第1章
車輛動力學簡史及發展趨勢

1.1 概述

雖然人類發明和使用車輛已經有幾千年的歷史，但只有在1886年卡爾·本茨（Karl Benz）和戈特利布·戴姆勒（Gottlieb Daimler）獨立研發出世界上第一輛汽車之后，人類才真正進入了機器動力驅動的汽車時代。在汽車時代最初的幾十年里，無數發明家和工程師致力于不同系統和總成的發明和制造，以滿足人們對汽車某種功能的需求。汽車業的大部分工程資源都用于如何使車輛更快、更舒適、更可靠的發明和設計。1908年，以福特T型車為代表，汽車開始走入尋常百姓家成為大眾交通工具，日趨激烈的市場競爭使得有著較好綜合性能并具有較低成本的車輛處于優勢地位。

1920年，量產車的最高速度達到了160km/h。隨著速度的提升，車輛的轉向行為有時變得不可預測，甚至不穩定。正如Maurice Olley（1889—1972）曾經觀察到的那樣：“所有部件都能完美地發揮作用，但當整合起來時，整體很少令人滿意”“汽車工業在35年里一直以一個一個零件的方式制造汽車，而沒有真正意義上的整車概念”。汽車設計需要理論指導，車輛動力學因此應運而生。所以說，車輛動力學是一門從底盤的研發實踐中誕生出來的實用學科，是一座把零部件設計和整車動態性能聯系起來的橋梁。汽車主機廠意識到了操縱穩定性和行駛平順性在市場競爭中的重要作用和對品牌形象的影響，于是，早期以通用汽車公司為代表的主機廠開始大力支持這方面的研究，使得從20世紀30年代起，車輛動力學逐步從解釋復雜的動力學現象和解決一些技術難題，發展成為一門獨立的學科，并在整車產品正向開發中發揮越來越重要的作用。車輛動力學的開發能力是整車企業的核心競爭力之一，其正確應用可以有效提升車輛安全性和用戶駕乘體驗。雖然車輛動力學是從底盤的研發實踐中誕生出來的學科，但整車架構參數以及底盤之外的動力總成懸置、承載式車身的下地板及副車架和人-椅系統等，都會影響車輛動力學性能。因此，本書關注討論車輛動力學和整車開發的關系，而不僅僅是和底盤的關系。

從20世紀70年代開始，以防抱死制動系統（ABS）為代表的各種底盤控制系統，開啟了車輛動力學性能主動控制的新篇章，并為自動駕駛技術奠定了運動執行器基礎。最初的防抱死制動系統（ABS）和驅動力控制系統（TCS）通過保證輪胎最優縱向滑移率來最大化輪胎可用制動力和牽引力，以實現最好的制動或加速性能。隨后出現的各種產生軸力矩的底盤控制系統，如電子穩定性控制系統（ESC）、電子限滑差速器（eLSD）、扭矩矢量控制（Torque Vectoring）和分布式驅動電機等可以有效地改善車輛橫擺性能。這類系統通過調節輪胎的縱向力產生橫擺力矩來提升車輛的極限穩定性，甚至線性區的響應。在垂向振動衰減方面，主動和半主動懸架已經在量產車上得到應用，各種新的控制算法仍在不斷被研發出來。車輛動力學的發展和整車控制系統的演進因此形成了彼此促進、相輔相成的關系。

汽車的“新四化”（即電動化、智能化、網聯化和共享化）以及輕量化已成為新型汽車的發展方向，圍繞這一趨勢將使得汽車更輕量節能、單車更為智能、車車-車物更為互聯、出行更為便捷和低成本。中國提出的“碳達峰”和“碳中和”時間表也在戰略層面對汽車輕量節能提出了目標。隨著以上“五化”的落地，汽車的技術含量將大為提升，傳統底盤在整車成本中的占比顯著下降，但事關用戶體驗的車輛動力學、整車QDR（品質、耐用性、可靠性）和節能性，就像大樓的地基一樣，其重要性并沒有下降。

雖然網聯化中的OTA（空中升級）技術能夠升級車載多媒體系統，甚至深層次地改變汽車控制系統、管理系統及某些性能，但汽車最基礎的動態性能還是由動力系統、車身、懸架、轉向和車輪等硬件共同決定，而這些部分都無法通過OTA升級。若底盤硬件本身就存在某些質量問題或設計缺陷，無論如何OTA，安全隱患仍會存在。歸根到底，汽車OTA只能優化計算機的算法或者參數，無法解決硬件上的問題，更無法讓一款機械性能不佳的車脫胎換骨。

無論在“五化”時代真正到來之前或以后，能給用戶帶來最大利益的仍然是有良好駕乘體驗、安全節能、耐久可靠的車，而這一切都和基礎底盤有直接關系。各個主機廠正在開展汽車架構的平臺化、系統的模塊化，強調零部件的通用化率。通過設計平臺化、采購平臺化和制造平臺化，可實現縮短開發周期、降低成本和提高QDR的目的。系統模塊化要求共用底盤硬點和主要零部件，這實際上限制了通過優化懸架K&C（Kinematic & Compliance，指懸架的運動學特性）參數改善整車動力學性能的可能性。因此，懸架設計的主要目的就變成了讓輪胎能更好地發揮其潛力，同一個平臺的不同車型只能主要依賴不同的輪胎特性來實現性能的差異。這給輪胎企業提出了更高的要求，即產品不止要在操穩轉向、行駛平順性、滾動阻力、NVH（Noise，Vibration，Harshness，指噪聲、振動與聲振粗糙度）性能等各方面都要有較好平衡，而且要在需要性能有所側重時能準確實現目標。這也是傳統輪胎開發技術的成長空間和新時期必須要努力的方向。總之，在“五化”時代，傳統的充氣輪胎和機械底盤仍將發揮至關重要的作用。