INTRODUCTION TO PART IV
After studying the main components of the vehicle chassis and defining the goals the designer of a motor vehicle must meet to comply with the standards and to satisfy the requirements of customers, the fourth part of this book is devoted to the study of the vehicle chassis as a system.
The behavior of the chassis as a whole has much more influence on the overall characteristics of a motor vehicle in terms of performance, handling, safety and comfort than the characteristics of any single component. All complex machines must be studied and optimized at a system level, and this surely holds for motor vehicles as well.
After a short chapter devoted to the geometric and inertial properties of motor vehicles, properties that are highly dependent on those of the chassis, some basic ideas on vehicle aerodynamics and engines will be presented. Strictly speaking, both these subjects go beyond the study of the vehicular chassis, since they deal mainly with the other two systems constituting the motor vehicle (the body and the engine), but their influence on performance is too important to be neglected in the study of the chassis. They will be studied on in a synthetic way, examining only those aspects that are essential in the study of the chassis: the reader can find all the relevant details in specialized texts.
Two chapters dealing with the longitudinal dynamics of the motor vehicle, aimed at studying its performance both in acceleration and braking, will follow. In this study, many of the subsystems and components studied in Volume 1 are essential, namely the wheels and tires, the brakes and the driveline.
The following chapter is devoted to the study of lateral dynamics, an essential feature for assessing handling performance and active safety. In this chapter, only the lateral dynamics of the vehicle as a rigid body will be studied, and the effect of suspensions will not be dealt with, since it requires the use of more sophisticated mathematical models that will be introduced in Part V.
Suspensions will be introduced in the following chapter, which is devoted to the study of comfort. After a short section dealing with excitations due to the vehicle itself and to the road, and another one dealing with the response of the human body to vibration, the filtering characteristics of the chassis, due primarily to suspensions but also to tires, will be studied with the aim of obtaining satisfactory riding comfort.
The last chapter will be devoted to recently introduced automatic control devices. It is predicted that in the future they will become widespread with the aim of improving comfort and assisting the driver, especially when poor road conditions make his task more difficult.
20 GENERAL CHARACTERISTICS
20.1 SYMMETRY CONSIDERATIONS
Motor vehicles, like most machines, have a general bilateral symmetry. Only hypotheses can be advanced to explain why this occurs. Certainly to have a symmetry plane simplifies the study of the dynamic behavior of the system, for it can be modelled, within certain limits, using uncoupled equations. However, the reason is likely to be above all an aesthetic one: symmetry is considered an essential feature in most definitions of beauty.
All complex animals that evolved on our planet, including humans, have a symmetry plane defined by a vertical axis and an axis running in the longitudinal direction; symmetry is, however, not complete since some internal organs are positioned in an unsymmetrical way and some small deviations from symmetry are always present even in exterior appearance. When such lack of symmetry is too evident, it is felt to be incompatible with the aesthetic canons developed by all human civilizations.
A similar situation is encountered in all objects built by humans and, as in our interest here, in motor vehicles: a general outer symmetry and a certain lack of symmetry in the location of the internal components. Among the most common road vehicles, the only case where such a symmetry is not present is that of motorbikes with sidecar; these are, however, perceived to be made by a main unit, the motor bike, that has bilateral symmetry, plus a second unit, the sidecar, attached on a side, as its name suggests.
The sidecar often has its own symmetry plane, even if such characteristics are neither needed nor useful. This consideration may confirm the idea that symmetry has, in vehicles, purely an aesthetic justification.
A few other vehicles, built for very specialized use, like mobile cranes and building yard vehicles, have a non-symmetrical shape when strong functional reasons dictate it, but these are vehicles in which aesthetic considerations are utterly unimportant.
Many industrial vehicles may perhaps draw advantages from an asymmetrical architecture, for instance with the cab on one side and the loading surface on the other to use all the available length. Such a configuration seems, however, to be so unnatural as to be considered only if strictly needed. Imagination could at this point be set free to devise architectures that are not only without bilateral symmetry, but are even fully non-symmetrical, but this would likely be useless, since these configurations would seem to be unacceptable.
If the vehicle were completely symmetrical, the center of mass would lie in the symmetry plane. Actually, as already said, the mechanical systems and the load distribution are often not exactly symmetrical, so that the mass center can be displaced from it. In practice, the distance of the mass center from the symmetry plane is small.
20.2 REFERENCE FRAMES
The study of the motion of motor vehicles is usually performed with reference to some reference frames that are more or less standardized. They are (Fig. 20.1):
bull; Earth-fixed axis system XY Z. This is a right-hand reference frame fixed on the road. In the followi
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第四部分简介
研究了汽车底盘的主要部件，并表明机动车辆设计师遵守标准的同时满足客户需求必须要达到的目的后，这本书的第四章中对汽车底盘作为一个单独系统进行研究。
与任何单个部件特点相比，汽车底盘作为一个整体对机动车辆的整体性能、操作、安全及舒适性特点的影响非常大。在研究优化所有复杂机械时，必须将其看作一个整体，这点当然也适用于机动车辆。
简短介绍机动车辆的几何特性和惯性特点后，将对高度依赖于底盘的性能、车辆空气动力学基本概念及发动机进行介绍。严格来说，这两项均不在车辆底盘的研究范围之内，但由于它们与构成机动车辆的其他两大系统（车身及发动机）密切相关，加上对汽车性能的影响非常之大，所以在底盘研究中不能忽略这一部分的研究。其研究方法采用合成途径，仅对底盘研究中所必须的方面进行检查：读者可以从专业文献中找到所有相关细节。
接下来的两章讲的是机动车辆纵向动力学，旨在研究其加速及制动性能。第1卷研究的子系统及部件是该研究中必不可少的部分，包括车轮、轮胎、刹车和动力传动系统。
接下来的一章研究的是车辆横向动力学，横向动力是评估汽车操作性能及主动安全性所必须的一个特点。这一章仅涉及刚体汽车的横向动力，不研究悬架影响，因为研究悬架影响需要引用更为复杂的数学模型，详见第五部分。
下一章节是对汽车舒适性的研究，其中对悬架进行了介绍。在简单介绍汽车本身和路面情况产生的激振后，将研究另一个与人体对悬架和轮胎振动反应的相关因素，即底盘的滤波特性，目的是获取恰当的乘车舒适性。
最后一章研究的是近期引进的自动控制装置，预计未来一段时间会广泛应用此类装置，以便改善车辆舒适性，并协助驾驶员行车，在路况不佳不易行使的情况下更为如此。
20 一般特性
20.1 对称性考虑
和大部分机械一样，机动车辆一般都是左右对称，解释该特性时只能进行假设。当然对称平面可以简化该系统的动态特性，因为可以在一定范围内利用非耦合方程建模。但是对称原因也可能仅仅是为了美化外观需要：对称性在大部分对美的不同定义中都被视为一种必要因素。
地球上所有进化而成的复杂动物，包括人类，都是对称的，由一条纵轴线平均分成两部分；然而由于部分内部器官位置并不对称，甚至外观中也有脱离对称的现象，所以并不是所有物体都是对称的。如果不对称性太过明显，会让人感觉其有悖于人类文明发展过程中产生的审美标准。
同样这一现象还出现在人类创造的所有物体中，如我们此刻关注的机动车辆：外观总体对称，部分内部零件位置不对称。常见的道路车辆中唯一没有对称特性的是带跨斗的摩托车；但是这种类型的摩托车的主要部分还是对称的摩托车，再把跨斗安装在其中一边，正如其名。
通常情况下跨斗有自己的对称平面，即便不需要这种特性，且这种对称并无益处。这点就可以用来说明汽车对称性单纯的审美作用。
还有其他一些特殊用途车辆，因其比较注重功能性，外形也并不对称，如移动吊车和建筑场地车辆，但是对这些车辆来说，外观如何完全不重要。
还有许多工业车辆的优势在于其不对称结构，如一边是驾驶室，另一边是加载面，加载面长为车辆所有可用长度。但是这种结构看上去很不自然，所以只有在必须使用的情况下才会考虑。设想一下，如果一种结构不是左右对称，甚至完全不对称，这样不容易让人接受，所以这种结构很可能毫无用处。
如果汽车是完全对称结构，质量中心将位于对称平面中，实际上如前所述，机械系统及荷载分布通常不是完全对称的，所以质量中心可以偏离对称平面。实际上质量中心与对称平面之间的距离非常小。
20.2 参考坐标系
通常对机动车辆运动的研究要借助近似标准的参考坐标系，如下所述（图20.1）：
bull; 地表坐标系XYZ。该坐标系是固定在路面上的右手基准坐标系，在接下来的章节中视为惯性坐标系，即使严格上说该坐标系并非随着地表移动：移动产生的惯性效应（绕轴旋转、围绕太阳（银河系中心）旋转）非常小，在所有机动车辆动力学研究中都可以忽略不计。X和Y轴位于水平面上，Z轴垂直向上。
bull; 车辆坐标系xyz。该坐标系是固定在车辆质量中心并随车辆运动而运动的右手基准坐标系。如上所述，如果车辆有对称平面，并假设质量中心位于该对称平面上，x轴位于该对称平面上，几乎是水平方向。y轴垂直于其他两条轴线，所以指向驾驶员的左侧。如果车辆没有对称平面，xz-平面由不操作车轮时的运动方向和垂直于车辆坐标位置所在路面的方向确定。
车辆固定轴线xyz和惯性坐标系XY平面速度的投影见图20.2。X轴和X轴投影间夹角是偏航角psi;。XY-平面上的质量中心点速度投影与绝对速度重叠，原因是通常后者在垂直于路面的方向上的分量非常小。
地表风速或环境风速va指的是相对于惯性坐标系XYZ中车辆附近地表坐标系的风速水平分量。
合成风速（即汽车行使产生的风速）Vr指的是环境风速与车辆绝对速度投影间的差值。空气静止时，也就是说环境风速va为零时，汽车行使产生的风速minus;Vr与车辆绝对速度V一致。
x-轴上的XY平面上的投影和速度矢量V投影之间的夹角是整个车辆的侧滑角beta;；也称为空间方位角。因为轮胎侧滑角alpha;的存在，（向前运动时）矢量V指向驾驶员左侧时，该值为正值。同样也可以确定x轴XY平面上投影和相对速度minus;Vr投影之间的侧滑气动角beta;a。
通常beta;和beta;a指的是质量中心的速度，但也可以用来表示车辆任何特定点的速度。
21 机动车辆空气动力学概述
周围空气产生的车辆力和力矩更大程度上取决于车身形态，而不是底盘特性，因此汽车底盘研究书籍中不会涉及机动车辆空气动力学的详细研究。
但是气动力和力矩对车辆纵向性能、操作甚至舒适性的影响很大，所以不可以忽视对以上二者的研究。
即使机动车辆空气动力学研究目的通常在于从本质上减少气动阻力，其在机动车辆技术中的应用也非常广泛。
值得一提是以下几方面，包括减少气动阻力、减少侧向力和偏航力矩（这对车辆稳定性及操作有重要影响）、减少气动噪声（对声舒适感来说很重要）以及减少在湿路面上尤其是有淤泥和积雪的路面上行驶时车辆及所有车窗、车灯灰尘堆积。这对车辆安全性非常重要，可以延伸到喷淋装置，能够降低追随或超过研究车辆的其他车辆的能见度。
为达到此类目的需要遵循的规定通常会有不同之处，有时甚至会有矛盾之处。典型例证之一是向流线型外形发展的趋势，流线型车型虽然可以减少气动阻力，但同时不利于车辆稳定。
另一个例证就是关于既可以减少气动阻力又可以减少气动噪音的车型的错误假设，前者主要受车尾部分形状的影响，而后者受车辆前部和中部形状影响，主要是受挡风玻璃支柱（A柱）形状影响。因此为了减少其中一种影响而改变车身形状可能不会产生任何效果，有时甚至会对其他方面产生负面影响。
无论如何所有气动效应会随速度的加快大大增加，通常是速度的二次方，且车辆慢速行使时几乎可以忽略不计，与市区行驶无关。
相反，当速度超过60-70 km/h时，气动效应会变得非常重要，当速度超过120-140 km/h时，会处于支配地位。实际上因为气动效应及车辆质量相关因素的相对重要性取决于车辆横截面积和质量比，这些数据仅供参考。比如车辆行驶速度在90-100 km/h时，满载行驶的大型工业车辆上的气动效应可以忽略不计，但是空载行驶时考虑气动效应作用就变得很重要。
现代机动车辆空气动力学与航空空气动力学大为不同，不仅可以据此研究其应用领域，除此以外还可以研究其数字、实验仪器及方法。航空物体的形状主要由空气动力学决定，空气动力场很少有或没有地方气流不与机体接触。相反，机动车辆形状主要取决于乘客及货物装载可能性（或工业车辆的有效荷载）、车型的审美考虑或发动机、刹车或其他装置冷却需求。综合上述因素后设计的粗钝形车辆上有很大一部分气流不与车身接触，并能产生大量尾流和涡流。
地表状况和回转轮对空气动力场有很大影响，使其研究比航空学研究更为复杂，航空学研究中相互作用仅存在于机体和周边空气之间。
航空与机动车辆空气动力学类似点之一在于对类似于跑车尾翼之类的设备的研究，但是这在任何情况下都属于专业领域，与车辆底盘设计无关，在此不做详细讨论。
习惯上说机动车辆上的气动力作用主要通过试验的方式进行研究，且风洞是主要试验工具。典型风洞试验现象类似于空气动力现象，通常认为车身是静止的，空气从其周边滑过，而不是假设车身从静止的空气中移动。
但是在航空学中，这两种观点是一致的。机动车辆空气动力学中，只要风洞中地表与空气同时移动，而不是与车辆保持静止，这两种观点同样也是一致的。实际上在试图让地面与车辆同时移动且允许车轮转动时，情况会变得更为复杂。通常在风洞测试中地表不是移动的，但是需要以类似方法进行模拟。
在进行风洞测试的同时还可以对实际情况进行测试，适当在车辆上安装仪器测量车辆在路面上行使过程中的气动力。通常要在不同地方进行空气压力及速度测量。
近年来有高效计算机可以通过数字模拟空气动力场，用数字表示的空气动力学模拟对计算能力和时间的要求非常高，但是随着准确性的不断提高，我们可以在建立原型或实体模型之前预测车辆的气动特性（注意通常用于航空学中的缩比模型很少用于车辆技术研究中）。
但是从同一角度来看，航空和车辆空气动力学又有很大区别。目前，即使需要进行风洞测试进行实验验证，数字表示的空气动力学也可以准确预测流线型车体的空气动力特性。在数学模型上进行广泛虚拟试验大大减少了需要进行的试验次数。
另一方面由于钝头体车辆分离部分大且尾流较大，很难准确模拟钝头体车身周围的空气动力场。此外，也很难计算出流线从哪里偏离车身。数字表示的空气动力学在机动车辆中的应用效果远不如航空学。
如上所述，该章节的目的不在于详细研究车辆空气动力，而仅仅是为了介绍影响底盘设计的各个因素。但会详细研究产生影响车辆纵向及操作性能的气动力和力矩的机构，忽略对引起气动噪音或车窗和车灯上尘土堆积的机构研究，尤其不会对不稳定情况进行研究，如产生对气动噪音非常重要的涡流。
22.1 汽车发动机
使用不容易汽化的液态燃料来储存能量的优势十分之多，以至于从二十世纪初开始这种储能方式就已经占据了独一无二的地位。简单供能（充电）的优势特别是其极高的能量密度相对于其它方式而言更是压倒性的。
燃料（汽油、柴油、液化石油汽（LPG）、甲烷、乙醇、甲基或乙基等）中的化学能可以通过内燃机转化为机械能。尽管转化效率低是内燃机的通病，然而其实际可用的能量密度能够达到其它储能设备的30至50倍。因此其功率密度也是很高的。
在往复式蒸汽机问世的十八世纪末至十九世纪初，由于内燃机的崛起，世界上第一辆可自我驱动的汽车被制造了出来。不过，虽然蒸汽机被轮船及火车发动机所广泛应用，但是其功率与重量之比对于汽车而言还是太小了。于是由于此原因以及种种技术及非技术因素，蒸汽客车的销售并不景气。
直到十九世纪末，由于往复式内燃机的兴起才使得机动车的使用得以推广。
当汽车开始被广泛使用的时候，市场上出现了三种不同类型的发动机：不断被改进以适应汽车轻量化的蒸汽机、新一代内燃机和配有新开发的铅酸蓄电池的直流电动机。由于电动机具有使用可靠、清洁、无噪声和易于操纵等优点，人们曾一度认为电动机在将来会是应用最为广泛的类型。而在见证1898年第一辆突破时速100 km/h的电动汽车后，各种各样的发动机也都在性能上进行了改进。
然而时至今日，行驶距离短这一主要的缺点限制了电动汽车的使用。
往复式内燃机则成为了汽车动力的最主要来源，且在二十世纪持续了数十年之久。
19世纪60年代，涡轮喷气式发动机与涡轮螺旋桨式发动机在航空领域的应用获得成功，且此类发动机在飞机与直升机领域能够几乎完全取代往复式内燃机。此后，人们便开始尝试在机动车上应用涡轮。由于适用于机动车怠速工况燃油消耗量高的问题，它们的应用十分普遍与成功。
与此同时，人们仍然在尝试改进蒸汽机，主要致力于减少其排放与改进其它缺陷，以达到比往复式内燃机更具适用性。然而尽管改进之后的蒸汽机已经比过去有极大进步，其最终的推广情况却并不理想。
对于旋转式内燃机的探索虽然并不深入，却是一个具有创造性的尝试。虽然一些配有这种新式发动机的汽车被大量制造后取得了一定的商业效益，但是这一尝试同样是以失败告终。
似乎对于往复式内燃机而言，其最大的优势便是一个多世纪的持续发展，而且其所追求的性能、成本与可靠性等方面都是过去所无法实现的。
实际上，通过更替动力装置来优化其缺陷的每一次尝试，与用同样（或更）令人满意的方式解决产业创新是同样性质的问题。
如今使用不同类型的原动机替代内燃机来为汽车供给燃料这一想法依然建立于以液态碳氢化合物为燃料以及污染物和温室气体的排放之上。
从石油资源中衍生出的对于燃料的依赖是全球经济系统的特征，这在欧洲尤其是意大利体现得十分明显。即使电动汽车被广泛使用或者氢能源变成了主要燃料，如果产生电能或氢能源的原始能源依然来自石油产品的话，这一问题仍然得不到根本性的解决。具体而言，由于较低的总体能源利用率，这一问题只会变得更加严重（就像我们常说的“从油井到车轮”）。
只有大规模使用核能和包括来自生物的碳氢化合物的可再生能源，才能从根本上解决这一问题。
一氧化碳、氮氧化物、颗粒物等导致环境问题的污染物并不一定会在燃烧过程中产生。与之相关的环境问题如今已经成功得到解决，并且现代内燃机在排放方面比过去已经进步了许多。这一趋势在未来必然会持续下去。
反之，二氧化碳作为燃料燃烧的固定产物，只有使用甲烷之类的低碳燃料才可以减少其排放，且只有应用氢能源时才能够彻底消除。不过，氢能源的生产必须像核能一样使用不产生二氧化碳的原材料。
氢能源既可以应用于内燃机，也同样可以应用于燃料电池。
燃料电池是可以在不发生燃烧的情况下直接将燃料—氧化剂对中的能量转化为电能的电化学装置。由于这一转化过程
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