1.2　研究内容和特点

车辆动力学是研究所有与车辆系统的受力和运动有关的学科。一般来说，车辆动力学的主要研究内容是通过建立汽车驱动动力学、制动动力学、行驶动力学和操纵动力学的运动方程和数学模型，分析汽车的运动规律及其加速性能、制动性能、行驶平顺性和操纵稳定性，并研究如何评价和改善这些性能。另外，汽车动力学的各种控制方法也是本书重要内容。

1.2.1　轮胎力学特性

人们经常说控制高速车辆的主要力是通过由4块成年人手掌大小的轮胎与地面的接地印迹产生的，事实确实如此。了解地面作用于轮胎上的力和力矩对于理解路面车辆的动力学行为是必不可少的。既然研究汽车在力作用下的响应特性——这些特性决定了汽车的加速、制动、转向和平顺性能，汽车动力学的很多内容就是研究这些力是如何产生的。在汽车所受的外力中，地面作用于轮胎的力对汽车动力学性能起决定性作用。因此，必须深入了解轮胎特性，该特性表现为在广泛的车辆行驶工况下轮胎所受到的力和力矩。在研究轮胎特性时，如果不了解它对汽车的重要性是不行的。因此，本书在有关章节对轮胎的力学特性和轮胎模型做了详细介绍。

1.2.2　驱动与制动动力学及其控制

驱动与制动动力学主要研究车辆系统沿汽车纵向的力与运动的关系，即研究汽车在驱动力或制动力以及各种阻力作用下的运动特性，这些特性包括加速性能和制动性能。驱动力或制动力都由地面产生，驱动时作用在驱动轮上，制动时作用在制动车轮上。驱动力和制动力都受限于地面的附着力，而地面附着力与车轮的运动状态（滑转或滑移）有密切关系，这是建立汽车纵向动力学及其控制模型时的重要研究内容。汽车行驶阻力中的空气阻力主要取决于汽车空气动力学性能，因在其他课程中有专门论述，本书中仅引用其中的有关结论。

制动防抱死系统（ABS）主要解决制动过程中的方向稳定性问题，同时可以缩短制动距离，从而提高行车安全。其实质是通过对制动过程中车轮滑移率的控制，保证汽车能获得足够大的横向附着力和尽可能大的纵向附着力。与制动动力学控制有关的主要研究内容包括ABS的理论基础、控制方法和系统结构。控制方法以逻辑门限值方法为主，并简要介绍模糊控制方法、最优控制方法和滑模控制方法。

驱动防滑转系统（ASR）则主要解决起步和加速过程的滑转问题，以尽可能提高汽车的动力通过性。由于其控制原理与ABS有许多共性，并且与ABS共用很多硬件，将ASR和ABS一起作为防滑控制系统加以介绍。

1.2.3　行驶动力学及其控制

通常，行驶动力学可分为两类问题。一类是可通过数学建模进行分析的问题，称之为主平顺性（Primary ride）问题。“主平顺性”动力学的数学建模及随机路面输入下车辆响应分析是本书中行驶动力学的主要研究内容之一。然而，还有一类问题无法利用主平顺性研究将车辆中的所有行驶振动特征全面而真实地描述出来，即实际中还有大量其他因素影响着乘员对乘坐舒适性的主观评价。主要的影响因素包括对15Hz以上的结构振动的响应、更高频率范围内的振动噪声问题（Harshness）、悬架系统中橡胶衬套的影响、对路面阶跃及凹坑等路障的纵向冲击的响应、人体对振动的响应等。目前几乎还没有办法用数学模型来准确地预测这些影响，一般将这类问题划分为次平顺性（Secondary ride）问题。例如，对路面凹坑这样的离散输入，评价悬架系统振动噪声响应一般会涉及到三个方面的问题，包括轮胎在路面输入处变形时的悬架非线性动力学纵向动态响应特性、轮胎在路面输入处变形时的悬架非线性动力学垂向动态响应特性和人体对振动的响应特性。每一方面的问题均存在众多不确定的因素，因而生产厂家必须依靠经验丰富的试车驾驶员进行主观评价。即便如此，也并不排除理论分析在解决动力学问题中的作用，设计者仍然需要通过模型来了解系统内在的复杂关系，并预估性能趋势。

本书在行驶动力学方面主要研究路面不平所激发的汽车振动问题，即主平顺性问题。关于随机路面输入，在有关章节介绍路面不平度及其测量等内容。

与行驶动力学有关的车辆主要性能指标包括簧载质量的加速度、车轮与路面间的动载、车厢的姿态以及悬架的动挠度，可由图1-2说明。在给定的悬架设计空间内，设计人员必须为驾驶员和乘员提供良好的乘坐舒适性、可接受的车身姿态以及对车轮动载的合理控制。

在行驶动力学控制方面，主要介绍主动和半主动悬架。主动悬架采用一个力发生器（或称为作动器）作为执行机构，以取代传统被动悬架中的弹簧和减振器。为节省控制能量，往往保留弹簧和减振器，并将主动悬架的执行机构与它们组合使用。半主动悬架是指仅阻尼可调的悬架。主动/半主动悬架设计的关键之一是寻求一个能够为车辆提供良好性能的控制律，这方面着重介绍随机线性最优控制和预瞄控制的方法，并简要介绍自适应与自校正控制等其他控制方法。

1.2.4　操纵动力学及其控制

汽车操纵动力学主要研究车辆对驾驶员通过转向系统及转向车轮的转向输入、对弯道行驶时车辆加速和减速以及对外界扰动的响应。与汽车操纵动力学有关的性能指标是操纵稳定性，这一性能是指在驾驶员不感到过分紧张和疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶员通过转向系统及转向车轮所给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。

用于分析车辆操纵稳定性的最基本的模型是两自由度操纵模型。该模型假定车速为常数，两个自由度为车辆的侧向速度和横摆角速度。虽然两自由度操纵模型很简单，但它反映出的车辆“不足/过多转向”特性是操纵稳定性的最基本和最重要的概念，它对于车辆操纵特性的理解是至关重要的——即便在采用两自由度操纵模型以外的场合也是如此。

通常，将操纵动力学的研究范围按不同的作用域划分为以下几类。

①线性域——侧向加速度≤0.3g。

②非线性域——侧向加速度可高达附着极限（约为0.8g）。

③非线性联合工况——转向制动或转向加速等行驶工况。

对于自由度数不超过7个的线性域，通过手工计算即可有效地建模和求解。考虑到设计中的实用性，模型中至少应包括车身的横摆、侧倾和侧向运动、悬架的运动学效应、悬架系统特性、转向系统影响等。高速行驶时还应包括空气动力学力和力矩。对于非线性域和非线性联合工况，一般采用多体动力学分析软件来求解模型中的非线性方程。

本书有关汽车操纵动力学的基本内容主要包括单轨模型下的稳态回转特性和瞬态转向特性、转向特性的主观评价、转向的闭环控制模型。结合实例的整车操纵动力学模型在汽车操纵动力学仿真一章中介绍。

在转向动力学的控制方面，主要介绍四轮转向（4WS）、主动转向系统和电子稳定程序（ESP），并介绍主动悬架系统对改善汽车操纵稳定性的作用。

4WS车辆的后轮也能根据需要像前轮一样偏转一个角度，它使车辆操纵稳定性更好。低速转向时，后轮偏转方向与前轮相反，这使车辆的转弯半径减小，提高了机动灵活性。高速转向时，后轮偏转方向与前轮相同，车辆的瞬态转向特性大幅度提高且质心处侧偏角减小。主动转向系统通过控制汽车的动态特性，跟踪汽车理想转向横摆角速度。

通过轮胎纵向力主动分配的DYC能够比4WS更有效地提高车辆稳定性，其原因是由左、右纵向力的差异而产生的横摆力矩受侧向加速度的影响较小。DYC的工作原理是控制器根据转向盘转角和车速计算出一个理想的横摆角速度，然后通过改变驱动力和制动力使车辆受到主动横摆力矩的作用，使车辆实际的横摆角速度跟随理想的横摆角速度变化。

车辆极限工况下的操纵特性很大程度上受轴荷转移及分配方式的影响，它决定了哪个车轮最先达到附着饱和状态。因此，前、后轴荷的分配控制对改善操纵稳定性会很奏效。譬如，ESP允许载荷分布作为性能（侧向加速度和横摆角速度）和转向输入（转向盘转角）的函数而任意调节，因此它能够在极限情况下实现最佳的操纵稳定性。

通过悬架控制车辆的垂向运动，对操纵稳定性至少有以下三个好处。

①消除侧倾转向。

②控制前、后轴各自的横向载荷转移。

③控制轮胎动载荷。

经验表明，在以上三个方面的因素中，采用主动悬架来消除侧倾转向效应对主观评价影响最大——尽管在定性分析时其优点似乎并非如此显著。但毕竟载荷转移相对减少，同时也消除了车身侧倾引起的悬架运动学效应。控制车辆转向时车身侧倾的一个简单方法是使横向稳定器产生一个附加力矩，以减小车身侧倾。其基本原理是汽车转向时，稳定器产生反侧倾力矩，大幅度地降低车身侧倾以提高汽车的乘坐舒适性；直线行驶时，稳定器因处于自由状态而不影响舒适性。实施方案一般是在防侧倾杆中间加入一个旋转执行机构或者在其两端各加一个执行机构。法国雪铁龙公司率先采用这类系统，相应的每辆轿车成本增加约1000英镑。

1.2.5　汽车动力学及其控制的研究特点

汽车动态特性（或称传递特性）曾在早期的汽车动力学中研究过。经典的汽车动力学主要研究汽车受到各种力时其相互作用和由此产生的各种动态工况，并讨论这些动态工况及其变化对汽车使用性能的影响。不足之处是涉及的外界力都是理想化的，模型也过于简单（追求解析解）。现代的汽车动力学也研究汽车的受力与运动，但车辆被处理为一个置于真实环境的系统，并研究路面不平度、土壤或路面物理性质、气流及风向等环境因素对车辆系统的作用。

现代汽车的速度越来越快，对高速行驶工况下汽车的操纵和控制的要求也越来越严格，否则很容易引发交通事故。现代汽车的可控性几乎和一个控制系统的要求是接近的。因此，汽车动力学及其控制是将整车或其中一部分看成一个控制系统来进行分析，这是与经典汽车动力学的第二个不同点。

现代汽车动力学的第三个特点是把驾驶员作为一个环节考虑到汽车系统中去组成一个人—车辆—环境系统来加以研究。例如，当汽车偏离预定路线时，驾驶员通过目测判断偏离量的大小，该信息传到大脑并经其处理后指挥四肢完成相应的纠偏操作。

汽车动力学控制朝着集成化方向发展。就未来的整车底盘控制而言，它将制动系统、悬架系统、减振系统、转向系统和轮胎集成为智能底盘。整体底盘智能控制的中央计算机根据传感器数据对行驶状态进行评估，通过各系统的相互协调，确保在所有路况下都获得更好的安全性和舒适性。由于采用集成控制技术，CAN总线技术在汽车发动机及底盘控制中得到广泛应用。