汽车底盘设计 下卷：系统设计 （原书第2版）

经典著作，集行业智慧之大成

本书由意大利都灵理工大学教授Giancarlo Genta与菲亚特汽车公司前车辆工程总监Lorenzo Morello联合撰写。Genta教授是机械设计领域的权威学者，而Morello先生则拥有菲亚特公司丰富的一线产品开发经验。这种“学术泰斗+产业巨头”的独特组合，确保了本书内容既有深厚的理论根基，又紧贴工程实际，被国际汽车工程师学会（SAE）推荐为行业标准读物，成为全球众多车企和高校的必备参考书。

内容宏阔，一部底盘领域的“通史”

本书不仅系统阐述了底盘各子系统（如转向、制动、悬架）的设计原理，更从大历史视角梳理了底盘技术从古至今的演进脉络——最早可追溯至公元前3000年的车辆模型。它详细记录了120年来底盘系统的发明与革新，并前瞻性地探讨了驾驶辅助、自动驾驶等未来趋势。这种贯通古今的叙述，帮助读者深刻理解技术发展的内在逻辑，从而激发创新灵感。

知行合一，架设理论与实践的桥梁

与偏重理论的教材不同，本书深度融合了工程实践。它不仅阐明“要解决什么”和“为什么解决”，更重点揭示了“实际怎么做”，涉及大量产品开发方法、约束条件和解决方案。书中通过大量数学模型、动力学分析和案例，指导读者优化车辆性能，完美平衡操控性与舒适性，是工程师从理论走向实战的权威指南。

前瞻视野，紧扣电动化与智能化浪潮

第二版特别新增了面向未来的关键内容。它深入探讨了电动汽车底盘的特殊要求、电池布局影响、线控技术，以及自动驾驶与底盘系统的协同设计。此外，内容还拓展至模块化车辆、倾斜车身车辆，甚至外星轮式车辆等前沿领域。这些内容旨在构建新一代工程师应对产业变革所必需的知识体系。

前瞻视野，大师译介——紧扣产业脉搏的权威指南

本书由车辆动力学资深专家、广汽研究院首席技术总监吴旭亭先生领衔翻译。他凭借在通用汽车与广汽近三十年的底盘研发与性能调校经验，对原著精髓与工程实践有着深刻理解。在他的主导下，译本不仅确保了技术概念的精准传达，更使用了大量符合国内工程师习惯的规范术语。此外，广汽集团多位一线专家参与了审校，使本书的翻译工作本身就如同一项严谨的技术开发任务，确保了内容在准确性与工程实用性上达到极高标准，是为中文世界精心打造的权威版本。

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。

Giancarlo Genta：都灵理工大学机械工程教授，研究方向涵盖车辆动力学与太空机械设计，其学术成果被多国高校采用。

Lorenzo Morello：菲亚特集团前研发负责人，主导多款量产车型底盘开发，兼具学术与工业界视角。

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