1.3.1 車輛的動(dòng)態(tài)性能定義

車輛的動(dòng)態(tài)性能是懸架設(shè)計(jì)和車輛動(dòng)力學(xué)性能開(kāi)發(fā)的核心。車輛的動(dòng)態(tài)性能用于指導(dǎo)懸架設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，決定駕駛員的駕乘體驗(yàn)。駕駛員和車輛的關(guān)系、車輛和地面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及相互作用力，車輛動(dòng)態(tài)特性和整車各系統(tǒng)之間的關(guān)系可以用圖1.1表示。駕駛員通過(guò)操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)、制動(dòng)踏板和加速踏板，經(jīng)由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)改變車輪系統(tǒng)相當(dāng)于地面的側(cè)偏角、外傾角和縱向滑移率，從而產(chǎn)生輪心六個(gè)方向的分力。輪心力通過(guò)懸架系統(tǒng)作用于車身，在動(dòng)力學(xué)原理的作用下，產(chǎn)生整車動(dòng)態(tài)響應(yīng)。底盤(pán)各系統(tǒng)的反饋和整車動(dòng)態(tài)響應(yīng)綜合起來(lái)決定了駕駛員的駕乘體驗(yàn)。在整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中，輪胎和地面的相互作用是核心，所有的底盤(pán)開(kāi)發(fā)都圍繞改變輪胎相當(dāng)于地面的運(yùn)動(dòng)和傳遞它們之間的作用力展開(kāi)，因此，輪胎力學(xué)對(duì)底盤(pán)開(kāi)發(fā)和車輛動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。可以這么說(shuō)：車輛的硬件結(jié)構(gòu)和早期設(shè)計(jì)基本決定了車輛物理系統(tǒng)的特征及大致的性能范圍，后期調(diào)校可以改進(jìn)和優(yōu)化主觀駕乘體驗(yàn)。

車輛動(dòng)力學(xué)研究的范圍一般可以分為操縱性、穩(wěn)定性、行駛平順性和制動(dòng)性。最初的車輛動(dòng)力學(xué)主要研究車輛這一機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)，后來(lái)駕駛員的駕乘體驗(yàn)逐步成為另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。因此，從駕乘體驗(yàn)角度考慮車輛動(dòng)力學(xué)也應(yīng)該包括駕駛性（圖1.2）。底盤(pán)電控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使得車輛動(dòng)力學(xué)研究的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖1.1 駕駛員和車輛的關(guān)系、車輛和地面的關(guān)系、車輛動(dòng)態(tài)特性和底盤(pán)之間的關(guān)系

圖1.2 車輛動(dòng)力學(xué)覆蓋的范圍

操縱性和穩(wěn)定性最初經(jīng)常相提并論，統(tǒng)稱為操縱穩(wěn)定性。最初提出的簡(jiǎn)化兩輪模型是為了解釋車輛橫擺和側(cè)向的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，主要考慮輪胎性能的貢獻(xiàn)，奠定了操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。在后來(lái)的研究成果中，車輛模型從靜力學(xué)拓展到動(dòng)力學(xué)甚至控制理論模型，從平面兩輪模型拓展到包括側(cè)傾自由度的四輪模型，逐步包括了懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)的影響。在相同理論起源的基礎(chǔ)上，隨著研究的不斷深入，特別是主觀評(píng)價(jià)活動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的關(guān)注越來(lái)越詳細(xì)，逐步從主要關(guān)注車輛作為一個(gè)客觀動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（stability）、操縱性（handling）和機(jī)動(dòng)性（maneuverability），到關(guān)注駕駛員的主觀感受，包括穩(wěn)定感、操縱靈敏感、轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩反饋、抗干擾能力等。從車輪角輸入到車輛的橫擺和側(cè)傾響應(yīng)輸出是車輛穩(wěn)定性的考察范圍，包括方向穩(wěn)定性（即橫擺穩(wěn)定性）和側(cè)傾穩(wěn)定性。從轉(zhuǎn)向盤(pán)角度輸入到車輛側(cè)向和橫擺響應(yīng)輸出以及轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩反饋屬于操縱性范疇。早期關(guān)注轉(zhuǎn)向盤(pán)角度和轉(zhuǎn)矩兩種輸入下車輛響應(yīng)的文獻(xiàn)仍然使用轉(zhuǎn)向盤(pán)中心區(qū)操縱性能（On-center Handling），隨后的文獻(xiàn)也使用轉(zhuǎn)向性能這一術(shù)語(yǔ)（Steering Performance）。本書(shū)中統(tǒng)一使用操縱性這一術(shù)語(yǔ)。

更具體來(lái)說(shuō)：穩(wěn)定性（即方向穩(wěn)定性和側(cè)傾穩(wěn)定性）是車輛作為機(jī)械物理系統(tǒng)本身的屬性。穩(wěn)定的車輛能夠很好地維持現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，受到干擾后（側(cè)風(fēng)、路面不平）能保持或迅速恢復(fù)原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，比如直行和零側(cè)傾、零俯仰。受到控制輸入后（轉(zhuǎn)向和制動(dòng)輸入）能很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。不穩(wěn)定的車輛容易失控，比如甩尾和側(cè)翻，容錯(cuò)能力低，有安全隱患。可以用穩(wěn)態(tài)不足轉(zhuǎn)向度、彎道制動(dòng)和彎道加速等彎道穩(wěn)定性、側(cè)翻穩(wěn)定性裕度、魚(yú)鉤試驗(yàn)、正弦遲滯（Sine with Dwell）試驗(yàn)等來(lái)量化穩(wěn)定性。另一個(gè)相關(guān)但不同的概念是乘員的穩(wěn)定感，線性范圍內(nèi)的側(cè)傾梯度、側(cè)傾角速度、制動(dòng)點(diǎn)頭梯度或最大點(diǎn)頭角和乘員穩(wěn)定感有關(guān)。這種工況下車輛一般不存在安全隱患，但會(huì)影響駕駛員的安全感和信心。橫擺穩(wěn)定性可以用控制理論解釋，并由此發(fā)展出了車輛穩(wěn)定性控制理論。

操縱性指的是車輛的可操縱性，指車輛可以被駕駛員操縱來(lái)改變前進(jìn)方向或者路徑的能力。操縱性越好的車輛在不同車速下通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)角度輸入改變橫擺角速度、側(cè)向加速度或側(cè)向位移的能力越強(qiáng)，能夠迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)向輸入，有可預(yù)測(cè)的側(cè)向和橫擺響應(yīng)。操縱性好的車輛轉(zhuǎn)向盤(pán)總?cè)?shù)少、轉(zhuǎn)彎半徑小。轉(zhuǎn)向盤(pán)角度輸入后產(chǎn)生的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)不是期望的輸出，不應(yīng)該作為判斷操縱性優(yōu)劣的指標(biāo)。根據(jù)定義，在共同關(guān)注的橫擺和側(cè)向運(yùn)動(dòng)方面，操縱性和穩(wěn)定性必然體現(xiàn)出對(duì)立的性質(zhì)，即穩(wěn)定性越好的車輛可操縱性越差，反之，太高的轉(zhuǎn)向靈敏度雖然可能意味著優(yōu)秀的可操縱性，但也和不穩(wěn)定感相關(guān)。第5.1節(jié)將要討論的轉(zhuǎn)向靈敏度與不足轉(zhuǎn)向系數(shù)的公式可以很好地把橫擺穩(wěn)定性（即不足轉(zhuǎn)向度）和操縱性（即轉(zhuǎn)向靈敏度）聯(lián)系起來(lái)，可以體現(xiàn)二者的對(duì)立關(guān)系，也可以解釋為什么在高速公路上有些車的穩(wěn)定感會(huì)下降。ESC的標(biāo)定風(fēng)格很好地體現(xiàn)了二者的對(duì)立關(guān)系，標(biāo)定過(guò)于穩(wěn)定的車輛不夠靈活，而過(guò)于靈動(dòng)的車輛又難以駕馭，因此需要恰當(dāng)?shù)钠胶狻２倏v性關(guān)注駕駛員的主觀感受和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，除轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向角輸入的響應(yīng)外也關(guān)注轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系，同時(shí)關(guān)注機(jī)動(dòng)性（maneuverability），包括最小轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)向盤(pán)總?cè)?shù)、操縱靈敏感、轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩反饋、抗干擾能力等。主觀動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的很多內(nèi)容都和操縱性密切相關(guān)，操縱性能的主觀和客觀指標(biāo)能夠直接指導(dǎo)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)和調(diào)校。

本書(shū)中討論的平順性特指行駛平順性，乘坐舒適性這一術(shù)語(yǔ)的內(nèi)涵更為廣泛，為避免混淆，本書(shū)不使用這一術(shù)語(yǔ)。行駛平順性主要討論運(yùn)動(dòng)中的車輛在道路或車輛內(nèi)部激勵(lì)下在人-車界面?zhèn)鬟f到乘員的低頻和中頻振動(dòng)。低頻振動(dòng)主要體現(xiàn)為車身作為整體在垂向、俯仰、側(cè)向和側(cè)傾方向的響應(yīng)，而中頻振動(dòng)主要與簧下質(zhì)量的振動(dòng)模態(tài)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)、動(dòng)力總成懸置模態(tài)、座椅系統(tǒng)和車身本身作為柔性體的某些模態(tài)相關(guān)。高于20Hz的振動(dòng)稱為高頻振動(dòng)，一般歸為NVH性能。

本書(shū)不單獨(dú)討論整車制動(dòng)性能，因?yàn)楝F(xiàn)代車輛廣泛采用的電控穩(wěn)定性系統(tǒng)大多基于制動(dòng)系統(tǒng)，將在穩(wěn)定性部分討論制動(dòng)工況下的穩(wěn)定性問(wèn)題。