《振動噪音科普專欄》車輛動力學(Vehicle Dynamic):如何定義車體的自由度(DOF)?


這個單元要來探討的主題是:「車輛動力學」(Vehicle Dynamic):如何定義車體的「自由度」(degree-of-freedom, DOF)?

 

在前一個單元:#313,【甚麼是自由度(degree-of-freedom, DOF)?】,有看過「自由度」(DOF)的定義,在這個單元,將介紹「車輛動力學」慣用的車體「自由度」(DOF)之變數符號與定義方式。

 

首先,回顧一下:甚麼是「自由度」(degree-of-freedom, DOF)?通則來說,「自由度」(DOF)有6個:

 

1.      3個方向位移/平移「自由度」(displacement DOF):𝒙,𝒚,𝒛。

2.      3個方向旋轉「自由度」(rotational DOF):𝜽𝒙,𝜽𝒚,𝜽𝒛。

 

參閱圖示左下方,呈現質塊/質點之「自由度」(DOF):

 

1.          𝒙:是𝒙方向的位移/平移「自由度」。

2.          𝒚:是𝒚方向的位移/平移「自由度」。

3.          𝒛:是𝒛方向的位移/平移「自由度」。

4.          𝜽𝒙:是𝒙方向的旋轉「自由度」。

5.          𝜽𝒚:是𝒚方向的旋轉「自由度」。

6.          𝜽𝒛:是𝒛方向的旋轉「自由度」。

 

要注意的是,「自由度」的方向與順序之定義方式,是採用「右手定則」,說明如下:

 

1.      位移/平移「自由度」 𝒙,𝒚,𝒛 的順序與方向定義:以右手的四隻手指順著𝒙,𝒚方向旋轉,拇指的方向就是𝒛。若是,右手的四隻手指順著𝒚,𝒛方向旋轉,拇指的方向就是𝒙。

2.      旋轉「自由度」𝜽𝒙,𝜽𝒚,𝜽𝒛的順序與方向定義:以右手拇指朝向𝒙方向,四隻手指的方向,代表的就是𝜽𝒙旋轉方向。若是,以右手拇指朝向𝒚方向,四隻手指的方向,代表的就是𝜽𝒚旋轉方向。

 

接下來,就來看車輛動態分析慣用「自由度」之符號與定義。

 

參閱圖示右上方,有一部汽車,可看出如箭頭指出的行進方向,會以行進方向為基準,定義車體所有的6個「自由度」,一樣是3個方向位移/平移「自由度」(displacement DOF),以及3個方向旋轉「自由度」(rotational DOF),說明如下:

 

1.      𝒙:是車體的行進/縱向位移(longitudinal displacement)「自由度」。車輛的速度、加速或減速,就是和 𝒙 的縱向位移「自由度」相關。

2.      𝒚:是車體的側向位移(lateral displacement)「自由度」。車輛的換道、轉向,就是和 𝒚 的側向位移「自由度」直接相關。

3.      𝒛:是車體的垂直位移(vertical displacement)「自由度」。如果車輛行經跳動路面,車體的垂直方向振動就是和 𝒛 的垂直位移「自由度」直接相關。

4.      𝜽𝒙=𝝓:是車體的翻滾角度(roll angle),是𝒙方向的旋轉「自由度」。車輛如果翻車,就和𝝓的翻滾角度(roll angle)相關。

5.      𝜽𝒚=𝜽:是車體的前傾角度(pitch angle),是𝒚方向的旋轉「自由度」。代表車輛前後的搖擺狀態,車身的前傾、後仰姿態,就和 𝜽的前傾角度(pitch angle)相關。

6.      𝜽𝒛=𝝍:是車體的旋轉角度(yaw angle),是𝒛方向的旋轉「自由度」。有如一些車輛特技表演的甩尾動作,就和 𝝍的旋轉角度(yaw angle)相關。

 

所以,參閱圖示右上方示意圖,是「車輛動力學」對汽車慣用的DOF定義與變數符號,就是:𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝝓, 𝜽, 𝝍,分別是:

 

𝒙 的 縱向位移(longitudinal displacement)

𝒚 的 側向位移(lateral displacement)

𝒛 的 垂直位移(vertical displacement)

𝝓 的 翻滾角度(roll angle)

𝜽 的 前傾角度(pitch angle)

𝝍 的 旋轉角度(yaw angle)

 

同樣地,對於一部摩托車/機車,如何定義其DOF呢?參閱圖示左下方的【摩托車DOF的定義】,也是相同的 𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝝓, 𝜽, 𝝍。當然,依此原則,也可類比得到【自行車DOF的定義】,也會是𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝝓, 𝜽, 𝝍。實務上,天上的飛機、飛行物體,海上的船艦等,都可以依照這個原則定義Vehicle載具的DOF。

 

最後,綜合一下這個單元的討論,

 

1.      「自由度」(degree-of-freedom, DOF):有6個,𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝜽𝒙, 𝜽𝒚, 𝜽𝒛。3個方向位移/平移,以及3個方向旋轉「自由度」。

2.      「車輛動力學」對汽車慣用的DOF定義與變數符號,就是:𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝝓, 𝜽, 𝝍。

3.      對於摩托車、自行車、飛機、船艦等,其DOF定義與變數符號,也都是:𝒙, 𝒚, 𝒛, 𝝓, 𝜽, 𝝍。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2023.04.08





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