级的建模策略。例如，在分析车辆的低频振动时，可以使用简化的多自由度模型；而在研究车辆的高频动态响应时，则需要更精细的刚体动力学模型。书中关于模型验证的章节，也给我留下了深刻的印象。作者详细介绍了如何通过实验数据来校准和验证仿真模型，以及如何评估模型的精度和适用范围。这一点对于我来说非常重要，因为我一直认为，再好的模型如果不能被实际数据所验证，其价值也会大打折扣。这本书让我认识到，建模与仿真不仅仅是技术操作，更是一种严谨的科学研究方法，它要求我们具备深厚的理论基础、扎实的工程实践能力，以及敏锐的科学判断力。