汽車動力學(原書第5版)（簡體書）

《汽車動力學（原書第5版）》內容包括：概述；第Ⅰ篇：輪胎和空氣動力學；第Ⅱ篇：驅動和制動；第Ⅲ篇：車輛振動；第Ⅳ篇：行駛的操縱穩定性。
《汽車動力學（原書第5版）》可供汽車工程技術人員、高等院校汽車工程專業師生使用和參考。

《汽車動力學（第5版）》是德國學者M.Mitschke(M.米奇克)、H. Wallentowitz(H.瓦倫托維茨）編寫的經典著作，翻譯版由長安大學原校長陳蔭三教授、長安大學汽車學院院長余強教授翻譯。

為了將汽車的行駛特性從理論上進行總結，在1972年出版了《汽車動力學》第1版。在隨後的1982-1997年又先後出版了新編第2版和部分新編第3版，並且將它們分為三卷，具體劃分為：卷A“驅動和制動”、卷B“車輛振動”和卷C“行駛的操縱穩定性”。
在第4版中又將所有內容編成了一卷。為了符合媒體中性產品的現實要求，現在的第5版中又對結構進行了重新編排，這樣就使得本書不僅可以以紙質版的形式出版，也可以以PDF格式在電子書上出版，還可以以EPUB格式提供給移動終端。
在新版書中，除了提供新的研究成果外，還主要討論了在汽車動力學領域技術的其他發展。車輛技術的基礎沒有改變，新的系統遵循的就是目前為止所有的有效的理論。希望本書能使這種聯繫更加清晰。掌握了這個理論體系，將來就可以開發車輛技術方面新的系統。已有的例子是自動接合的全輪驅動系統和車輛動力學控制系統，這些系統是基礎理論的實際應用。作為本書的作者，我們在工業企業的工作中，應用這些基礎理論改善了車輛的行駛性能，提升了行駛安全性和舒適性，也減輕了駕駛員的勞動強度。這種發展是無止境的。新型的轉向系統和縱向動力學的自動控制是當前工作的領域。
和以前一樣，為了使學生和實習的工程師更好地理解理論的實際應用，書中列出了大量的車輛參數、表格、曲線特徵參數以及試驗結果數據。
作者要感謝Felix Wallentowitz（H.A.），是他將第4版的紙質形式轉化成電子化數據，修改了書中出現的錯誤和公式，他在工作中非常專心細致。
在此我們非常感謝施普林格出版社（Springer-Verlag）和萊比錫的Letex Publishing Services股份有限公司建設性的和充分理解的合作，本書完整的修訂需要在排版和校正方面花費大量的精力，沒有他們不可能實現本書紙質版和電子版兩種形式的出版。
希望本書能使得工程師們的工作更加容易，對新問題的解決提供幫助。

1概述本書講述的是汽車上受的力和汽車運動的關係。從工程力學角度來看，本書主要研究的是汽車的動力學。而用車輛術語來說，本書討論的是車輛的各項行駛性能。

下面先對整個汽車動力學問題做一簡短概述。

本章參引： M.Mitschke, H.Wallentowitz, Dynamik der Kraftfahrzeuge, DOI 10.1007/9783658050689_1,Springer Fachmedien Wiesbaden 2014.1.1動力學問題概述

一部四輪車輛可以簡單地認為由五個質量（車身和四個車輪）組成，它們通過懸架的導向裝置、彈簧和減振器聯繫在一起。每一個自由運動的剛體都有6個自由度（3個平移自由度和3個轉動自由度），這樣一來，整車就有5×6=30個自由度。為了描寫車輛運動，也就要有相應數量的微分方程，不過它們不是完全獨立的。或者通過上述懸架元件的彈性的、阻尼的或鉸接的聯繫；或者通過分布質量上各點加速度間的關係（參看動量矩定理）使大多數微分方程之間互相關聯。

如果進一步考慮到汽車上還有其他的運動可能性，比如驅動裝置（發動機+變速器，主減速器）、車內乘員、萬向節和傳動軸、載貨汽車的駕駛室和貨物、帶轉向橫拉桿、轉向器和轉向盤的轉向系等的運動可能性以及上面已假定是剛體的物體內部運動等，那麼由於自由度數目的增加，使得微分方程的數目還要增加。

相互關聯的這麼多運動方程使我們難以全面描寫汽車行駛性能。為了能突出特徵和本質，我們寧願把整個問題分成幾個局部問題來考慮（同時相應地做了一些忽略）。以後就這樣處理。

實際上，問題還要更複雜些。因為至今幾乎還沒有無人駕駛汽車投入運行，我們還必須把汽車的駕駛員考慮在內。駕駛員控制著車速和方向，只要由於一些不可避免的干擾使汽車偏離給定的行駛方向時，駕駛員就要糾正。與此同時，駕駛員還要把車輛和所容許的行駛空隙（由道路和路上的其他車輛、行人決定）相比較。當然，駕駛員也要把實際交通過程和他預期的要求（在一定時間，到達某一地點）或他必須遵守的行車時刻表相比較。

駕駛員上述這些活動又通過制動、加速和轉向操作反作用到車輛上（見圖1.1（a））。而車輛對此的反應肯定不能達到預期的程度，有時甚至不是期望的結果。駕駛員又隨之得到了有關的信息，比如在彎道上行駛時，看到了行駛路線的偏差，（由耳的前庭）感覺到了側向加速度的大小。他把這些信息和預期的做比較，再進行制動、加速和轉向，也就是駕駛員重新要修正車輛的行駛狀態。這樣就形成了圖1.1（a）所示的閉合回路，這個框圖已涉及控制問題的範疇。由此也可以看出，不僅必須要對車輛用數學表達式來描述，而且還必須把駕駛員作為控制器用數學表達式來描述。

圖1.1人車的相互作用

（a) 駕駛員車輛的控制回路（閉合回路）； （b) 振動情況下的開路

並非都是閉合回路。車內乘員被動地承受了車輛振動和噪聲帶來的生理負擔（見圖1.1（b））。這時除了駕駛員變速或停車外，沒有其他辦法可以擺脫。正如圖中所畫的，“車內乘員”和“車輛”兩個方框之間除了通過“運動負荷”和“承受負擔”聯繫外，沒有形成閉合回路。為了能對車輛振動的舒適性進行評價，必須了解機械振動對車內乘員的影響，也需要數學方面的描述。

〖1〗〖3〗1概述如果說，用解方程組的方法來描述車輛性能時，因為自由度太多，已經不那麼容易了；那麼描述人體感覺和反應就更加困難，至今這個問題只是局部解決了。為了對人體的研究得到全面的、合乎科學的結果，必須繼續工作。

在圖1.1中對車輛的“擾動”首先是來自行駛路面。而道路同時也是預期參數的一部分（即“路線”），因為線路設計（直線、彎道、過渡線和坡度）會影響行駛方式。此外，輪胎和路面之間的摩擦系數對地面車輛起著很大的作用。接下來，還要考慮路面的不平度，它通過彈性懸置的車輛影響乘員；還增加了車輛和道路的負荷，並降低行駛安全性。

盡管驅動裝置是車輛自身的一部分，但在圖1.1中還把它列為“擾動”的一個方面，因為它是振動和噪聲源。最後，風也屬於“擾動”，例如側風會使車輛偏離原來的行駛方向。

1.2局部問題的劃分

從1.1節知道，處理“車輛駕駛員與乘員外界影響”這一總的系統是十分困難的，因而也是十分複雜的。所以看來分為幾個範圍較小的局部問題是可取的。下面就按坐標系把整體問題分成局部問題。

描述車輛運動時用的固定坐標系x0,y0和z0如圖1.2所示。xA、yA和zA是與物體相連的（固定在車身上）坐標系，令其原點在車身重心SPA上。車身繞xA軸的轉動稱為側傾運動κA、繞yA軸的轉動稱為俯仰運動φA、繞zA軸的轉動稱為橫擺運動ψA。

圖1.2描述車輛運動的坐標系及其名稱

與上面對車身進行討論的相類似，我們也可以對各個車輪進行討論。如圖1.2所示，這時我們把坐標系換成xR、yR和zR，坐標原點是車輪的重心SPR。車輪也有其特有的一些運動，其中最重要的是車輪旋轉運動φR，即所謂的“滾動”，前輪繞近似鉛垂軸的擺動即轉向運動δV，以及前輪繞xA軸的轉動，即“側傾角”γR。

直線行駛時，x0和xA一般是方向一致的。當運動局限於這兩根坐標軸上時，那就是“直線行駛”的局部問題，其中討論行駛阻力，行駛功率以及制動和加速過程。

與上述方向垂直的運動，即在y0和yA方向上的橫向運動（側偏）以及繞鉛垂軸的轉動（橫擺ψA）將導致行駛方向的偏離。因而主要屬於“操縱穩定性”的局部問題。同時，還考慮車輛繞縱軸角運動（側傾κA）。

在表面不平整的道路上行駛時出現“車輛振動”。這裡考慮沿鉛垂軸的跳動，以及繞橫軸和縱軸的角運動（俯仰φA和側傾κA）。在本書中採用的直線和旋轉坐標系幾乎與ISO標準或者DIN標準完全一致。有些符號對於作者不是很適合，在此進行了改變：x軸指向前方，這是因為車輛大多數情況下向前行駛。y軸指向左側，這是由於直角坐標系中z軸指向上方。經常使用的“車身側傾”（出自英語）實際上是指車身滾動，但是為了不至於與車輪滾動混淆，在此避免了採用“車身滾動”的概念。另外，側傾角經常用φ描述。因為車輪的旋轉運動在此用φ來描述，這樣就出現了繞縱軸和橫軸旋轉運動都用同樣符號表示的情況。為了區別兩種情況，繞橫軸的旋轉用φ來描述（“車輪滾動”用φR描述，“車身俯仰運動”用φA描述），繞縱軸的旋轉用κ描述（比如：“車身側傾運動”用κA描述）。