整车开发流程第七章第六节-整车敏捷性开发
整车敏捷性是指车辆能够将驾驶员的指令（通过方向盘、油门踏板和刹车）转换为车辆预期的运动。它描述了在不同的驾驶条件下，司机可以加速、减速和操纵汽车的方式、速度和程度，以及司机和乘客如何感知由此产生的运动。
从客户的角度来看，车辆的动态行为有三个不同的方面——对车辆、乘客和行李施加力的方向不同：
纵向动态性：加速和减速性能，车辆对加速和减速的响应
横向动态性：车辆对转弯引起的横向行驶方向力的响应
垂直动态性：车辆对垂直力的响应，由轮胎滚离路面几何结构和发动机的相对运动引起
车辆的纵向动力学是驾驶员在直行驾驶过程中的感受。特别是在加速、减速和负载变化时，也可在恒速或上下坡时行驶。典型的客户要求涉及到：
动力性（车辆动力和扭矩的值以及可获取的动力和扭矩）
牵引力（主要是在加速和制动）
稳定性（主要是指车辆驾控方面）
刹车距离（各种不同路面）
车身的姿态在不同负载下
关于车辆动力性能，与客户相关的最重要特性是加速度（以0至100 km/h或0至60 mph所需的秒为单位）、额定功率（以hp或kW为单位）、最高速度（以km/h或mph为单位）和ampelstart19性能（以4秒内所涵盖的米或码为单位）。其他不可直接测量的要求包括超车能力，即超过另一辆车时所需的毫不费力的加速，以及运动性，例如急踩油门短响应时间或发动机高转速。
在这种情况下，发动机和变速箱作为主要部件具有双重客户相关性：首先，整车性能主要取决于发动机的特性（如扭矩与发动机转速和响应）和变速箱的特性（如传动比和效率），这使得它们成为车辆灵活性的决定性因素；其次，发动机类型和变速箱类型都是与客户相关的重要特性，独立于它们在整车中的作用。许多客户在情感上更喜欢V8发动机而不是6缸直列发动机，或者汽油发动机而不是柴油发动机，尽管这两种发动机可能会产生类似甚至更好的车辆性能。其中有一个很好的案例是克莱斯勒的HEMI发动机，HEMI发动机或多或少通过市场手段表示他是一个特殊的发动机，拥有自己的网站甚至品牌附件，HEMI发动机装配在克莱斯勒集团三个品牌（道奇，克莱斯勒，JEEP）上,然后装配此款发动机的车上尾门上都有一个'HEMI Inside'的logo直接表示了消费者的品牌特征需求。
此外，变速箱的选择通常更多的是个人喜好，而不是最佳性能。小型经济型汽车通常采用手动变速器作为基本配置，因为手动变速器比自动变速器便宜，效率更高。自动变速器可以作为一种选择，但其相对较低的效率可以大大降低小型发动机的性能。虽然手动变速器允许驾驶员直接控制从发动机传输到车轮的动力，但自动变速器可使驾驶员免除所有联轴节和换档活动。因此，跑车、越野车和卡车通常配备手动变速器，而以舒适性为导向的轿车、货车或SUV则往往配备自动变速器。不同的市场也显示出不同的偏好：尽管绝大多数美国客户更喜欢自动变速器（近90%），但欧洲客户选择了更多的手动变速箱（整个市场80%，高端市场60%）。
驱动轮和路面之间的接触面所能传递的最大摩擦力限制了车辆的最大（加速时）和最小（减速）牵引力。主要由驱动轮接触面上轮胎与路面之间的摩擦系数（COF）决定。为了优化牵引力，车辆可以配备四轮驱动。四轮驱动提高了牵引力，特别是在湿滑的地面上，因此通常越野车采用四驱，但也提高了高度动态汽车的加速、灵活性和稳定性。
客户对制动系统的要求包括制动性能（最小制动距离）和刹车感觉（毫不费力的减速、车辆在减速过程中的稳定性、减速过程中的最小车身运动）。
稳定性是指行驶中的汽车保持直线的趋势，即使受到不均匀路面或侧风等干扰的激励，尤其是在同时加速或减速时。驾驶员可能会在身体上感觉到缺乏稳定性，例如在紧急停车时需要过度的校正转向运动。
横向动态行为通常是车辆动态学中的“有趣因素”，也是最难客观描述的部分：驾驶者通过主观感觉（如指向性、健谈性、路感性、抓地力、稳定性或安全性）感知转向。在弯道上，运动型驾驶员渴望对车辆运动进行精确控制，以达到较高的横向加速度。“它像在铁轨上一样行驶”是一个典型的表达，描述了客户对横向动力学的积极体验。一般的技术描述是，驾驶员转向从直行到最大横向加速度（在物理限制内）的转换必须是自发的、可预测的、易于控制和稳定的，且不受纵向激励（加速、减速、负载变化）、和道路，天气等引起的不利因素影响。
测量横向动力学的车辆规格是车辆可能的最大横向加速度。很少有客户真正以横向加速度驾驶运动型车辆，这是概念设计的基础。图7.43比较了在普通道路（蓝线）上行驶300000公里的典型客户与在赛道（红线）上行驶10000公里的同一辆车的专业驾驶员的横向载荷谱。
就灵活性而言，垂直动力学是车辆的一个基本特性：通过确保在每种驾驶情况下的最佳轮胎-道路接触，垂直动力学定义了纵向和横向动力学的物理限制。客户在垂直动态方面的要求主要与乘坐舒适性有关，因此在第7.4.1.1节Ride Comfort 上进行了讨论。
整车敏捷性设计意味着优化相互冲突的目标，如稳定性、加速/减速、牵引力和舒适性。动力系统和底盘是决定车辆敏捷性的两个子系统。
动力总成一词是指产生推进力并将其传递到路面的一组部件：发动机、变速器、驱动轴、差速器和驱动轮。汽车加速和牵引力最重要的设计杠杆是发动机、变速器和驱动轮轮胎的技术参数。
发动机-不同的发动机类型会产生不同的驾驶特性。区别车辆用往复式活塞发动机的基本参数是燃料类型和相应的燃烧过程（汽油/柴油）、气缸布置（直列、V形、boxer）和气缸数（3、4、6、8、10、12）。规定发动机性能和动态特性的附加标准包括排量、燃油喷射技术、进气/充气技术和排气技术。在图7.44中，比较了不同的发动机配置（汽油/柴油/小时；自然吸气/充电）的功率和扭矩。
提高发动机性能的有效方法是增压。增压（发动机进气系统中增加进入气缸的气体体积的压缩机）通过皮带驱动至凸轮轴（机械充电器）或通过发动机排气中的涡轮（涡轮增压器）启动。带所需皮带传动的机械充电器通常很难装到现有的基础发动机上。在任何情况下，增压器都需要一个旁通阀和一个增压空气冷却器作为必须的附件添加到发动机舱。图7.45比较了机械增压和涡轮增压对4缸汽油机性能的影响。
由于增压涡轮的附加旋转质量对发动机响应有不利影响，运动型发动机使用两个小型增压涡轮，而不是一个大型增压涡轮，以减少总惯性矩（双涡轮）。
变速箱-就像发动机一样，变速箱也必须符合整车的特点和驾驶员的个人喜好。自动变速器的常见变体包括：
手动变速器：带离合器和落地式或立柱式换档器
半手动变速器：不带离合器踏板的手动变速器；离合器由伺服控制的电子变速器控制系统结合或分离，例如宝马的SMG或菲亚特的Selespeed
带变矩器的自动变速器：带液力变矩器而非离合器的传统自动变速器，例如ZF 5HP或6HP系列
无级变速器（CVT）：无级变速的传动比允许在几乎所有车速下保持最有效的发动机转速，例如DAF的variomatic或奥迪的multitronic
直接换档变速器（双离合）：两个组合式手动变速箱，可实现快速无动力损失换档，例如福特的PowerShift或奥迪的s-Tronic
量化变速箱性能指标是换档时间和换挡平顺度，换挡时间即动力流实际中断的时间。就运动性或性能而言，直接换档变速器是当今最优秀的概念，换挡平顺就是换挡过程中客户感知到的冲击和顿挫的多少甚至没有。
四驱-与标准的两轮驱动相比，四轮驱动系统需要来在前后轴附加的分动器来分配前后扭矩、附加的传动轴、附加的差速器和附加的驱动轴。
在越野驾驶中，四轮驱动的目的是将可用扭矩以最佳方式传输到所有车轮，这通常需要锁定轴（前/后和左/右）。在动态汽车中，四轮驱动用于最佳加速和操控，动力由电子控制系统根据路况精确分配到四个车轮之间，图7.46为宝马xDrive的部件，一个检测路面变化的四轮驱动系统（例如，在冬季驾驶时）并立即重新分配动力以应对任何转向不足或过度。
随着四轮驱动系统在乘用车中的份额不断增加，未来的发展重点将是灵活性和驾驶行为，而不是越野能力，油耗（特别是混动的加入），成本等方面。
底盘部件和子系统（车轴、弹簧减振器系统、车轮和轮胎、制动系统、转向系统和车身）连同整车概念给出的基本参数，如轮距、轴距、重心、重量、轴荷分布、簧上/簧下质量或阻力系数，共同决定了整个整车动态性能（驾控性和乘坐舒适性）。在概念阶段必须解决的主要概念冲突有：
在给定发动机几何结构和车辆宽度的情况下最大化车轮宽度
在给定发动机罩高度的情况下最大化弹簧工作区域
优化振动和声学舒适性，同时利用新的和更多复杂的发动机技术（如混合动力系统、电动发动机等）轮胎概念（例如漏气轮胎）
在重量限制的情况下优化制动性能
基于成本比调教最大横向动态范围
悬架-车辆前后轴确定轮距、轴距、前束和外倾角，并结合车轮的运动学。橡胶衬套，弹簧阻尼元件的粘弹性特性是悬架系统的关键参数。悬架系统的选择还必须考虑轴上的车轮是驱动的还是未驱动的和/或转向的还是未转向的。悬架系统可分为左右轮运动机械耦合的独立悬架系统和左右轮行程自主的独立悬架系统。由于非独立悬架通常较便宜且更刚性，因此它们用于基本车辆和重型车辆。当必须满足乘坐舒适性和灵活性方面的更高要求时，选择独立系统。例如，图7.47显示了2009年宝马7系中使用的铝制4连杆整体式后悬架。
作为底盘的一部分，弹簧-减振器系统在车身中的位置最靠前，弹簧减震器系统几何布置对于整车概念来说是至关重要的。例如前轴，弹簧减震器结构所需长度限制了发动机罩的最小高度，其直径和倾角是决定整个车辆宽度（发动机、发动机横梁、支柱、轮罩、车轮罩）的测量链的一部分。对于后轴，弹簧减震器结构的直径和长度以及支柱之间的间隙决定了最大可用空间宽度，从而决定了实用性，特别是对于货车。
轮胎以及轮毂-轮胎与路面接触面的摩擦系数通常是加速和减速的决定因素。除路况外，主要参数有：
轮胎结构和材料的粘弹性特性（作为轮胎温度和气压的函数）
轮胎的宏观几何结构作为其基本几何结构（外径、内径和宽度）和横向、纵向，垂直上施加力
作为磨损主要功能的表面和轮毂
轮胎的扁平比（上图中的65）影响转向以及转弯性能，对于运动型汽车，大轮辋上的宽直径轮胎是首选，因为它们在平路上有高摩擦系数和低滚动阻力。然而，越野车通常配备有高而窄的轮胎和高胎壁，以确保在崎岖的地形最佳摩擦。
车轮的尺寸受车轮罩的尺寸和横向距离的限制。车轮包络线，即在所有驾驶条件下车轮的最大几何偏移，作为整车概念的主要输入，已经在4.3节几何集成里面有讲过。由于它还限制了制动盘的最大直径，因此轮辋的尺寸也是制动系统的概念边界条件。
汽车的簧下质量中最大的一部分来自车轮。因此，通过使用相对昂贵的轻质车轮，可以改善车辆动态性能。
制动系统-制动系统最少需要满足三个功能，车辆动态方面必须满足可控和可重复的减速。与转向系统和轮胎一起，制动系统是对车辆主动安全性贡献最大的子系统，因此必须满足可靠性方面的最高要求。任何制动系统的有效性都受到轮胎-路面接触片所能传递的最大（负）牵引力的限制[29]。行驶制动系统有效性的其他限制因素有：
执行机构力梯度
最大执行机构力
踏板执行机构和车轮减速之间的延迟
向车轮分配制动力
打滑控制
制动踏板（启动双主制动缸）
制动助力器（放大操作双主制动缸的力）
双主制动缸（在两个压力出口处产生液压）
制动软管和管道（将压力传输到车轮制动器）
制动液（传输液压压力）
车轮制动器（使车轮减速的盘式或鼓式制动器）
制动压力阀（控制前轮和后轮之间的压力分配）
电子控制系统，在各种驾驶情况下支持最佳制动（见下文）
所需的放大倍数越高，所需的制动助力器直径越大，这使得它成为与发动机机舱布置相冲突。尤其是，冷却前制动器所需的风道对于前端组件和设计至关重要。制动软管的弹性是决定系统响应时间的主要因素。制动盘的最大尺寸受车轮尺寸的限制。车轮制动器的所有零件（制动盘和制动卡钳或制动鼓和制动蹄）都会增加簧下质量，因此与垂直动力学有关。
连同接下来要讨论的线控底盘，线控制动是一个对整车布置极为有利的概念不但没有了制动主缸和制动助力的布置限制，同时线控制动还能消除传统液压制动系统的液压损耗。线控制动的一个潜在解决方案是楔块制动器，楔块式制动片的自卷边效应由电子控制。然而，这两个概念的关键方面是电子控制系统的可靠性，在故障情况下，线控制动可能导致由制动故障或车轮立即卡死引起的致命风险。
转向系统-如今绝大多数乘用车都使用动力辅助齿条和齿轮转向系统，在转向盘转动转向柱时，小齿轮会将齿条（与小齿轮啮合的线性齿轮）从一侧移动到另一侧。齿条与通过转向臂移动转向轮的横拉杆相连。转向柱中包括一个扭力杆，用于测量施加在方向盘上的扭矩，并操作液压阀（液压动力转向）或电子控制单元（电子动力转向），触发连接到转向齿条或转向柱的液压或电动执行器（见图7.50）。
固定传动比的传统齿轮齿条式转向系统必须兼顾在弯道上以中速行驶（或尤其是在停车时）时非常灵敏的转向和在较高速度下提供汽车方向稳定性的响应较弱的转向。消除这些竞争要求的转向概念是宝马的AFS，在AFS中，集成在转向柱中的行星齿轮无级改变传动比，从而在低速时增加转向角或在高速时减少转向角。方向盘和车轮之间仍保持永久性的机械连接。
未来的一个概念是线控转向，即转向力仅由电动执行器产生，而方向盘和转向轮之间没有任何机械连接，这将使车辆在调节转向性能方面具有更大的灵活性。反馈执行器模拟驾驶员真实的转向感觉。除了允许转向功能（如持续适应驾驶条件的转向比或自动驻车辅助）外，取消了转向管柱之外还有以下好处：
完全独立的发动机舱不管你是左舵还是右舵
改善碰撞性能
简化总装流程
轮胎打滑是指轮胎和地面之间的相对运动，这会降低接触面上的附着系数COF，从而降低可能的牵引力。电子车轮打滑控制系统不断计算每个车轮的打滑量，即该车轮的转速与所有车轮的平均转速之差。广泛使用的车轮打滑控制系统包括：
防抱死制动系统（ABS），通过在车轮打滑超过一定限度时迅速减小制动力，在减速过程中保持车辆的操纵性和稳定性。
制动力分配系统，以优化车辆制动性能的方式将可用制动力分配给四个车轮。电子制动力分配（EBD）系统在前轴和后轴之间分配制动力；转弯制动控制（CBC）系统在右侧和左侧之间分配制动力。
牵引力控制系统（TCS）在加速过程中保持最大可能的牵引力，当车轮打滑达到一定极限时，减小传递给驱动轮的扭矩。可以通过降低发动机输出或制动适当的车轮来实现扭矩降低。
横摆力矩控制-通过分别制动内侧后轮或外侧前轮来抵消可能的转向不足或转向过度，从而提高车辆的横向稳定性，只要连续测量横向加速度、横摆率和转向角就可以推算出车辆是否存在潜在的危险动态。
可调减震器-系统使用具有可调粘弹性特性的减震器，以优化车辆的垂直动力学，包括操纵性和乘坐舒适性，以及驾驶风格和道路条件。
电子稳定控制（ESC）-系统集成了车轮打滑控制、横摆力矩控制和减振器控制系统，以全面优化车辆的稳定性，并在所有动态驾驶条件下保持控制。电子稳定控制系统可识别出现的关键驾驶情况（例如打滑、滚动或车轮抱死），并通过对发动机、制动器和减振器进行有针对性的干预做出反应。
制动辅助（BA）-系统能够识别驾驶员需要的紧急制动，立刻增加制动压力从而帮助驾驶员实现快速制动。
在以上所有系统中，传感器（例如，车轮转速、偏航、横向和旋转加速度等）检测车辆的实际状态，带有适当软件的电子控制单元识别出有问题的情况，并确定随后由执行器执行的反作用措施。集成底盘控制概念优化了整车特性，而不是单个功能，充分利用了所有可用的传感器和执行器（见图7.52）。
底盘控制系统必须满足最高安全要求。E/E系统允许立即响应和最高可靠性的方法在第5.2节中讨论了。
车身-在当代的乘用车中，单壳承载式车身已经取代了非承载式车身中的梯形车架作为悬架、转向和制动部件的安装面。车身类型和几何结构决定了其纵向和扭转刚度，这些是车辆动态性能的主要参数。它们确定了前轴和后轴之间连接的刚性。图7.53以宝马3系的衍生车型为例，比较了不同车身的纵向和扭转刚度。
y-z中的膨胀元件（如挡风玻璃、后窗玻璃、仪表板横梁）有助于提高扭转刚度，可通过发动机舱中的支柱支撑、驾驶室中的y-z加强件（如b柱和地板之间的三角形加强件）或货车和SUV中的自锁尾门来增加扭转刚度。作为一个例子，图7.54显示了宝马3系轿跑车车身的刚度增强。
发动机性能特性的评估从早期计算机模拟开始，例如燃烧过程或进气和排气系统的热力学行为。从软件在环SIL测试和硬件在环HIL测试（见5.2.5.3）然后进行物理部件试验，直到整个发动机或整个动力系统在试验台上进行试验（见图7.55）。在HIL测试中，物理上不存在的硬件（如轮胎、车辆、道路或驾驶员）被实时模拟包含在测试中。
完整的车辆验证从第一个样车开始，首先在滚筒测功机上进行，然后在封闭的试验场上进行，最后在公共道路上进行（见图7.56）。
在传统的发动机试验台架上，通过制动系统施加恒定的反扭矩来观察特定工作点的发动机静态特性。动态发动机试验台使用电动负载机模拟实际的行驶循环，扭矩或发动机转速变化很快。然而，最新的发展是高动态发动机试验台，它真实地实时模拟整车的动态特性（例如，叠加在曲轴旋转上的旋转振动），因此，以前需要样车试验的试验结果现在只在硬件上提供发动机。高动态测试间隔大大减少了总体测试工作，并加快了产品的早期成熟。比较实际道路试验和高动态台架试验提取出的发动机数据的比较显示了模拟的准确性（见图7.57）。
在汽车项目开始时，底盘概念由预先开发的构建块组成，并通过仿真进行评估。整车由弹性元件（具有规定的弹簧速率和阻尼特性）增强建模为多体系统（MBS），以评估悬架和转向的弹性运动特性（见图3.5）。
如今，整车动力学的概念模拟主要用于评估标准化开环驾驶操作（如恒速循环驾驶、步进转向或正弦输入转向）期间的车辆操纵性，尽可能消除驾驶员个人习惯对车辆反应的影响。
虽然离线模拟能够复制部件的机械行为，但对人类对车辆动态的总体感知是高度主观的，需要有经验的测试驾驶员作为传感器。驾驶可以提供真实的驾驶体验的模拟器，来评估车辆的灵活性，该车辆的传动系统和悬架实际上只存在：一个车身配备了真实的驾驶环境（座椅、踏板，方向盘等）安装在液压六角平台上，因此可以在所有自由度下加速（图7.58右）。由于视觉反馈对于体验动态是必不可少的，因此车辆的环境被投射到模拟器驾驶室前面的屏幕上（图7.58左）。
在一定程度上，驾驶模拟器的高速控制系统允许驾驶员实时模拟驾驶动作，体验操控性和舒适性。超过六足平台运动学和动力学能力的极限机动会无法实时模拟，但可以根据给定的输入数据进行预先计算，然后由驾驶模拟器进行回放。驾驶模拟器的一大优点是，与真实的车辆测试相比，他可以在不同的概念之间快速切换以直接进行比较，而无需在两个标定调教之间停车和切换测试车辆。
在真实道路上评价汽车的敏捷性时，两个不同的指标是最重要的：驾驶员感知的车辆特性的主观评价和客观动态数据的测量与分析。图7.59显示了装有相应测量设备的试验车。