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前言

汽车业正在经历一场以“新四化”(电动化、智能化、网联化、共享化)为代表的大变革,汽车也被赋予了比移动出行工具更多的所谓第三生活空间的属性。汽车“新四化”为人们带来了有关移动空间更多的想象。在传统意义的基本功能之外,汽车将会变得更加智能、更加互联、更加安全、更加舒适、更加便利;同时,汽车作为移动出行工具所具有的基本属性,如汽车的使用空间、人机工程、感知品质、主被动安全性、车辆动力学性能、NVH性能、能耗、强度、耐久性和可靠性等仍然是用户非常关注的。

汽车的智能化和电动化为车辆动力学和底盘这样的传统领域提供了更多的发展机会。智能驾驶和底盘控制技术自身的发展以及整车平台化模块化需求,直接对底盘域控制和中央控制技术、底盘全面线控化提出需求。“软件定义汽车”要求软、硬件模块开发解耦,硬件平台数量减少,单个平台延展性增强。主机厂业务重心必须向软件及服务转移,具备自主软件开发能力。正如机械底盘的物理集成和性能集成是主机厂的核心能力一样,掌握车辆动力学协同控制技术也是主机厂的必由之路。底盘全面线控化带来的快速响应、灵活布置、机电解耦等优势直接支撑车辆动力学协同控制和智能驾驶技术的落地。因此,车辆动力学在这个激烈变化的时代依然大有可为,仍然是整车企业的核心竞争力,是品牌形象的重要支撑。本书是在大变革时代带有守正创新时代烙印的一个产品。

车辆动力学与整车研发的关系

车辆动力学与整车的架构参数,底盘中的悬架、转向、轮胎、传动、动力总成悬置等系统,以及副车架、下地板、车身和座椅系统等都有密切关系。车辆动力学在整车研发中的合理应用,可以有效提升整车行驶安全性和用户驾乘体验,是整车企业的核心竞争力之一。

现代整车开发流程中,前期需要根据客户需求制订整车性能要求,然后通过逐级分解,提出系统和零部件的性能要求。多体动力学模拟技术的普及使得模拟仿真复杂车辆系统的难度大为降低。对于产品开发工程师,主要的挑战在于根据前期不完善的数据快速做出决定,这就要求关注最重要的性能指标,并从大量仿真数据中找出最关键的本因,简明扼要地明确问题的本质。通过应用多体动力学仿真技术,大量的研发工作得以前置,有利于在缩短的开发周期内基于数据快速做出决策。另外,后期的实车调校同样需要车辆动力学的理论指导。

作者、读者和本书特色

笔者曾在清华大学、英国南安普顿大学和加拿大康考迪亚大学从事车辆动力学和人体振动方面的学习、研究和教学工作达18年;之后在美国通用汽车公司和广汽研究院在车辆动力学领域从事具体产品开发和技术研究工作近30年,所领导车辆动力学和载荷预测团队支持多个主要车辆平台的开发,负责完成多个通用汽车公司车辆动力学道路-实验室-计算机仿真(Road-Lab-Math)研发项目。在理论研究方面,笔者在国际核心刊物和学术会议上发表40余篇论文,主笔起草一项ISO国际标准,并受邀组织并主持十余年SAE年会车辆乘坐舒适性专题。

本书适宜的读者对象是掌握了车辆动力学和底盘开发的基础知识,且有一定产品开发经验的工程师,如整车前期性能和系统定义工程师、车辆动力学性能仿真工程师、底盘性能调校和性能验证工程师、零部件配套工程师、整车架构和技术管理工程师等。在智能驾驶汽车感知识别、决策规划、控制执行三个核心系统中,本书提供的理论知识和工程经验对从事决策规划和控制执行工作的工程师会很有帮助。

本书在内容和写作风格上力求精简,并且强调把车辆动力学理论与工程应用和产品开发密切关联起来。本书第2章介绍了车辆动力学性能和整车集成;第3章和第4章系统介绍了车辆动力学与悬架系统设计要素及轮胎动力学的关系;第5章到第7章分别从车辆动力学的三个方面详细介绍了车辆稳定性及其控制、车辆操纵性和转向系统的开发以及行驶平顺性与相关车辆系统的关系。其中,第7章用大量篇幅从多个方面讨论行驶平顺性,是本书的主要特色和贡献;第5章中详细介绍的前后轴等效侧偏刚度对操纵稳定性的影响,以及第6章对影响中心区转向性能关键设计要素的探讨都是本书与众不同之处。本书与国内现有的车辆动力学和底盘设计的教科书和参考书相结合可构成更为完整的底盘开发知识体系。

致谢

在成长过程中,得益于几位师长的教诲和帮助:我的导师,清华大学的赵六奇教授带我进入了车辆动力学之门,最初选择的行驶平顺性研究变成了职业生涯中每一个转折点的主线,也是本书行驶平顺性部分内容丰富的原因;已故的英国南安普顿大学的MichaelJ.Griff in教授是一位真正的科学家,让我见识了大师风范,他在人因(Human Factors)方面的专著 Human Response to Vibration 让我深切体会到比产品功能更重要的是用户体验;在通用汽车公司工作时,有幸向车辆动力学中心的几位老先生当面请教,受益匪浅,他们在通用汽车公司的米尔福德试车场见证了车辆动力学的诞生并参与了它的发展,文献里引用了他们的文章。其中,有人甚至和Maurice Olley做过同事,想来比较传奇。非常荣幸能和车辆动力学专家Douglas L.Milliken在SAE工作中交往互动,他的父亲William F.Milliken是车辆动力学的创始人之一,是与Maurice Olley同时期的专家。他们父子合著的 Chassis Design-Principles and Analysis Race Car Vehicle Dynamics 仔细梳理了车辆动力学和底盘设计理论诞生的过程,书中关注的车辆动力学问题如今仍然是地面车辆必须关注的最基本的问题。在通用汽车公司工作期间,我常和华人朋友Jason M.Wong讨论各种悬架设计,获益良多。回国后,通过桃李满天下的郭孔辉院士和卢荡教授发起的轮胎动力学协同创新联盟,我开始参加国内车辆动力学和轮胎领域的活动,从而和中国汽车业再续前缘,衷心感谢他们提供的机会。郭先生在汽车底盘、车辆动力学和轮胎力学方面几十年辛勤耕耘,成果的深度和广度值得我认真学习,他治学的态度、勤奋、远见、天赋再一次让我体会到大师的风采。汽车业的前辈、郭院士的朋友吕孝培先生曾告诉我:“你必须认识郭院士,你需要找到好榜样跟随。”

在写作过程中,我的朋友和同事唐湘民博士把日常问候改为了询问写作进展,成了无形的推力。他写的《汽车企业数字化转型:认知与实现》从写作到出版仅花了一年时间,而且一经发行就登上了京东和当当网畅销书榜首。在本书初稿完成后,广汽研究院的同事和朋友刘兵、李志魁、杨蔓、殷珺和袁世海从整车开发工程师和读者的视角对内容编排、文字表述和图表格式提出了修改建议,使得本书行文更为流畅,更合乎国内语言习惯,也使得本书以更快的速度、更好的面貌面世,特此感谢。我在20世纪80年代初学习汽车专业时的教材不包括硬点设计、K&C指标、等效侧偏柔度等对车辆动力学和底盘设计至为重要的概念,中心转向性能概念也尚未引入,行驶平顺性仅限于基于垂向1/4车辆模型的一些基本讨论。本书中覆盖的知识和术语大都是我在通用汽车公司工作期间在英文语境下学习或工作实践中得到的,直译过来难免有不合规范或约定俗成的用语,这也从侧面反映了近三十年来国内车辆动力学和底盘设计技术的进步。

感谢我的三代家人对我写作本书极大的鼓励和支持,他们都非常理解写作本书对一个既有科研背景又有工程经验的工程师的意义及可能提供的价值。

正如满足用户需求是汽车开发的最强大驱动力,满足同行的期望也是本书写作的最大驱动力。书中肯定有不当之处,恳请读者不吝指正,以便将来持续完善。

著者 zFvIk8N0D59OmBqgB5TqDAZDY6KtmB284TO8YSN30WgzNIzS+QoqhL56FDXhVZBi

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