第1章
车辆动力学简史及发展趋势

1.1 概述

虽然人类发明和使用车辆已经有几千年的历史，但只有在1886年卡尔·本茨（Karl Benz）和戈特利布·戴姆勒（Gottlieb Daimler）独立研发出世界上第一辆汽车之后，人类才真正进入了机器动力驱动的汽车时代。在汽车时代最初的几十年里，无数发明家和工程师致力于不同系统和总成的发明和制造，以满足人们对汽车某种功能的需求。汽车业的大部分工程资源都用于如何使车辆更快、更舒适、更可靠的发明和设计。1908年，以福特T型车为代表，汽车开始走入寻常百姓家成为大众交通工具，日趋激烈的市场竞争使得有着较好综合性能并具有较低成本的车辆处于优势地位。

1920年，量产车的最高速度达到了160km/h。随着速度的提升，车辆的转向行为有时变得不可预测，甚至不稳定。正如Maurice Olley（1889—1972）曾经观察到的那样：“所有部件都能完美地发挥作用，但当整合起来时，整体很少令人满意”“汽车工业在35年里一直以一个一个零件的方式制造汽车，而没有真正意义上的整车概念”。汽车设计需要理论指导，车辆动力学因此应运而生。所以说，车辆动力学是一门从底盘的研发实践中诞生出来的实用学科，是一座把零部件设计和整车动态性能联系起来的桥梁。汽车主机厂意识到了操纵稳定性和行驶平顺性在市场竞争中的重要作用和对品牌形象的影响，于是，早期以通用汽车公司为代表的主机厂开始大力支持这方面的研究，使得从20世纪30年代起，车辆动力学逐步从解释复杂的动力学现象和解决一些技术难题，发展成为一门独立的学科，并在整车产品正向开发中发挥越来越重要的作用。车辆动力学的开发能力是整车企业的核心竞争力之一，其正确应用可以有效提升车辆安全性和用户驾乘体验。虽然车辆动力学是从底盘的研发实践中诞生出来的学科，但整车架构参数以及底盘之外的动力总成悬置、承载式车身的下地板及副车架和人-椅系统等，都会影响车辆动力学性能。因此，本书关注讨论车辆动力学和整车开发的关系，而不仅仅是和底盘的关系。

从20世纪70年代开始，以防抱死制动系统（ABS）为代表的各种底盘控制系统，开启了车辆动力学性能主动控制的新篇章，并为自动驾驶技术奠定了运动执行器基础。最初的防抱死制动系统（ABS）和驱动力控制系统（TCS）通过保证轮胎最优纵向滑移率来最大化轮胎可用制动力和牵引力，以实现最好的制动或加速性能。随后出现的各种产生轴力矩的底盘控制系统，如电子稳定性控制系统（ESC）、电子限滑差速器（eLSD）、扭矩矢量控制（Torque Vectoring）和分布式驱动电机等可以有效地改善车辆横摆性能。这类系统通过调节轮胎的纵向力产生横摆力矩来提升车辆的极限稳定性，甚至线性区的响应。在垂向振动衰减方面，主动和半主动悬架已经在量产车上得到应用，各种新的控制算法仍在不断被研发出来。车辆动力学的发展和整车控制系统的演进因此形成了彼此促进、相辅相成的关系。

汽车的“新四化”（即电动化、智能化、网联化和共享化）以及轻量化已成为新型汽车的发展方向，围绕这一趋势将使得汽车更轻量节能、单车更为智能、车车-车物更为互联、出行更为便捷和低成本。中国提出的“碳达峰”和“碳中和”时间表也在战略层面对汽车轻量节能提出了目标。随着以上“五化”的落地，汽车的技术含量将大为提升，传统底盘在整车成本中的占比显著下降，但事关用户体验的车辆动力学、整车QDR（品质、耐用性、可靠性）和节能性，就像大楼的地基一样，其重要性并没有下降。

虽然网联化中的OTA（空中升级）技术能够升级车载多媒体系统，甚至深层次地改变汽车控制系统、管理系统及某些性能，但汽车最基础的动态性能还是由动力系统、车身、悬架、转向和车轮等硬件共同决定，而这些部分都无法通过OTA升级。若底盘硬件本身就存在某些质量问题或设计缺陷，无论如何OTA，安全隐患仍会存在。归根到底，汽车OTA只能优化计算机的算法或者参数，无法解决硬件上的问题，更无法让一款机械性能不佳的车脱胎换骨。

无论在“五化”时代真正到来之前或以后，能给用户带来最大利益的仍然是有良好驾乘体验、安全节能、耐久可靠的车，而这一切都和基础底盘有直接关系。各个主机厂正在开展汽车架构的平台化、系统的模块化，强调零部件的通用化率。通过设计平台化、采购平台化和制造平台化，可实现缩短开发周期、降低成本和提高QDR的目的。系统模块化要求共用底盘硬点和主要零部件，这实际上限制了通过优化悬架K&C（Kinematic & Compliance，指悬架的运动学特性）参数改善整车动力学性能的可能性。因此，悬架设计的主要目的就变成了让轮胎能更好地发挥其潜力，同一个平台的不同车型只能主要依赖不同的轮胎特性来实现性能的差异。这给轮胎企业提出了更高的要求，即产品不止要在操稳转向、行驶平顺性、滚动阻力、NVH（Noise，Vibration，Harshness，指噪声、振动与声振粗糙度）性能等各方面都要有较好平衡，而且要在需要性能有所侧重时能准确实现目标。这也是传统轮胎开发技术的成长空间和新时期必须要努力的方向。总之，在“五化”时代，传统的充气轮胎和机械底盘仍将发挥至关重要的作用。