内容简介
本书介绍了底盘对于整车性能的重要性、用户体验和法律规定的相关内容，还介绍了底盘设计对于车辆性能，特别是纵向、横向和垂向动力学分析，以及对速度、加速度、油耗、制动性能、可操作性（或操控）和舒适度的影响。为了便于汽车工程师在实车测试之前进行原型测试及仿真开发测试，本书还讨论了底盘和大型车辆的数学模型；完全将底盘作为一个系统来处理，讨论底盘对车辆性能的贡献，这是客户所感知的，也是立法规则所规定的。
本书附录部分还介绍了底盘和一般车辆的数学模型、摩托车的动力学特性、用于其他外环境的轮式车辆的特性、车辆事故的数学分析方法以及常见车型的主要数据。
本书适合在汽车技术开发领域设计车身底盘的工程师、智能驾驶领域开发者以及高校相关专业师生阅读参考。
目录
序一
序二
译者序
前言
致谢
关于作者
第三部分功能与法规
介绍1
第17章交通统计3
17.1交通量4
17.1.1客运4
17.1.2货物运输6
17.1.3能源消耗8
17.2运营车队12
17.2.1数量12
17.2.2特点15
17.3社会影响19
17.3.1事故19
17.3.2排放23
17.3.3经济数据27
第18章车辆功能28
18.1系统设计28
18.1.1客户感知的功能30
18.1.2技术规范32
18.1.3底盘系统设计33
18.2客观要求34
18.2.1动态性能35
18.2.2操控性和主动安全性36
18.2.3动态舒适性40
18.2.4人体工程学41
18.3主观要求42
18.3.1操控性和主动安全性43
18.3.2动态舒适性46
18.3.3燃油消耗47
18.4耐老化性49
第19章法规55
19.1车辆系统57
19.1.1整车型式核准57
19.1.2能耗和排放59
19.1.3可回收性63
19.2轮胎64
19.3转向系统66
19.4制动系统68
19.5底盘结构74
第四部分底盘的系统性设计
介绍77
第20章一般特征78
20.1从动物牵引车到机动车辆78
20.2机动车辆的可能布局79
20.3转向系统布局82
20.4悬架类型85
20.5对称性考虑86
20.6参考坐标系87
20.7质心位置88
20.8不同刚体之间的质量分布90
20.9转动惯量90
第21章机动车辆空气动力学概述93
21.1气动力和力矩94
21.2车辆周围的空气流场100
21.3气动阻力106
21.3.1摩擦阻力107
21.3.2诱导阻力108
21.3.3形状阻力109
21.3.4减小气动阻力：乘用车109
21.3.5减小气动阻力：商用车114
21.4升力和俯仰力矩116
21.5侧向力、侧倾力矩和横摆力矩119
21.6空气动力学的实验研究121
21.7数值空气动力学125
第22章机动车动力源128
22.1车辆能源128
22.2车辆发动机132
22.3汽车燃料134
22.3.1常规燃料134
22.3.2含氧燃料134
22.3.3氢135
22.3.4由二氧化碳生产甲烷138
22.4内燃机139
22.5改进标准动力总成144
22.5.1往复式内燃机144
22.5.2变速器145
22.6发动机创新146
22.6.1内燃机147
22.6.2外燃机148
22.7电机148
22.8驱动电池154
22.9超级电容器159
22.10燃料电池160
22.11部分电动化：混合动力汽车162
22.11.1一般考虑162
22.11.2电压的选择166
22.11.3轻度混合动力167
22.11.4并联全混合动力169
22.11.5串联混合动力170
22.11.6功率分流和串并联混合动力171
22.11.7插电式混合动力汽车 173
22.11.8结论174
22.12电动汽车175
22.12.1一般考虑175
22.12.2车辆架构178
第23章驱动动态性能182
23.1地面载荷分布182
23.1.1两轴车辆182
23.1.2两轴以上车辆184
23.1.3铰接式车辆186
23.2总运动阻力188
23.3运动所需的功率189
23.4车轮处可用功率192
23.5可传输至道路的最大功率192
23.5.1全轮驱动车辆193
23.5.2单轴驱动车辆194
23.6最高车速196
23.7爬坡能力和传动比的初始选择197
23.8匀速燃油消耗199
23.9车辆静止起动202
23.9.1第一阶段203
23.9.2第二阶段204
23.9.3第三阶段204
23.10加速206
23.11实际行驶工况油耗211
第24章制动动态性能214
24.1理想条件下的制动214
24.2实际制动情况217
24.3制动功率221
第25章操控性能224
25.1低速或运动转向224
25.1.1不带挂车的两轴车辆224
25.1.2两轴以上无挂车车辆225
25.1.3带有挂车的车辆225
25.2理想转向231
25.2.1水平道路231
25.2.2气动升力的影响233
25.2.3道路横向坡度233
25.2.4关于理想转向的考虑235
25.2.5两轮车辆236
25.3高速转弯：简化方法237
25.4转向不足和转向过度的定义239
25.5高速转弯241
25.5.1运动方程241
25.5.2车轮的侧偏角246
25.5.3作用在车辆上的力247
25.5.4稳定性导数248
25.5.5运动方程的最终表达式250
25.6稳态横向行为251
25.7中性转向点和静态裕度253
25.8对外力和力矩的响应255
25.9滑动转向257
25.10纵向力对操控的影响258
25.11横向载荷转移261
25.12前束262
25.13悬架的弹性运动行为和底盘柔性的影响262
25.14车辆稳定性263
25.14.1锁定控制263
25.14.2自由控制265
25.15非稳态运动271
25.16有两个转向轴的车辆（4WS）278
25.17铰接式车辆四自由度模型280
25.17.1运动方程280
25.17.2车轮的侧偏角283
25.17.3广义力284
25.17.4力的线性表达式285
25.17.5运动方程的最终表达式287
25.17.6稳态运动288
25.17.7稳定性和非稳态运动290
25.18多体铰接式车辆294
25.18.1运动方程294
25.18.2车轮的侧偏角和广义力297
25.19线性化模型的极限299
第26章舒适性能300
26.1内部激励300
26.2道路激励303
26.3振动对人体的影响306
26.4四分之一车模型307
26.4.1单自由度四分之一车308
26.4.2二自由度四分之一车314
26.4.3国际粗糙度指数320
26.4.4带副车架的四分之一车（三自由度）321
26.4.5带动态吸振器的四分之一车模型322
26.4.6多自由度四分之一车悬架-轮胎相互作用研究324
26.4.7悬架运动学的影响328
26.5起伏和俯仰运动333
26.5.1刚性轮胎的简化模型333
26.5.2俯仰中心337
26.5.3悬架设计的经验规则339
26.5.4二自由度模型的频率响应341
26.5.5轮胎柔性的影响345
26.5.6互连悬架346
26.6侧倾运动348
26.6.1单自由度模型348
26.6.2多自由度模型350
26.7非线性的影响351
26.7.1减振器351
26.7.2弹簧356
26.8乘坐舒适性总结357
第27章驾驶辅助和自动驾驶汽车360
27.1传统车辆360
27.2线控系统361
27.2.1线控转向363
27.2.2线控制动363
27.2.3其他线控系统363
27.2.4机电悬架364
27.3纵向控制辅助系统364
27.3.1防抱死(ABS)系统365
27.3.2驱动力控制系统（TCS、ASR）368
27.3.3伺服控制变速器和离合器369
27.3.4自适应巡航控制系统370
27.3.5防撞系统372
27.4操纵稳定性控制辅助系统373
27.4.1一般考虑373
27.4.2使用参考模型进行控制375
27.4.3VDC系统376
27.4.4带横摆角速度控制的简化VDC378
27.5悬架控制381
27.5.1主动侧倾控制(ARC)383
27.5.2起伏控制387
27.6自动驾驶汽车399
27.6.1自动驾驶汽车路线图399
27.6.2自动驾驶的应用402
27.6.3伦理和法律问题404
27.6.4车辆-驾驶员系统的简单模型406
27.6.5用于操纵稳定性的简单线性化驾驶员模型407
27.6.6更现实的线性驾驶员模型412
27.6.7自动驾驶汽车传感器415
27.6.8自动驾驶汽车的公众接受度418
第28章未来进化的展望421
28.1需要改变吗？421
28.2更小、更轻、更便宜和更环保的车辆423
28.3更加安全的汽车424
28.4模块化车辆426
28.5减少燃料消耗427
28.5.1气动阻力428
28.5.2滚动阻力428
28.5.3车辆质量429
28.6突破的可能性430
28.6.1飞行汽车430
28.6.2其他先进车辆436
第五部分数学建模
介绍439
第29章车辆的数学模型441
29.1用于设计的数学模型441
29.2连续模型和离散模型443
29.3分析模型和数值模型445
第30章多体建模446
30.1孤立车辆447
30.2孤立车辆的线性化模型449
30.2.1基本假设449
30.2.2簧载质量449
30.2.3通用整体桥悬架系统452
30.2.4一般独立悬架460
30.2.5独立悬架与刚性轴悬架的比较467
30.2.6整车的拉格朗日函数467
30.3锁定控制的10自由度模型468
30.3.1拉格朗日函数及其导数的表达式469
30.3.2运动学方程470
30.3.3运动方程472
30.3.4车轮侧偏角473
30.3.5广义力475
30.3.6运动方程的最终形式477
30.3.7操控性和舒适性解耦480
30.3.8车辆在弹性悬架上的操控性481
30.3.9乘坐舒适性484
30.3.10结论487
30.4柔性车辆的模型488
30.4.1操控模型491
30.4.2乘坐舒适性模型492
30.4.3运动方程的解耦493
30.5铰接式车辆493
30.6陀螺矩和其他二阶效应494
第31章传动系模型496
31.1舒适性与传动系振动之间的耦合496
31.2发动机的动态模型498
31.2.1曲柄机构的等效系统498
31.2.2驱动转矩501
31.2.3多缸机械曲柄上的强迫函数502
31.2.4曲柄轴的刚度503
31.2.5系统的阻尼504
31.2.6附属设备506
31.2.7发动机控制507
31.2.8发动机悬置508
31.3传动系509
31.4车辆的惯性511
31.5线性化传动系统模型512
31.6非时不变模型517
31.6.1运动方程517
31.6.2传动系刚体运动519
31.6.3发动机和传动系的扭转动力学520
31.6.4传统方法521
31.6.5数值方法522
31.7多体传动系模型522
第32章倾斜车身车辆模型524
32.1高侧倾角悬架525
32.1.1拖曳臂悬架525
32.1.2横向四边形悬架526
32.1.3倾斜控制528
32.1.4悬架刚度530
32.1.5悬架的侧倾阻尼532
32.2线性化刚体模型533
32.2.1动能和势能534
32.2.2车轮的旋转536
32.2.3拉格朗日函数537
32.2.4运动学方程538
32.2.5运动方程539
32.2.6车轮的侧偏角539
32.2.7广义力540
32.2.8运动方程的最终形式541
32.2.9稳态平衡条件542
32.2.10稳态平衡位置附近的运动543
32.2.11稳态操控544
32.2.12稳态条件的稳定性547
32.3动态倾斜控制548
32.4操控-舒适耦合551
32.4.1动能和势能552
32.4.2运动方程555
32.4.3运动方程的最终形式556
32.4.4稳态平衡位置的运动557
附录A状态空间和构形空间中的运动方程560
A.1离散线性系统的运动方程560
A.1.1构形空间560
A.1.2状态空间561
A.2线性动态系统的稳定性563
A.2.1保守的自然系统563
A.2.2自然非保守系统564
A.2.3具有奇异质量矩阵的系统566
A.2.4保守陀螺系统567
A.2.5一般动态系统567
A.3强制响应的闭式解569
A.4非线性动态系统569
A.5构形和状态空间中的拉格朗日方程570
A.6哈密尔顿方程和相空间572
A.7伪坐标形式的拉格朗日方程573
A.8刚体运动576
A.8.1广义坐标576
A.8.2运动方程：拉格朗日方法578
A.8.3使用伪坐标的运动方程579
附录B摩托车动力学582
B.1基本定义583
B.2锁定控制模型586
B.2.1运动方程586
B.2.2运动方程的线性化588
B.2.3广义力588
B.2.4广义力的线性化表达589
B.2.5线性运动方程的最终表达式590
B.3锁定控制的稳定性591
B.3.1侧翻运动591
B.3.2低频摇摆运动593
B.4稳态运动596
B.5自由控制模型597
B.5.1广义力598
B.5.2线性化、自由控制方程的最终表达式599
B.5.3自由控制的稳定性600
B.5.4稳态响应602
B.6大侧倾角下的稳定性602
B.6.1锁定控制运动602
B.6.2平衡条件603
B.6.3恒速稳定性604
B.6.4自由控制模型604
附录C用于地外环境的轮式车辆606
C.1阿波罗任务的月球车（LRV）606
C.1.1车轮和轮胎607
C.1.2驱动和制动系统608
C.1.3悬架608
C.1.4转向608
C.2任务类型609
C.3环境条件610
C.4移动性611
C.5车辆在低重力下的行为612
C.5.1纵向性能612
C.5.2操控性613
C.5.3舒适度614
C.6电源系统615
C.7结论616
附录D与车辆事故相关的问题617
D.1车辆碰撞：脉冲模型617
D.1.1中央正面碰撞617
D.1.2斜向碰撞619
D.1.3与固定障碍物的碰撞621
D.1.4非中心正面碰撞622
D.1.5横向碰撞622
D.1.6简化方法623
D.2车辆碰撞：二次近似模型628
D.2.1正面碰撞固定障碍物628
D.2.2车辆正面碰撞633
D.2.3车辆之间的斜向碰撞636
D.3碰撞后的运动638
D.3.1车轮锁死的车辆638
D.3.2带自由滚动车轮的车辆642
D.4侧翻643
D.4.1准静态侧翻643
D.4.2动态侧翻645
D.4.3与路缘的横向碰撞646
D.4.4道路横向坡度和曲率的影响648
D.5运输物体在碰撞过程中的运动650
D.5.1自由物体650
D.5.2约束对象654
附录E各种常见车型的数据656
E.1小型车（a）656
E.2小型车（b）658
E.3小型车（c）659
E.4中型轿车（a）661
E.5中型轿车(b)663
E.6中型混合动力和电动轿车664
E.6.1混合动力电动版665
E.6.2插电式混合动力版本667
E.6.3电动版668
E.7跑车（a）668
E.8跑车（b）670
E.9厢式货车672
E.10重型铰接式货车674
E.10.1牵引车674
E.10.2挂车675
E.10.3轮胎675
E.11竞赛摩托车676
前言/序言
本书是作者长达数十年经验的结晶：一方面是为工程专业学生教授车辆力学、车辆系统设计、底盘设计等课程的经验，另一方面是大型汽车公司车辆和底盘部件的设计实践。本书主要面向汽车工程专业的学生，其次是所有该领域的技术人员和设计师。它还面向所有寻求技术指南的汽车爱好者。
道路车辆设计的传统和学科多样性使得我们将车辆分为三个主要子系统：发动机、车身和底盘。
如今，底盘不再是一个可见的子系统，不再是制造过程某个部分的结果，这一点不同于发动机和车身：底盘部件实际上是直接组装在车身上的。因此，底盘的功能不能与汽车的其他部分分开评估。
通过阅读本书第一部分和第二部分的章节，我们可以更好地了解历史演变，过去的情况与现在完全不同——在第一辆汽车中，底盘被定义为一个真正的自移动子组件，其中包括：
· 一种结构，通常是梯形车架，能够承载车辆所有其他部件。
· 悬架，用于将车轮与车架机械连接起来。
· 配有轮胎的车轮。
· 转向系统，用于根据车辆路径改变车轮角度。
· 制动系统，用于降低速度或停止车辆。
· 变速器，用于将发动机转矩施加到驱动轮。
这组部件在组装发动机后能够自主移动；至少在许多实验测试中都发生过这种情况，在这些测试中，用配重代替车身，并在制造过程中将底盘从汽车制造商的车间移动到车身制造商的车间。
客户通常从汽车制造商那里购买底盘，然后由车身制造商根据他们的需求和规格完成。
在当代车辆中，这种特殊的结构和功能仅适用于商用车辆，但公共汽车除外。在公共汽车中，即使由某个车身制造商制造，车身结构也会与底盘车架一起形成总成，例如承载式车身。
在几乎每辆汽车上，底盘结构都是车身地板（平台）的一部分，不能与车身分离；有时还会添加一些副车架，以将悬架或动力传动系统连接到车身，并使其能够在主装配线旁进行预组装。
传统和这些部件的某些特定技术方面展示了在车辆工程中这一特定学科的发展是合理的，因此几乎所有汽车制造商都设立了专门负责底盘的技术部门，与负责车身或发动机的部门分开。
最近又增加了一个新理由来证明设立不同的学科和专门的组织的合理性，这就是所谓的技术平台的建立：现代市场趋势要求前所未有的产品多样化，这是过去从未达到过的；有时营销专家将这种现象称为“碎片化”。
如果没有对特定车型不可见部件或非特定部件进行严格的交叉标准化，这种高度多样化就无法以可接受的生产成本维持。
这种情况多年来一直为所有商用车制造商所熟知。“平台”一词涵盖了车身底部和前侧梁，描述了一组与前底盘基本相同的组件；特定的技术和科学问题、不同的开发周期和更长的经济寿命突出了致力于该汽车子系统的工程师的特殊性。
本书共两卷，内容分为五部分。
上卷分两部分描述了主要的底盘子系统。
第一部分描述了从轮胎到底盘结构的主要部件，包括车轮与轮胎、悬架、转向系统和制动系统，特别是控制系统。由于主动系统和自动系统的普及，控制系统的重要性日益增加。
第二部分讨论传动系统和相关部件；由于该主题的复杂性，有必要单独介绍。
值得注意的是，许多汽车制造商专门将该子系统的工程和生产组织集成到动力传动系统，而不是底盘组织中。这显然不会影响本书的技术内容，并且可以通过标准化问题和该组件的生命周期来证明，在某些方面，与底盘系统相比，传动系统与发动机更相关。
本书假设学生已经具备了通过传统机械设计课程获得的机械部件的一般知识，不再讨论一般课程中可以找到的内容，例如第二部分不会详尽介绍齿轮设计，以及轴、轴承和密封件设计。
尽管如此，在本书的许多部分中，仍旧介绍和讨论了通常不会在通用设计课程中涉及的设计和测试知识。
我们还决定用两章来介绍汽车产品的历史演变；它们应该能让读者了解汽车在其诞生后120年的技术进步。在作者看来，这个主题是一种有用的技术培训，有时也有助于激发灵感。
本书仅考虑最普及的道路车辆的典型结构：主要是乘用车，其中提到了一些商用车辆，而不考虑其他车型，如摩托车、拖拉机、土方机械和四轮车。
下卷分为三部分，完全将底盘作为一个系统来处理，讨论底盘对车辆性能的贡献，这是客户所感知的，也是立法规则所规定的。
第三部分专门概述了车辆预期执行的功能、客户的期望和相关法规。
第四部分解释了底盘系统性设计对车辆性能的影响，重点解释了纵向、横向和垂直动力学，以及它们对速度、加速度、油耗、制动能力、机动性（或操控性）和舒适性的影响。
第五部分介绍了底盘和一般车辆的数学建模。众所周知，汽车工程师越来越多地利用虚拟样车的数学模型，并在原型进行物理测试之前对其进行虚拟测试。
即使数学模型是基于专业人员编写的、市场上有售的计算代码，我们认为有必要让读者清楚地了解这些代码所基于的方法，以及这些代码能达到的近似程度。本部分的目的不是让专业人员建立模型，而是正确和负责任地使用这些建模结果。
这两本书包括五个附录。
附录A回顾了一些系统动力学概念，有助于理解第四部分和第五部分介绍的数学模型。
附录B专门介绍摩托车动力学。两轮车的研究在某些方面较为特殊，比四轮车更复杂；此外，生产摩托车的行业与汽车行业完全不同。
尽管如此，由于两种车辆都使用充气轮胎与地面接触，这两个领域也存在共同之处；两种车辆工程师之间的一些知识交流可能会互惠互利。
附录C专门介绍了在开发用于地外行星或环境的轮式车辆时应面对的特殊问题。从为阿波罗计划开发的唯一此类车辆开始，讨论传统车辆与未来可用于星际探索的车辆之间的相似之处和不同之处。
附录D利用数学方法分析与车辆事故相关的问题，有时非常简化，用于解释事故发生后汽车的运动。
附录E报告了书中一些示例使用的各种常见车型的主要数据；这些数据可以使读者以真实的数据练习他们的分析技能。
Giancarlo Genta
Lorenzo Morello
于意大利都灵
