乘用车底盘系统开发：车辆动力学原理应用与正向开发工程实践

车辆动力学是整车研发的一项基础工作，它不仅影响到整车的操纵性和安全性，而且对于整车的用户体验和综合产品力也有着显著影响。即便是在汽车产业掀起以电动化、智能化、网联化、共享化为代表的“新四化”变革的当下，车辆动力学研究仍然具有不可替代的重要作用，为分布式驱动、滑板底盘以及智能驾驶等前沿技术提供了理论基础和技术支撑。本书从大量实践应用出发，较为系统地介绍了整车动力学开发的理论知识，并提供了实践指导。第1章介绍了车辆动力学简史及发展趋势；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；后在第8章结合工程实践，介绍了车辆动力学在整车开发中的应用。
本书适用于从事车辆动力学和底盘开发的专业技术人员，如整车前期性能和系统定义工程师、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。同时，本书内容深入浅出、图文并茂，对于汽车技术爱好者以及相关专业的高校师生也普遍适用。

本书作者吴旭亭先生先后在通用汽车以及广汽集团工作，先后担任高级项目工程师、高级主任工程师、技术总监等要职。在2001年，获通用董事长荣誉奖，并获多项通用汽车公司工具/方法/机密发明奖。2016年获六西格玛大师黑带证书（DFSS Master Black Belt）。在车身动力学及底盘研发领域，吴旭亭先生有超过20年的工作经验，有着深厚的理论功底和实车研发交付经验，在业内享有很高的声誉。

本书正是吴旭亭先生在车辆动力学及底盘研发领域多年研发工作的沉淀和总结，从车辆动力学基本原理讲起，系统总结出了车辆动力学和底盘研发调校的知识体系和方法论。并在书中提出了多个在业内独到的理论和研究方法。堪称车辆动力学和底盘研发领域的一部巨著。

在汽车智能化技术渗透率日益提高的今天，车辆底盘新的驱动及控制技术即将成为汽车行业下一个技术热点。本书不仅对于车辆动力学在智能汽车时代发展趋势进行了预测和介绍，而且书中的内容和方法论对于未来的技术突破更是不可或缺的——未来在车身控制领域的技术研发，更加离不开基础的理论知识和研发思路。

希望本书读者能够在阅读学习的过程中获得新知、取得共鸣，也希望这本书能够真正为大家的工作和学习提供帮助和灵感。

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.Griffin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Mau

序1
序2
前　言
资源说明页
第1章　车辆动力学简史及发展趋势1
1.1　概述1
1.2　车辆动力学的起源3
1.3　车辆动力学的覆盖范围4
1.3.1　车辆的动态性能定义4
1.3.2　定义车辆主要特征和品牌形象的车辆动力学7
1.4　车辆动力学在智能汽车时代的发展趋势8
1.4.1　底盘域控制器和软硬件解耦8
1.4.2　汽车智能化与底盘线控技术9
1.5　本书的覆盖范围与结构9
参考文献10
第2章　车辆动力学性能与整车集成12
2.1　车辆动力学性能与整车架构参数13
2.1.1　轴距和轮距的影响13
2.1.2　整车重量和重量分布的影响14
2.1.3　重心高度的影响14
2.1.4　转动惯量的影响15
2.1.5　驱动形式的影响16
2.1.6　小结18
2.2　整车集成18
2.2.1　承载式车身结构和副车架18
2.2.2　前悬架和其他系统的布置关系21
2.2.3　后悬架和其他系统的布置关系22
2.2.4　轮胎包络23
2.2.5　最小离地间隙24
2.2.6　电动汽车布置的特殊考虑24
2.2.7　小结25
2.3　模块化平台架构与平台拓展策略25
2.3.1　整车平台开发历史25
2.3.2　模块化平台架构27
2.3.3　平台拓展策略28
2.3.4　小结30
2.4　总结30
参考文献31
第3章　车辆动力学与悬架系统设计要素32
3.1　悬架系统的基本功能和种类32
3.1.1　悬架的构成要素33
3.1.2　双叉臂悬架的种类36
3.1.3　麦弗逊悬架的种类37
3.1.4　多连杆悬架的种类39
3.1.5　扭力梁悬架的种类41
3.1.6　悬架形式的选择原则43
3.2　主销几何44
3.2.1　主销内倾角、主轴长度和摩擦半径45
3.2.2　主销后倾角、后倾拖距和后倾偏移距47
3.2.3　转向主销几何和转向回正力矩47
3.2.4　制动稳定性与摩擦半径49
3.3　前视图几何运动学特性49
3.3.1　侧倾中心的运动学定义与物理意义50
3.3.2　外倾角及其运动学变化51
3.3.3　前束角及其运动学变化52
3.4　侧视图几何运动学特性54
3.4.1　侧视图瞬时中心与虚拟摆臂54
3.4.2　支撑特性55
3.5　悬架俯视图几何运动特性59
3.5.1　阿克曼转向几何与阿克曼转向机构59
3.5.2　阿克曼校正的讨论60
3.5.3　最小转弯直径62
3.6　悬架弹性运动学特性63
3.6.1　侧向力弹性运动学特性64
3.6.2　回正力矩变形特性65
3.6.3　纵向力变形特性66
3.7　悬架几何运动和弹性运动学特性试验66
3.7.1　常用的试验系统66
3.7.2　常见K&C试验介绍66
3.8　对麦弗逊悬架的特殊考虑72
3.8.1　麦弗逊悬架的滑柱侧向力补偿72
3.8.2　连接滑柱的横向稳定杆吊杆对车辆动态性能的影响74
3.9　影响车辆动力学的关键悬架几何设计参数与K&C参数77
3.9.1　车轮定位角设定指南77
3.9.2　影响轮胎磨损的悬架定位参数和K&C参数总结78
3.9.3　自回正和自转向因素总结79
3.9.4　对性能影响最大的悬架关键几何设计参数与K&C参数总结80
参考文献83
第4章　车辆动力学与轮胎动力学性能84
4.1　轮胎动力学介绍84
4.2　影响操纵性和稳定性的轮胎侧向力和回正力矩86
4.2.1　侧偏角输入下的侧向力和回正力矩86
4.2.2　外倾角输入下的侧向力和翻转力矩88
4.2.3　轮胎垂向载荷的影响89
4.3　影响制动和加速性能的轮胎纵向力91
4.4　转向、加速或减速复合工况下的轮胎力92
4.4.1　侧偏角和纵向滑移同时输入时的轮胎动力学特性92
4.4.2　摩擦圆93
4.5　影响驾控体验的轮胎瞬态特性95
4.5.1　阶跃侧偏角输入下轮胎的松弛特性95
4.5.2　定侧偏角扫频输入下轮胎的频响特性96
4.6　行驶平顺性与轮胎的动态特性97
4.6.1　轮胎的模态97
4.6.2　轮胎的包络特性98
4.6.3　胎面橡胶的影响99
4.6.4　轮胎的行驶平顺性模型99
4.7　影响能耗的轮胎滚动阻力101
4.7.1　滚动阻力产生的原因101
4.7.2　滚动阻力与动力学性能之间的权衡101
4.8　影响车辆动力学性能的轮胎不均匀性102
4.8.1　轮胎质量不均匀产生的不平衡力102
4.8.2　承载轮胎垂向和纵向力的波动103
4.8.3　帘布层转向和轮胎锥度103
4.8.4　轮胎气压与磨损程度对动力学性能的影响103
4.9　与车辆动力学性能相关的轮胎客观性能指标总结104
4.9.1　与操纵稳定性能相关的轮胎性能指标104
4.9.2　与行驶平顺性能相关的轮胎性能指标105
4.9.3　与制动性能相关的轮胎性能指标106
4.10　总结106
参考文献106
第5章　车辆稳定性及其控制107
5.1　整车稳态侧向力学107
5.1.1　稳态线性转弯模型的演进108
5.1.2　稳态转向灵敏度和横摆角速度增益113
5.1.3　非线性不足转向度和等效侧偏柔度的讨论115
5.2　整车稳态侧倾力学117
5.2.1　考虑车身侧倾自由度的四轮车辆模型117
5.2.2　侧倾梯度118
5.2.3　横向载荷转移119
5.2.4　操纵稳定性与侧倾角刚度设计指南120
5.3　转向输入下线性二自由度模型的瞬态响应121
5.3.1　线性二自由度动态模型122
5.3.2　线性二自由度模型频响特性分析125
5.3.3　线性二自由度模型在阶跃输入下的瞬态响应129
5.3.4　小结135
5.4　转向输入下非线性多体模型的瞬态响应136
5.4.1　悬架设计参数对车辆瞬态响应的影响136
5.4.2　悬架减振器调校对车辆瞬态响应的影响139
5.4.3　小结141
5.5　整车侧翻力学142
5.5.1　静态侧翻稳定性概念及试验143
5.5.2　稳态侧翻稳定性裕量146
5.6　车辆稳定性的主动控制147
5.6.1　基于制动系统的电子稳定性控制系统（ESC）148
5.6.2　基于差速器和四驱技术的稳定性控制151
5.6.3　基于转向系统的稳定性控制152
5.6.4　主动侧倾稳定性控制154
5.6.5　评估ESC系统对横摆稳定性和
可操控性影响的试验方法156
5.6.6　底盘电控系统的集成控制157
5.7　总结158
参考文献159
第6章　车辆操纵性和转向系统的开发161
6.1　转向系统的功能和种类161
6.1.1　转向系统的构成要素及工作原理162
6.1.2　EPS系统的种类和控制算法164
6.1.3　转向速比和可变速比168
6.1.4　四轮转向系统的影响169
6.1.5　主动转向系统171
6.1.6　线控转向171
6.1.7　小结173
6.2　具有良好操纵性能车辆的特点173
6.2.1　操纵性与转向性能覆盖的
用户场景173
6.2.2　直线行驶的可控性173
6.2.3　变道行驶的可控性175
6.2.4　弯道行驶的可控性176
6.2.5　高速紧急避障的可控性177
6.3　转向性能客观指标定义177
6.3.1　转向盘中心区操纵性试验178
6.3.2　转向灵敏度及其线性度178
6.3.3　转向力矩梯度及其线性度179
6.3.4　转向刚度与中位感181
6.3.5　转向盘回正特性182
6.3.6　小结183
6.4　转向系统关键设计参数与转向助力调校原理184
6.4.1　简化的前轮转向系统模型184
6.4.2　基础转向灵敏度与中心转向速比的选定185
6.4.3　端到端转向速比的设计原理186
6.4.4　齿条行程187
6.4.5　转向助力特性调校187
6.4.6　最小转向灵敏度与转向系统的刚度189
6.4.7　手力可调转向系统随速变化的调校191
6.4.8　小结193
6.5　转向干扰193
6.5.1　直行跑偏193
6.5.2　转矩转向（加速跑偏）195
6.5.3　制动跑偏197
6.5.4　自转向197
6.5.5　车辙路漂移197
6.5.6　转向盘“打手”197
6.5.7　小结198
6.6　极限操稳性和赛车动力学198
6.6.1　典型的极限操稳工况及
G-G图198
6.6.2　路径选择199
6.6.3　赛道操纵实施201
6.7　总结203
参考文献204
第7章　行驶平顺性与相关车辆系统205
7.1　行驶平顺性涉及的范围与评价方法205
7.1.1　行驶平顺性的范围205
7.1.2　行驶平顺性的主观评价206
7.1.3　行驶平顺性的客观量化207
7.2　路面激励与内部激励210
7.2.1　路面激励-车辆垂向和俯仰方向的输入211
7.2.2　路面激励-车辆纵向和侧向输入212
7.2.3　路面数据采集213
7.2.4　车辆内部激励215
7.3　粗糙路面输入下垂向线性刚体模型及用途217
7.3.1　路面激励下的1/4车辆刚体模型217
7.3.2　传递函数图221
7.3.3　考虑路面输入的4个关键性能指标226
7.3.4　关键参数的影响分析及性能优化227
7.3.5　考虑减振器衬套柔度的1/4车辆模型229
7.3.6　小结234
7.4　减振器设计与调校原理234
7.4.1　整车动态性能对减振器特性的要求234
7.4.2　筒式减振器的工作原理237
7.4.3　整车前期设计中的减振器240
7.4.4　筒式减振器的调校原理及调校步骤242
7.5　主动及半主动悬架244
7.5.1　主动和半主动悬架的区别与分类244
7.5.2　控制系统模型与不变点245
7.5.3　从状态反馈控制理论推导出的控制算法247
7.5.4　传递函数及其渐进线特征249
7.5.5　全主动控制与被动悬架的性能比较250
7.5.6　全状态变量反馈控制与部分状态变量反馈控制的性能比较254
7.5.7　半主动控制与天钩控制、地钩控制和全状态反馈控制的关系257
7.5.8　半主动控制与其他悬架控制系统的性能比较258
7.5.9　半主动悬架的减振器硬件260
7.5.10　小结260
7.6　车辆俯仰模型与前后悬架刚度比的选择262
7.6.1　二自由度俯仰模型262
7.6.2　悬架弹簧刚度的选择267
7.7　动力总成悬置与平顺性269
7.7.1　动力总成悬置的形式269
7.7.2　发动机悬置对内部激励的隔振270
7.7.3　模态频率的分隔与解耦271
7.7.4　橡胶悬置件272
7.7.5　液压悬置件274
7.7.6　半主动和主动悬置件系统276
7.7.7　小结276
7.8　对限速带类路面凸起的冲击强度和余振响应278
7.8.1　车辆对冲击工况响应的机理分析278
7.8.2　包括侧视摆臂及轮胎包络的多自由度模型279
7.8.3　纵向响应的影响因素280
7.8.4　垂向响应的影响因素282
7.8.5　小结283
7.9　平滑路上的抖动284
7.9.1　模态分析284
7.9.2　转向盘轴向振动响应286
7.9.3　垂向响应288
7.9.4　纵向的响应298
7.9.5　平滑路抖动小结299
7.10　不平路面输入下车身的侧向、横摆和侧倾响应299
7.10.1　简化分析模型300
7.10.2　等效侧偏刚度对平顺性的影响302
7.10.3　悬架侧倾转向系数和侧倾中心高度对平顺性的影响303
7.10.4　不平路面输入下的车身“侧倾中心”303
7.10.5　小结305
7.11　人-椅系统动力学对行驶平顺性的影响305
7.11.1　人体动质量与人体动力学模型305
7.11.2　座垫的动刚度和等效阻尼系数307
7.11.3　座椅传递率、人-椅系统响应函数之间的关系和SEAT值308
7.11.4　人-椅系统动力学模型310
7.11.5　小结313
7.12　总结313
参考文献314
第8章　车辆动力学在整车开发中的应用316
8.1　整车正向开发流程概述316
8.1