1概述本书讲述的是汽车上受的力和汽车运动的关系。从工程力学角度来看，本书主要研究的是汽车的动力学。而用车辆术语来说，本书讨论的是车辆的各项行驶性能。

下面先对整个汽车动力学问题做一简短概述。

本章参引： M.Mitschke, H.Wallentowitz, Dynamik der Kraftfahrzeuge, DOI 10.1007/9783658050689_1,Springer Fachmedien Wiesbaden 2014.1.1动力学问题概述

一部四轮车辆可以简单地认为由五个质量（车身和四个车轮）组成，它们通过悬架的导向装置、弹簧和减振器联系在一起。每一个自由运动的刚体都有6个自由度（3个平移自由度和3个转动自由度），这样一来，整车就有5×6=30个自由度。为了描写车辆运动，也就要有相应数量的微分方程，不过它们不是完全独立的。或者通过上述悬架元件的弹性的、阻尼的或铰接的联系；或者通过分布质量上各点加速度间的关系（参看动量矩定理）使大多数微分方程之间互相关联。

如果进一步考虑到汽车上还有其他的运动可能性，比如驱动装置（发动机+变速器，主减速器）、车内乘员、万向节和传动轴、载货汽车的驾驶室和货物、带转向横拉杆、转向器和转向盘的转向系等的运动可能性以及上面已假定是刚体的物体内部运动等，那么由于自由度数目的增加，使得微分方程的数目还要增加。

相互关联的这么多运动方程使我们难以全面描写汽车行驶性能。为了能突出特征和本质，我们宁愿把整个问题分成几个局部问题来考虑（同时相应地做了一些忽略）。以后就这样处理。

实际上，问题还要更复杂些。因为至今几乎还没有无人驾驶汽车投入运行，我们还必须把汽车的驾驶员考虑在内。驾驶员控制着车速和方向，只要由于一些不可避免的干扰使汽车偏离给定的行驶方向时，驾驶员就要纠正。与此同时，驾驶员还要把车辆和所容许的行驶空隙（由道路和路上的其他车辆、行人决定）相比较。当然，驾驶员也要把实际交通过程和他预期的要求（在一定时间，到达某一地点）或他必须遵守的行车时刻表相比较。

驾驶员上述这些活动又通过制动、加速和转向操作反作用到车辆上（见图1.1（a））。而车辆对此的反应肯定不能达到预期的程度，有时甚至不是期望的结果。驾驶员又随之得到了有关的信息，比如在弯道上行驶时，看到了行驶路线的偏差，（由耳的前庭）感觉到了侧向加速度的大小。他把这些信息和预期的做比较，再进行制动、加速和转向，也就是驾驶员重新要修正车辆的行驶状态。这样就形成了图1.1（a）所示的闭合回路，这个框图已涉及控制问题的范畴。由此也可以看出，不仅必须要对车辆用数学表达式来描述，而且还必须把驾驶员作为控制器用数学表达式来描述。

图1.1人车的相互作用

（a) 驾驶员车辆的控制回路（闭合回路）； （b) 振动情况下的开路

并非都是闭合回路。车内乘员被动地承受了车辆振动和噪声带来的生理负担（见图1.1（b））。这时除了驾驶员变速或停车外，没有其他办法可以摆脱。正如图中所画的，“车内乘员”和“车辆”两个方框之间除了通过“运动负荷”和“承受负担”联系外，没有形成闭合回路。为了能对车辆振动的舒适性进行评价，必须了解机械振动对车内乘员的影响，也需要数学方面的描述。

〖1〗〖3〗1概述如果说，用解方程组的方法来描述车辆性能时，因为自由度太多，已经不那么容易了；那么描述人体感觉和反应就更加困难，至今这个问题只是局部解决了。为了对人体的研究得到全面的、合乎科学的结果，必须继续工作。

在图1.1中对车辆的“扰动”首先是来自行驶路面。而道路同时也是预期参数的一部分（即“路线”），因为线路设计（直线、弯道、过渡线和坡度）会影响行驶方式。此外，轮胎和路面之间的摩擦系数对地面车辆起着很大的作用。接下来，还要考虑路面的不平度，它通过弹性悬置的车辆影响乘员；还增加了车辆和道路的负荷，并降低行驶安全性。

尽管驱动装置是车辆自身的一部分，但在图1.1中还把它列为“扰动”的一个方面，因为它是振动和噪声源。最后，风也属于“扰动”，例如侧风会使车辆偏离原来的行驶方向。

1.2局部问题的划分

从1.1节知道，处理“车辆驾驶员与乘员外界影响”这一总的系统是十分困难的，因而也是十分复杂的。所以看来分为几个范围较小的局部问题是可取的。下面就按坐标系把整体问题分成局部问题。

描述车辆运动时用的固定坐标系x0,y0和z0如图1.2所示。xA、yA和zA是与物体相连的（固定在车身上）坐标系，令其原点在车身重心SPA上。车身绕xA轴的转动称为侧倾运动κA、绕yA轴的转动称为俯仰运动φA、绕zA轴的转动称为横摆运动ψA。

图1.2描述车辆运动的坐标系及其名称

与上面对车身进行讨论的相类似，我们也可以对各个车轮进行讨论。如图1.2所示，这时我们把坐标系换成xR、yR和zR，坐标原点是车轮的重心SPR。车轮也有其特有的一些运动，其中最重要的是车轮旋转运动φR，即所谓的“滚动”，前轮绕近似铅垂轴的摆动即转向运动δV，以及前轮绕xA轴的转动，即“侧倾角”γR。

直线行驶时，x0和xA一般是方向一致的。当运动局限于这两根坐标轴上时，那就是“直线行驶”的局部问题，其中讨论行驶阻力，行驶功率以及制动和加速过程。

与上述方向垂直的运动，即在y0和yA方向上的横向运动（侧偏）以及绕铅垂轴的转动（横摆ψA）将导致行驶方向的偏离。因而主要属于“操纵稳定性”的局部问题。同时，还考虑车辆绕纵轴角运动（侧倾κA）。

在表面不平整的道路上行驶时出现“车辆振动”。这里考虑沿铅垂轴的跳动，以及绕横轴和纵轴的角运动（俯仰φA和侧倾κA）。在本书中采用的直线和旋转坐标系几乎与ISO标准或者DIN标准完全一致。有些符号对于作者不是很适合，在此进行了改变：x轴指向前方，这是因为车辆大多数情况下向前行驶。y轴指向左侧，这是由于直角坐标系中z轴指向上方。经常使用的“车身侧倾”（出自英语）实际上是指车身滚动，但是为了不至于与车轮滚动混淆，在此避免了采用“车身滚动”的概念。另外，侧倾角经常用φ描述。因为车轮的旋转运动在此用φ来描述，这样就出现了绕纵轴和横轴旋转运动都用同样符号表示的情况。为了区别两种情况，绕横轴的旋转用φ来描述（“车轮滚动”用φR描述，“车身俯仰运动”用φA描述），绕纵轴的旋转用κ描述（比如：“车身侧倾运动”用κA描述）。