1.3 车辆动力学的覆盖范围

车辆动力学既描述车辆和地面的关系，也研究驾驶员和车辆的关系。车辆和地面通过轮胎发生相对运动，并产生使得车辆运动的所有力和力矩，因此车轮系统（包括轮胎和轮辋）是底盘中最重要的系统。驾驶员通过转向盘控制车辆的横向运动，并通过转向盘感知地面反馈，用身体感知车辆相对于地面的运动。以上两类关系构成了车辆动力学的主要内容，因此车辆动力学性能是整车性能，又可称为车辆的动态性能。为达成最佳整车性能，需要根据整车性能要求设计和调校车辆各系统和车身之间的相对运动关系，这部分属于底盘设计方面的工作。车辆动力学一般包括四个方面：操纵性、稳定性、行驶平顺性和制动性能。事实上，驾驶性也应该包括在车辆动态性能之内，因为它描述的是加速踏板和车辆加速响应之间的关系。

1.3.1 车辆的动态性能定义

车辆的动态性能是悬架设计和车辆动力学性能开发的核心。车辆的动态性能用于指导悬架设计和开发，决定驾驶员的驾乘体验。驾驶员和车辆的关系、车辆和地面之间的相对运动关系及相互作用力，车辆动态特性和整车各系统之间的关系可以用图1.1表示。驾驶员通过操纵转向盘、制动踏板和加速踏板，经由转向系统、制动系统和动力传动系统和悬架系统改变车轮系统相当于地面的侧偏角、外倾角和纵向滑移率，从而产生轮心六个方向的分力。轮心力通过悬架系统作用于车身，在动力学原理的作用下，产生整车动态响应。底盘各系统的反馈和整车动态响应综合起来决定了驾驶员的驾乘体验。在整个闭环系统中，轮胎和地面的相互作用是核心，所有的底盘开发都围绕改变轮胎相当于地面的运动和传递它们之间的作用力展开，因此，轮胎力学对底盘开发和车辆动力学至关重要。可以这么说：车辆的硬件结构和早期设计基本决定了车辆物理系统的特征及大致的性能范围，后期调校可以改进和优化主观驾乘体验。

车辆动力学研究的范围一般可以分为操纵性、稳定性、行驶平顺性和制动性。最初的车辆动力学主要研究车辆这一机械力学系统，后来驾驶员的驾乘体验逐步成为另一个关注点。因此，从驾乘体验角度考虑车辆动力学也应该包括驾驶性（图1.2）。底盘电控系统的广泛应用使得车辆动力学研究的范围进一步扩大。

操纵性和稳定性最初经常相提并论，统称为操纵稳定性。最初提出的简化两轮模型是为了解释车辆横摆和侧向的动态表现，主要考虑轮胎性能的贡献，奠定了操纵稳定性的基础。在后来的研究成果中，车辆模型从静力学拓展到动力学甚至控制理论模型，从平面两轮模型拓展到包括侧倾自由度的四轮模型，逐步包括了悬架系统、转向系统和电子控制系统的影响。在相同理论起源的基础上，随着研究的不断深入，特别是主观评价活动对运动性能的关注越来越详细，逐步从主要关注车辆作为一个客观动力学系统的稳定性（stability）、操纵性（handling）和机动性（maneuverability），到关注驾驶员的主观感受，包括稳定感、操纵灵敏感、转向盘力矩反馈、抗干扰能力等。从车轮角输入到车辆的横摆和侧倾响应输出是车辆稳定性的考察范围，包括方向稳定性（即横摆稳定性）和侧倾稳定性。从转向盘角度输入到车辆侧向和横摆响应输出以及转向盘力矩反馈属于操纵性范畴。早期关注转向盘角度和转矩两种输入下车辆响应的文献仍然使用转向盘中心区操纵性能（On-center Handling），随后的文献也使用转向性能这一术语（Steering Performance）。本书中统一使用操纵性这一术语。

更具体来说：稳定性（即方向稳定性和侧倾稳定性）是车辆作为机械物理系统本身的属性。稳定的车辆能够很好地维持现有的运动状态，受到干扰后（侧风、路面不平）能保持或迅速恢复原有的运动状态，比如直行和零侧倾、零俯仰。受到控制输入后（转向和制动输入）能很快达到稳定状态。不稳定的车辆容易失控，比如甩尾和侧翻，容错能力低，有安全隐患。可以用稳态不足转向度、弯道制动和弯道加速等弯道稳定性、侧翻稳定性裕度、鱼钩试验、正弦迟滞（Sine with Dwell）试验等来量化稳定性。另一个相关但不同的概念是乘员的稳定感，线性范围内的侧倾梯度、侧倾角速度、制动点头梯度或最大点头角和乘员稳定感有关。这种工况下车辆一般不存在安全隐患，但会影响驾驶员的安全感和信心。横摆稳定性可以用控制理论解释，并由此发展出了车辆稳定性控制理论。

操纵性指的是车辆的可操纵性，指车辆可以被驾驶员操纵来改变前进方向或者路径的能力。操纵性越好的车辆在不同车速下通过转向盘角度输入改变横摆角速度、侧向加速度或侧向位移的能力越强，能够迅速响应转向输入，有可预测的侧向和横摆响应。操纵性好的车辆转向盘总圈数少、转弯半径小。转向盘角度输入后产生的侧倾运动不是期望的输出，不应该作为判断操纵性优劣的指标。根据定义，在共同关注的横摆和侧向运动方面，操纵性和稳定性必然体现出对立的性质，即稳定性越好的车辆可操纵性越差，反之，太高的转向灵敏度虽然可能意味着优秀的可操纵性，但也和不稳定感相关。第5.1节将要讨论的转向灵敏度与不足转向系数的公式可以很好地把横摆稳定性（即不足转向度）和操纵性（即转向灵敏度）联系起来，可以体现二者的对立关系，也可以解释为什么在高速公路上有些车的稳定感会下降。ESC的标定风格很好地体现了二者的对立关系，标定过于稳定的车辆不够灵活，而过于灵动的车辆又难以驾驭，因此需要恰当的平衡。操纵性关注驾驶员的主观感受和转向系统的贡献，除转向盘转向角输入的响应外也关注转向盘力矩和车辆动态响应的关系，同时关注机动性（maneuverability），包括最小转弯半径、转向盘总圈数、操纵灵敏感、转向盘力矩反馈、抗干扰能力等。主观动态评价的很多内容都和操纵性密切相关，操纵性能的主观和客观指标能够直接指导转向系统参数的设计和调校。

本书中讨论的平顺性特指行驶平顺性，乘坐舒适性这一术语的内涵更为广泛，为避免混淆，本书不使用这一术语。行驶平顺性主要讨论运动中的车辆在道路或车辆内部激励下在人-车界面传递到乘员的低频和中频振动。低频振动主要体现为车身作为整体在垂向、俯仰、侧向和侧倾方向的响应，而中频振动主要与簧下质量的振动模态、转向系统模态、动力总成悬置模态、座椅系统和车身本身作为柔性体的某些模态相关。高于20Hz的振动称为高频振动，一般归为NVH性能。

本书不单独讨论整车制动性能，因为现代车辆广泛采用的电控稳定性系统大多基于制动系统，将在稳定性部分讨论制动工况下的稳定性问题。

1.3.2 定义车辆主要特征和品牌形象的车辆动力学

车辆动力学最初的出现是为了解决车辆的机械系统稳定性问题，完善其功能并改善其性能，到现在已成为定义车辆主要特征和品牌形象的重要因素。其中最典型的代表应该是宝马、奔驰和保时捷三个品牌，通过不断强化其动态性能的主要特征，其品牌形象已深入人心。因此，正确定义品牌的动态性能特点，并不断通过引入新的设计开发方法和底盘新技术加以强化，可以明确表现产品的特征。如果产品能持续满足用户对车辆性能的期望，必然会带动销量的增长。车辆主要动态特征的明确定义也有助于将客户需求转换为整车性能指标，并在设计初期就做出正确选择。

在产品开发中，应根据车辆动态特性的定位，对操纵性、稳定性和平顺性的优先级进行合理排序。对普通乘用车而言，安全性是第一考虑要素，首先要保证稳定性，其次要有优秀的操纵性和行驶平顺性。良好的侧倾控制可以提高驾驶员的信心，但可能会影响行驶平顺性。对运动型车辆而言，首先要有优秀的操纵性，略微降低的稳定性需要由驾驶员高超的驾驶技能来补充。此时能够随心所欲地改变车辆的横摆和侧向运动状态是第一要务，控制车身侧倾对提高车辆极限侧向能力和驾控信心非常重要。能够高度兼顾并平衡这些性能，是对车辆动力学工程师的考验。表1.1为某自主品牌根据产品现有特色定义的动态性能特点，这也是将来企业持续强化产品特色的努力方向。