1.3.1 車輛的動態性能定義

車輛的動態性能是懸架設計和車輛動力學性能開發的核心。車輛的動態性能用于指導懸架設計和開發，決定駕駛員的駕乘體驗。駕駛員和車輛的關系、車輛和地面之間的相對運動關系及相互作用力，車輛動態特性和整車各系統之間的關系可以用圖1.1表示。駕駛員通過操縱轉向盤、制動踏板和加速踏板，經由轉向系統、制動系統和動力傳動系統和懸架系統改變車輪系統相當于地面的側偏角、外傾角和縱向滑移率，從而產生輪心六個方向的分力。輪心力通過懸架系統作用于車身，在動力學原理的作用下，產生整車動態響應。底盤各系統的反饋和整車動態響應綜合起來決定了駕駛員的駕乘體驗。在整個閉環系統中，輪胎和地面的相互作用是核心，所有的底盤開發都圍繞改變輪胎相當于地面的運動和傳遞它們之間的作用力展開，因此，輪胎力學對底盤開發和車輛動力學至關重要。可以這么說：車輛的硬件結構和早期設計基本決定了車輛物理系統的特征及大致的性能范圍，后期調校可以改進和優化主觀駕乘體驗。

車輛動力學研究的范圍一般可以分為操縱性、穩定性、行駛平順性和制動性。最初的車輛動力學主要研究車輛這一機械力學系統，后來駕駛員的駕乘體驗逐步成為另一個關注點。因此，從駕乘體驗角度考慮車輛動力學也應該包括駕駛性（圖1.2）。底盤電控系統的廣泛應用使得車輛動力學研究的范圍進一步擴大。

圖1.1 駕駛員和車輛的關系、車輛和地面的關系、車輛動態特性和底盤之間的關系

圖1.2 車輛動力學覆蓋的范圍

操縱性和穩定性最初經常相提并論，統稱為操縱穩定性。最初提出的簡化兩輪模型是為了解釋車輛橫擺和側向的動態表現，主要考慮輪胎性能的貢獻，奠定了操縱穩定性的基礎。在后來的研究成果中，車輛模型從靜力學拓展到動力學甚至控制理論模型，從平面兩輪模型拓展到包括側傾自由度的四輪模型，逐步包括了懸架系統、轉向系統和電子控制系統的影響。在相同理論起源的基礎上，隨著研究的不斷深入，特別是主觀評價活動對運動性能的關注越來越詳細，逐步從主要關注車輛作為一個客觀動力學系統的穩定性（stability）、操縱性（handling）和機動性（maneuverability），到關注駕駛員的主觀感受，包括穩定感、操縱靈敏感、轉向盤力矩反饋、抗干擾能力等。從車輪角輸入到車輛的橫擺和側傾響應輸出是車輛穩定性的考察范圍，包括方向穩定性（即橫擺穩定性）和側傾穩定性。從轉向盤角度輸入到車輛側向和橫擺響應輸出以及轉向盤力矩反饋屬于操縱性范疇。早期關注轉向盤角度和轉矩兩種輸入下車輛響應的文獻仍然使用轉向盤中心區操縱性能（On-center Handling），隨后的文獻也使用轉向性能這一術語（Steering Performance）。本書中統一使用操縱性這一術語。

更具體來說：穩定性（即方向穩定性和側傾穩定性）是車輛作為機械物理系統本身的屬性。穩定的車輛能夠很好地維持現有的運動狀態，受到干擾后（側風、路面不平）能保持或迅速恢復原有的運動狀態，比如直行和零側傾、零俯仰。受到控制輸入后（轉向和制動輸入）能很快達到穩定狀態。不穩定的車輛容易失控，比如甩尾和側翻，容錯能力低，有安全隱患。可以用穩態不足轉向度、彎道制動和彎道加速等彎道穩定性、側翻穩定性裕度、魚鉤試驗、正弦遲滯（Sine with Dwell）試驗等來量化穩定性。另一個相關但不同的概念是乘員的穩定感，線性范圍內的側傾梯度、側傾角速度、制動點頭梯度或最大點頭角和乘員穩定感有關。這種工況下車輛一般不存在安全隱患，但會影響駕駛員的安全感和信心。橫擺穩定性可以用控制理論解釋，并由此發展出了車輛穩定性控制理論。

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改變前進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轉向盤角度輸入改變橫擺角速度、側向加速度或側向位移的能力越強，能夠迅速響應轉向輸入，有可預測的側向和橫擺響應。操縱性好的車輛轉向盤總圈數少、轉彎半徑小。轉向盤角度輸入后產生的側傾運動不是期望的輸出，不應該作為判斷操縱性優劣的指標。根據定義，在共同關注的橫擺和側向運動方面，操縱性和穩定性必然體現出對立的性質，即穩定性越好的車輛可操縱性越差，反之，太高的轉向靈敏度雖然可能意味著優秀的可操縱性，但也和不穩定感相關。第5.1節將要討論的轉向靈敏度與不足轉向系數的公式可以很好地把橫擺穩定性（即不足轉向度）和操縱性（即轉向靈敏度）聯系起來，可以體現二者的對立關系，也可以解釋為什么在高速公路上有些車的穩定感會下降。ESC的標定風格很好地體現了二者的對立關系，標定過于穩定的車輛不夠靈活，而過于靈動的車輛又難以駕馭，因此需要恰當的平衡。操縱性關注駕駛員的主觀感受和轉向系統的貢獻，除轉向盤轉向角輸入的響應外也關注轉向盤力矩和車輛動態響應的關系，同時關注機動性（maneuverability），包括最小轉彎半徑、轉向盤總圈數、操縱靈敏感、轉向盤力矩反饋、抗干擾能力等。主觀動態評價的很多內容都和操縱性密切相關，操縱性能的主觀和客觀指標能夠直接指導轉向系統參數的設計和調校。

本書中討論的平順性特指行駛平順性，乘坐舒適性這一術語的內涵更為廣泛，為避免混淆，本書不使用這一術語。行駛平順性主要討論運動中的車輛在道路或車輛內部激勵下在人-車界面傳遞到乘員的低頻和中頻振動。低頻振動主要體現為車身作為整體在垂向、俯仰、側向和側傾方向的響應，而中頻振動主要與簧下質量的振動模態、轉向系統模態、動力總成懸置模態、座椅系統和車身本身作為柔性體的某些模態相關。高于20Hz的振動稱為高頻振動，一般歸為NVH性能。

本書不單獨討論整車制動性能，因為現代車輛廣泛采用的電控穩定性系統大多基于制動系統，將在穩定性部分討論制動工況下的穩定性問題。