智能底盘技术原理及发展探究

智能底盘技术原理及发展探究：

  汽车底盘是指汽车上由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统等部分的组合，其功能包括支承、安装汽车车身、发动机及其它各部件及总成，形成汽车的整体造型，承受发动机动力，保证车辆正常行驶等。

  汽车底盘是指汽车上由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统等部分的组合，其功能包括支承、安装汽车车身、发动机及其它各部件及总成，形成汽车的整体造型，承受发动机动力，保证车辆正常行驶等。

  汽车的传动系统的功能是把发动机输出的动力送达驱动轮。主要离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器以及半轴等部分组成。

  同时其布置形式与发动机的位置及驱动形式有关，一般可分为前置前驱、前置后驱、后置后驱、中置后驱、四驱等多种形式。例如前置后驱的汽车，要将变速器的动力通过传动轴与驱动桥进行连接，那么必须要有适应转向和汽车运行时产生角度变化的装置。

  汽车转向系统是使用位于驾驶员前方的方向盘，通过一系列传动机构转动前轮，进而对整车施加横摆角速度和横向位移的控制机构。转向系统包括如下部件：方向盘、转向管柱、转向机（转向器）、转向扭矩传感器、方向盘转角传感器。

  按照动力来源，汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。

  动力转向系统是兼用驾驶员体力与发动机动力为转向能源的转向系，一般是在机械转向系的基础上加设一套动力转向装置而成。

  制动系统是指对汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，从而对其进行某些特定的程度的强制制动的一系列专门装置。作用是使行驶中的汽车按照驾驶员的要求做强制减速甚至停车；使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车；使下坡行驶的汽车速度保持稳定。主要由供能装置、控制装置、传动装置和制动器等部分所组成，常见的制动器主要有鼓式制动器和盘式制动器。

  车架是跨接在汽车前后车桥上的框架式结构，是汽车的基体。依照结构形式不同，车架可大致分为边梁式车架、中梁式车架和综合式车架（前部边梁式、后部中梁式）等。

  汽车车桥（又称车轴）通过悬架与车架（或承载式车身）相连接，其两端安装车轮。车桥的作用是承受汽车的载荷，维持汽车在道路上的正常行驶。

  根据驱动方式的不同，车桥也分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种。其中转向桥和支持桥都属于从动桥。大多数汽车采用前置后驱动(FR)，因此前桥作为转向桥，后桥作为驱动桥；而前置前驱动(FF)汽车则前桥成为转向驱动桥，后桥充当支持桥。

  车轮是固定轮胎内缘、支持轮胎并与轮胎共同承受负荷的刚性轮，一般由轮辋与轮辐组成。按轮辐的构造，可分为辐板式车轮和辐条式车轮。按车轮材质，可大致分为钢制、铝合金、镁合金等车轮。

  轿车和货车上广泛采用辐板式车轮。此外，还有对开式车轮、组装轮辋式车轮、可反装式车轮 、和可调式车轮。

  典型的悬挂系统结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬挂系统多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。

  悬挂可大致分为独立悬挂和非独立悬挂，不同之处在于独立悬挂的左右两个车轮间没有硬轴进行刚性连接，一侧车轮的悬挂部件全部都只与车身相连，而非独立悬挂两个车轮间不是相互独立的，之间有硬轴进行刚性连接。

  (2)接受由发动机经传动系传来的转矩，并通过驱动轮与路面间的 附着作用，驱动汽车正常行驶；

  (4)与汽车转向系协调配合，实现汽车行驶方向的正确控制，以保证汽车操纵稳定。

  智能汽车的感知识别、决策规划、控制执行三个核心系统中，与底盘相关的主要是控制执行，需要对传统汽车的底盘进行线控改造以适用于自动驾驶。

  随着电子技术的发展，防抱制动系统（ABS）逐步开始量产应用和推广。ABS主要由ECU控制单元、车轮转速传感器、制动压力调节装置和制动控制电路等部分所组成。在制动过程中，ABS控制单元不断从车轮速度传感器获取车轮的速度信号，并做处理，进而判断车轮是否即将被抱死。

  当车轮趋近于抱死临界点时，制动分泵压力不随制动主泵压力增加而增高，压力在抱死临界点附近变化，从而避免车轮抱死，减少了危险事故的发生。

  还有一项重要的发明就是车身稳定控制管理系统（ESP），ESP系统其实是一组车身稳定性控制的综合策略，是ABS（防抱死系统）和ASR（驱动轮防滑转系统）功能上的延伸。

  ESP主要由控制总成ECU、转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器等组成。

  当汽车快速行驶或者转向时，产生的横向作用力会使汽车不稳定，易发生意外事故，而ESP系统能将这样的一种情况防患于未然。例如当车辆前面忽然出现障碍物时，驾驶员必须快速向左转弯，此时转向传感器将此信号传递到ESP控制总成，侧滑传感器和横向加速度传感器发出汽车转向不足的信号，这就从另一方面代表着汽车将会直接冲向障碍物。

  那么这时ESP系统将会瞬间将后轮紧急制动，这样就能产生转向需要的反作用力，使汽车按照转向意图行驶，避免直接撞向障碍物的事故发生。

  对于智能汽车，尤其是L3及以上等级无人驾驶汽车，制动系统的响应时间特别的重要，线控制动响应更快，是实现无人驾驶安全的重要保障。

  线控制动系统是在传统的制动系统上发展而来的，使用电系统替代传统的机械或液压系统，是汽车制动技术长期的发展趋势。

  传统制动系统由制动踏板施加能量，经液压或气压管路传递至制动器；而线控制动系统执行信息由电信号传递，制动压力响应更快，因此刹车距离更短更安全。

  a）电动伺服，电机驱动主缸提供制动液压力源，代表产品Bosch Ibooster、NSK；

  b）电液伺服，采用电机+泵提供制动压力源，代表产品Continental MK C1、日立；

  1.执行机构和踏板间无机械或液压连接，缩短了制动器的作用时间，有效减小制动距离。

  1.由于去除了备用制动系统，EMB系统要有很高的可靠性。必须采集比EHB更可靠的总线.由于制动能量需求较大，需开发42V高电压系统。

  总体来看， EHB系统由于具有备用制动系统，安全性较高，因此接受度更高，是目前主要推广量产的方案。

  EMB系统虽然具有诸多优点，但缺少备用制动系统且缺少技术上的支持，短期内很难大批量应用，是未来发展的方向。

  装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，未解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统（HPS），主要由液压泵、油管、压力流体控制阀、传动皮带、储油罐等组成。HPS 系统动力源是发动机，发动机带动转向油泵工作，转向控制阀控制油液流动的方向和油压大小，提供转向助力。

  1）电动机和减速机构安装在转向柱或在转向系统内，所占空间小，零部件结构相对比较简单、安装便捷，维护费用低；

  2）以电动机为动力，电动机只在需要时才启动，耗用电能较少，提高了汽车的燃油经济性；

  3）可实时地在不同的车速下为汽车转向提供不同的助力，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠；

  4） EPS 系统硬件结构相对比较简单，能够最终靠调整 EPS 控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车操纵的稳定性和舒适性。

  对于L3及以上等级智能汽车，部分或全程会脱离驾驶员的操控，因此智能驾驶控制管理系统对于转向系统等要求控制精确、可靠性高，只有线控转向（Steering By Wire, SBW）能够完全满足要求，因此成为转向系统未来的发展趋势。

  线控转向系统是指，在驾驶员输入接口（方向盘）和执行机构（转向轮）之间是通过线控（电子信号）连接和控制的转向系统，即在它们之间没有直接的液力或机械连接。

  1）转向盘系统，包括转向盘、转矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电动机和物理运动装置；

  2）电子控制管理系统，包括车速传感器，也能增加横摆角速度传感器、加速度传感器和电子控制单元以提高车辆的操纵稳定性；

  3）转向系统，包括角位移传感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和别的机械转向装置等。

  3)方向盘转角和转向力矩可以独立设计，适应不一样类型驾驶员对“手感”的要求。

  燃油车油耗排放和电动车续航是国内汽车厂商面临的两大挑战，轻量化是处理问题的关键之一，因此也是汽车未来重要的发展方向。

  汽车行业很早就开始探索轻量化技术，主要手段包括选用轻质材料、优化结构设计和选择先进制造工艺等。

  优化结构设计和先进制造工艺带来的减重效果比较小，因此目前轻量化研究的主要方向是轻质材料，包括高强度钢、铝合金和碳纤维复合材料等。

  车身和底盘减重是轻量化的重要部分，相比车身减重，底盘轻量化工艺更成熟、成本更低。根据Lotus Engineering 对车型减重的分析，汽车主要减重部分在车身、底盘以及内饰（主要是座椅减重）。车身和底盘的重量分别在 420kg 和 380kg 左右，合计占整车的重量超过 40%。利用铝、镁等轻量化材料能轻松实现车身、底盘超过 40%的减重，减重质量分别超过 190kg 和160kg。

  从竞争要素来看，底盘零部件从钢铁制品到铝合金，材料发生明显的变化，相关的工艺等差别巨大，一方面单车价值量明显提升，另一方面供应链或将重构，新产品对于相关设备投入和技术方面的要求较高，因此在铝合金等产品上具有技术优势和资金优势的供应商有望受益。