汽車底盤新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

車輛07023071103059王剛汽車底盤新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀越來越多的新電子控制設(shè)備被應(yīng)用于汽車上。其中許多新的底盤控制技術(shù)設(shè)備在汽車的安全性、動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性等方面起著重要的作用。它包括全電路制動(dòng)系統(tǒng)（BBW，Brake-by-Wire）、汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)（RWS、ESPⅡ等）、汽車懸架控制系統(tǒng)（ADC、ARC等）以及現(xiàn)在發(fā)展起來的汽車底盤線控技術(shù)（線控?fù)Q檔系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、油門系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等）。再加上汽車CAN總線的應(yīng)用，42V電壓技術(shù)的研究，電動(dòng)汽車的研究都會(huì)帶動(dòng)汽車底盤控制技術(shù)向更高層次的發(fā)展。如今汽車底盤控制技術(shù)正向電子化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化方向發(fā)展。1汽車底盤的電子化技術(shù)1.1全電路制動(dòng)系統(tǒng)（BBW）BBW是一種全新的制動(dòng)模式，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，BBW是一種新型的智能化制動(dòng)系統(tǒng)，它采用嵌人式總線技術(shù)，可以與防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、電子穩(wěn)定性控制程序（ESP）、主動(dòng)防撞系統(tǒng)（ACC）等汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)更加方便地協(xié)同工作，圖1

BBW結(jié)構(gòu)示意圖通過優(yōu)化微處理器中的控制算法，可以精確地調(diào)整制動(dòng)系統(tǒng)的工作過程，提高車輛的制動(dòng)效果，加強(qiáng)汽車的制動(dòng)安全性能。BBW以電能作為能量來源，通過電機(jī)或電磁鐵驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器。因此，BBW的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，更趨向于模塊化，安裝和維修更簡(jiǎn)單方便?？刂茊卧荁BW的控制核心，它負(fù)責(zé)BBW信號(hào)的收集和處理，并對(duì)信號(hào)的推理判斷以及據(jù)此向制動(dòng)器發(fā)出制動(dòng)信號(hào)。此外，根據(jù)汽車智能化的發(fā)展趨勢(shì)，汽車底盤上的各種電子控制系統(tǒng)將與制動(dòng)控制系統(tǒng)高度集成，同時(shí)在功能上趨于互補(bǔ)。

BBW采用雙重閉環(huán)控制方式，首先在各個(gè)電能制動(dòng)器中都有制動(dòng)力矩傳感器，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控制動(dòng)力矩的大小，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩的閉環(huán)控制。其次在制動(dòng)過程中，各車輪轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)刻監(jiān)視著車輪的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，ABS根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)判斷車輪的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。根據(jù)目前BBW的研究成果，投入使用還需要解決一系列問題，其中主要是電能制動(dòng)器結(jié)構(gòu)和性能的改善。電能制動(dòng)器要保證能夠獨(dú)立對(duì)車輛實(shí)施有效制動(dòng)，必須能產(chǎn)生足夠大的制動(dòng)力矩，對(duì)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)（或驅(qū)動(dòng)電磁鐵體）、驅(qū)動(dòng)力矩的傳動(dòng)系統(tǒng)、外部的供電系統(tǒng)提出了較高的要求?，F(xiàn)在比較成熟的想法是提高汽車的供電電壓，從原來的12V提高到42V，提高電壓可以有效地解決BBW的能源問題。1.2汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)1.2.1后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（RWS）RWS能主動(dòng)讓汽車兩后輪的橫拉桿相對(duì)于車身作側(cè)向運(yùn)動(dòng)，使兩后輪產(chǎn)生一轉(zhuǎn)向角。RWS是由電子控制單元、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有整體式和分離式兩種。整體式是指汽車兩后輪的橫拉桿由同一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)；而分離式則指汽車兩后輪的橫拉桿由兩個(gè)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)。對(duì)于整體式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用一個(gè)橫拉桿位移傳感器就能確定兩后輪的轉(zhuǎn)向角。但分離式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要至少兩個(gè)位移傳感器。由于分離式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)的元件多，兩后輪的控制和協(xié)調(diào)比較復(fù)雜，現(xiàn)在研發(fā)更多的是整體式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整體式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)又分液壓式和機(jī)電式兩種。

圖2

整體式主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖2是機(jī)電式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)、螺母螺桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和安全鎖止機(jī)構(gòu)等組成。為了提高系統(tǒng)的可靠性，執(zhí)行機(jī)構(gòu)里安裝了一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器和一個(gè)螺桿位移傳感器。當(dāng)RWS出現(xiàn)故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)鎖止，兩后輪的轉(zhuǎn)向角不再發(fā)生變化，直到故障排除。正常工作時(shí)，后輪的轉(zhuǎn)向角是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角和汽車行駛速度的函數(shù)。汽車低速行駛時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的執(zhí)行機(jī)構(gòu)給后輪一個(gè)相應(yīng)方向相反的轉(zhuǎn)向角。從而使汽車在低速拐彎或停車時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑變小，使汽車轉(zhuǎn)向和停車更方便快速、舒適。當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，給后輪一個(gè)與前輪轉(zhuǎn)向角方向一致的轉(zhuǎn)向角。汽車的前后輪同時(shí)向同一方向轉(zhuǎn)向，可提高汽車的方向穩(wěn)定性，特別是汽車在高速行駛換道時(shí)，汽車不必要的橫擺運(yùn)動(dòng)會(huì)大大減小，從而增強(qiáng)了汽車的方向穩(wěn)定性，當(dāng)汽車在L2路面制動(dòng)時(shí)，同系統(tǒng)相配合，可及時(shí)通過主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向角來平衡制動(dòng)力所產(chǎn)生的橫擺力矩，既能保持汽車的方向穩(wěn)定性，又能最大限度地利用前輪的制動(dòng)力，改進(jìn)汽車的制動(dòng)性能。1.2.2ESPⅡ（或者ESPplus）

由于ESP系統(tǒng)在對(duì)轎車的行駛狀態(tài)進(jìn)行干涉時(shí)，只是通過對(duì)單個(gè)車輪施加制動(dòng)來調(diào)節(jié)轎車的行駛穩(wěn)定性。這時(shí)由脈沖制動(dòng)力引起的轎車振動(dòng)，乘員能夠感覺到。ESPⅡ能夠識(shí)別轉(zhuǎn)向輪與地面之間的附著系數(shù)。如果汽車在路面兩側(cè)附著系數(shù)不同的對(duì)開路面上制動(dòng)時(shí)，它朝著路面附著系數(shù)較大的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，即出現(xiàn)所謂的“制動(dòng)器拉動(dòng)”現(xiàn)象，在這種情況下，ESPⅡ能夠通過轉(zhuǎn)向輪朝路面附著系數(shù)較小的一側(cè)作些適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)，以平衡“制動(dòng)器拉動(dòng)”的趨勢(shì)。

ESPⅡ?qū)⑵滢D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向柱設(shè)計(jì)成兩部分，其中一部分含有一個(gè)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過該齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)中的電動(dòng)馬達(dá)對(duì)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角施加影響。ESPⅡ?qū)ζ囍苿?dòng)和轉(zhuǎn)向的干涉，是利用ESP的控制裝置基于一個(gè)擴(kuò)展的軟件來操控。ESP的英文全稱是ElectronicStabilityProgram,中文意思是“電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)”。也可稱作ESC或VSC。ESP主要是在緊急情況下對(duì)車輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)，它整合了ABS和TCS的功能，并且增加橫擺扭矩控制——防側(cè)滑功能，可以防止車輛在高速行駛轉(zhuǎn)彎或制動(dòng)過程中失控。如圖1左側(cè)所視，車輛前輪側(cè)滑，車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足。此時(shí)，VSC系統(tǒng)通過制動(dòng)器對(duì)內(nèi)后輪施加一定的制動(dòng)力，由此產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針的力矩，改進(jìn)車輛轉(zhuǎn)向能力。如圖1右側(cè)所視，車輛后輪側(cè)滑，出現(xiàn)車輛甩尾和過度現(xiàn)象。此時(shí)，VSC系統(tǒng)通過制動(dòng)器對(duì)外前輪施加一定的制動(dòng)力，由此產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的力矩，保證車輛的穩(wěn)定性。ESP系統(tǒng)主要在大側(cè)向加速度、大側(cè)偏角的極限工況下工作。它利用控制左右兩側(cè)車輪制動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力之差產(chǎn)生的橫擺力矩來防止出現(xiàn)難以控制的側(cè)滑現(xiàn)象，保證車輛的路徑跟蹤能力，提高了車輛在高速行使時(shí)的安全性。研究估計(jì)ESP降低了30%-50%的轎車單車致命事故和50%-70%的SUV單車致命事故。技術(shù)應(yīng)用情況：2008年全球的VSC裝配率達(dá)到33%當(dāng)今在歐洲和美國，每?jī)奢v新乘用車和輕型商用車就有一輛裝配了ESP。美國和歐洲的立法者最近都做出決定，要求強(qiáng)制裝配ESP。2011年9月起，美國所有4.5噸以下車輛都必須裝配ESP。2014年11月起，歐洲所有乘用車和輕、中、重型車輛都要求裝配ESP。在2008年，我國只有約11%的新車裝配了ESP。隨著今年國內(nèi)車市新車型的不斷推出，目前我國20萬元以上新車配備ESP的比率大幅提高，像別克新君越、新天籟、雅閣八代等都裝配了ESP。相信隨著我國車市的進(jìn)一步發(fā)展，電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)一定會(huì)如同當(dāng)今的ABS一樣，成為我國汽車的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)安全配置。1.3汽車懸架控制系統(tǒng)1.3.1主動(dòng)懸架阻尼器控制系統(tǒng)（ADC）ADC（有時(shí)也稱為連續(xù)性阻尼控制系統(tǒng)CDC）由電子控制單元、CAN、4個(gè)車輪垂直加速度傳感器、4個(gè)車身垂直加速度傳感器和4個(gè)阻尼器比例閥組成。根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀況及傳感器信號(hào)，電子控制單元計(jì)算出每個(gè)車輪懸架阻尼器的最優(yōu)阻尼系數(shù)，然后對(duì)阻尼器比例閥進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)整車高，抑制車輛的變化等，使汽車的懸架系統(tǒng)能提供更好的汽車舒適性、安全性和穩(wěn)定性。為此，讓汽車車輪的動(dòng)載振幅和車身垂直加速度盡可能小。A-執(zhí)行元件E-比較器F-力傳感器P-電位器V-控制閥1-懸掛質(zhì)量2-加速度傳感器3-信號(hào)處理器4-控制單元5-進(jìn)油

6-出油7-非懸掛質(zhì)量8-路面輸入1.3.2主動(dòng)橫向穩(wěn)定器（ARC）當(dāng)汽車進(jìn)行彎道行駛時(shí)，離心力會(huì)對(duì)汽車車身產(chǎn)生一個(gè)側(cè)傾力矩。這個(gè)側(cè)傾力矩一方面引起車身側(cè)傾，另一方面使車輪的載質(zhì)量發(fā)生由內(nèi)輪向外輪的轉(zhuǎn)移。主動(dòng)橫向穩(wěn)定桿則可以根據(jù)具體情況對(duì)每個(gè)橫向穩(wěn)定桿施加一個(gè)可連續(xù)變化的初始側(cè)傾角或者初始側(cè)傾力矩。主動(dòng)側(cè)傾穩(wěn)定桿有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式：一種是將被動(dòng)側(cè)傾穩(wěn)定桿從中間分開，通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)把穩(wěn)定桿的左右兩部分連接起來。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)能讓左右兩部分進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)。另一種是在被動(dòng)穩(wěn)定桿的一端安裝一個(gè)差動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)。差動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)一端與穩(wěn)定桿連接，另一端與同車輪的橫向擺臂連接，差動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)兩端的距離可以調(diào)節(jié)。主動(dòng)橫向穩(wěn)定器示意圖如圖3所示。

圖3

主動(dòng)橫向穩(wěn)定器示意圖

ARC的工作原理是主動(dòng)讓穩(wěn)定桿的左右兩端作垂直方向的相對(duì)位移，平衡車身的側(cè)傾力矩，使車身的側(cè)傾角接近零，提高了舒適性。由于汽車前后兩個(gè)主動(dòng)穩(wěn)定桿可以調(diào)節(jié)車身的側(cè)傾力矩的分配比例，從而可調(diào)節(jié)汽車的動(dòng)力特性，提高了汽車安全性和機(jī)動(dòng)性。2汽車底盤的線控技術(shù)所謂線控就是用電子信號(hào)的傳送取代過去由機(jī)械、液壓或氣動(dòng)的系統(tǒng)連接的部分，如換檔連桿、油門拉線、轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、剎車油路等。它不僅是取代連接，而且包括操縱機(jī)構(gòu)和操縱方式的變化，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣化。這將改變汽車的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖4是線控過程的基本組成。全面線控的實(shí)現(xiàn)將意味著汽車由機(jī)械到電子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。線控技術(shù)要求網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性好、可靠性高，而且一些線控部分要求功能實(shí)現(xiàn)的冗余，以保證在一定的故障時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)這個(gè)裝置的基本功能。就像現(xiàn)在的ABS和動(dòng)力轉(zhuǎn)向一樣，在線路故障時(shí)仍具有剎車和轉(zhuǎn)向的基本功能。這就要求用線控的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度高、時(shí)間特性好和可靠性高。圖4

線控過程示意圖目前汽車底盤的線控技術(shù)包括線控?fù)Q檔系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)（如電液制動(dòng)系統(tǒng)EHB，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)EMB）、懸架系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、油門系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。線控技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：無需使用液壓制動(dòng)或其它任何液壓裝置，使汽車更為環(huán)保；減小了正面碰撞時(shí)的潛在危險(xiǎn)性，并為汽車設(shè)計(jì)提供了更多空間；線控的靈活性使汽車設(shè)計(jì)、工程制造和生產(chǎn)過程中的成本大為降低，且降低了維護(hù)要求和車身重量。3汽車底盤集成化技術(shù)現(xiàn)代汽車底盤電子控制系統(tǒng)正從最初單一控制發(fā)展到如今的多變量多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制，這樣可以在硬件上共用傳感器、控制器件、線路，使零件數(shù)量減少，從而減少連接點(diǎn)，提高可靠性，在軟件上實(shí)現(xiàn)信息融合、集中控制，提高和擴(kuò)展各自的單獨(dú)控制功能。⑴ABS／ASR／ESP的集成化：ABS／ASR裝置成功地解決了汽車在制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性問題，但不能解決汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的方向穩(wěn)定性問題。汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，只有當(dāng)?shù)孛婺軌蛱峁┏浞值霓D(zhuǎn)向力時(shí)，駕駛員才能控制住車輛，使其按照預(yù)定的方向行駛。如果地面?zhèn)认蚋街芰Ρ容^低，提供不了足夠的轉(zhuǎn)向力，汽車就會(huì)側(cè)向滑出，影響了汽車按預(yù)定方向行駛的能力。ABS／ASR／ESP集成系統(tǒng)的應(yīng)用，在制動(dòng)、加速和轉(zhuǎn)向方面滿足了駕駛員的較高要求，對(duì)汽車的主動(dòng)行駛安全具有較大的貢獻(xiàn)。⑵ABS／ASR／ACC的集成化：在ABS／ASR電子控制裝置硬件的基礎(chǔ)上，增加接收車距傳感器信號(hào)的電子電路、ACC常閉式和常開式進(jìn)油電磁閥電子驅(qū)動(dòng)電路。在原ABS控制模塊和ASR控制模塊的軟件基礎(chǔ)上，增加一個(gè)ACC控制模塊，并與ABS／ASR電子控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的有機(jī)融合，用來實(shí)時(shí)處理、計(jì)算和確定汽車的行駛狀態(tài)和車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。汽車ABS／ASR／ACC集成化系統(tǒng)具有優(yōu)先支持駕駛員操作功能和ABS優(yōu)先工作功能。⑶汽車底盤全方位控制系統(tǒng)：汽車傳動(dòng)控制系統(tǒng)、電子懸架系統(tǒng)、電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等集成融合在一起成為綜合的汽車底盤電子控制系統(tǒng)。各控制功能集中在一個(gè)ECU中，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)信息共享、資源綜合利用。4汽車底盤的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)目前汽車上每個(gè)總成幾乎是機(jī)械、電子和信息一體化裝置。在系統(tǒng)中電子和信息部分所起的作用也越來越重要，汽車工電子裝置的增加使連接的電子線路迅速膨脹，線束越來越復(fù)雜。在汽車設(shè)計(jì)、裝配、維護(hù)中的負(fù)擔(dān)甚至到了無法承受的程度。而且線路接頭的增加引起安全隱患。另外線的重量和占用空間也是值得考慮的問題，重量的增加意味著降低效率。線路體積（直徑）太大在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分之間過線非常困難，所以在電子裝置不斷增加的情況下，減少線束成為一個(gè)必須解決的問題，而使用傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)平行連接方式顯然無法擺脫這種困境，因而基于串行通信傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為一種必然的選擇?；谄嚨妆P的電子化技術(shù)、線控技術(shù)的應(yīng)用、汽車底盤的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)成為必然。如何建立局域網(wǎng)將汽車底盤的各種電子設(shè)備的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、ECU的數(shù)據(jù)和信息通過一個(gè)總的ECU進(jìn)行集中控制成為急需解決的問題。目前汽車底盤的網(wǎng)絡(luò)化中應(yīng)用比較成熟的有CAN總線，它是由博世提出的CAN標(biāo)準(zhǔn)（CAN／B為B級(jí)CAN，CAN／C為C級(jí)CAN），最早在歐洲汽車上被廣泛采用，后來包括美國、日木汽車行業(yè)也使