科普 | 底盤構(gòu)造詳解及新發(fā)展

tftmtgh 2020-08-06

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底盤構(gòu)造介紹

汽車底盤是指汽車上由傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等部分的組合，其功能包括支承、安裝汽車車身、發(fā)動(dòng)機(jī)及其它各部件及總成，形成汽車的整體造型，承受發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，保證車輛正常行駛等。

一傳動(dòng)系統(tǒng)

汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)的功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力送達(dá)驅(qū)動(dòng)輪。主要離合器、變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器以及半軸等部分組成。

動(dòng)力傳遞：發(fā)動(dòng)機(jī)→離合器→變速器→傳動(dòng)軸→差速器→半軸→驅(qū)動(dòng)輪。

同時(shí)其布置形式與發(fā)動(dòng)機(jī)的位置及驅(qū)動(dòng)形式有關(guān)，一般可分為前置前驅(qū)、前置后驅(qū)、后置后驅(qū)、中置后驅(qū)、四驅(qū)等多種形式。例如前置后驅(qū)的汽車，要將變速器的動(dòng)力通過傳動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行連接，那么必須要有適應(yīng)轉(zhuǎn)向和汽車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生角度變化的裝置。

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

二、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是使用位于駕駛員前方的方向盤，通過一系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)前輪，進(jìn)而對(duì)整車施加橫擺角速度和橫向位移的控制機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括如下部件：方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向機(jī)（轉(zhuǎn)向器）、轉(zhuǎn)向扭矩傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。

按照動(dòng)力來源，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為兩大類：機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是兼用駕駛員體力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系，一般是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置而成。

機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

三、制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)是指對(duì)汽車某些部分（主要是車輪）施加一定的力，從而對(duì)其進(jìn)行一定程度的強(qiáng)制制動(dòng)的一系列專門裝置。作用是使行駛中的汽車按照駕駛員的要求進(jìn)行強(qiáng)制減速甚至停車；使已停駛的汽車在各種道路條件下(包括在坡道上)穩(wěn)定駐車；使下坡行駛的汽車速度保持穩(wěn)定。主要由供能裝置、控制裝置、傳動(dòng)裝置和制動(dòng)器等部分組成，常見的制動(dòng)器主要有鼓式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器。

四、行駛系統(tǒng)

汽車行駛系統(tǒng)一般由車架、車橋、車輪和懸架組成。

1、車架

車架是跨接在汽車前后車橋上的框架式結(jié)構(gòu)，是汽車的基體。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，車架可以分為邊梁式車架、中梁式車架和綜合式車架（前部邊梁式、后部中梁式）等。

2、車橋

汽車車橋（又稱車軸）通過懸架與車架（或承載式車身）相連接，其兩端安裝車輪。車橋的作用是承受汽車的載荷，維持汽車在道路上的正常行駛。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，車橋也分成轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋和支持橋四種。其中轉(zhuǎn)向橋和支持橋都屬于從動(dòng)橋。大多數(shù)汽車采用前置后驅(qū)動(dòng)(FR)，因此前橋作為轉(zhuǎn)向橋，后橋作為驅(qū)動(dòng)橋；而前置前驅(qū)動(dòng)(FF)汽車則前橋成為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，后橋充當(dāng)支持橋。

3、車輪

車輪是固定輪胎內(nèi)緣、支持輪胎并與輪胎共同承受負(fù)荷的剛性輪，一般由輪輞與輪輻組成。按輪輻的構(gòu)造，可分為輻板式車輪和輻條式車輪。按車輪材質(zhì)，可以分為鋼制、鋁合金、鎂合金等車輪。

分類：

1.按輪輻的構(gòu)造：車輪可分為輻板式車輪和輻條式車輪

2.按車輪材質(zhì)：可分為鋼制、鋁合金、鎂合金等車輪。

3.按車軸一端安裝一個(gè)或兩個(gè)輪胎：可分為單式車輪和雙式車輪。

轎車和貨車上廣泛采用輻板式車輪。此外，還有對(duì)開式車輪、組裝輪輞式車輪、可反裝式車輪、和可調(diào)式車輪。

4、懸掛

典型的懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減震器等組成，個(gè)別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、橫向穩(wěn)定桿等。彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧以及扭桿彈簧等形式，而現(xiàn)代轎車懸掛系統(tǒng)多采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，個(gè)別高級(jí)轎車則使用空氣彈簧。

懸掛可以分為獨(dú)立懸掛和非獨(dú)立懸掛，區(qū)別在于獨(dú)立懸掛的左右兩個(gè)車輪間沒有硬軸進(jìn)行剛性連接，一側(cè)車輪的懸掛部件全部都只與車身相連，而非獨(dú)立懸掛兩個(gè)車輪間不是相互獨(dú)立的，之間有硬軸進(jìn)行剛性連接。

行駛系統(tǒng)主要作用如下：

(1)支承汽車總質(zhì)量;

(2)接受由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)系傳來的轉(zhuǎn)矩，并通過驅(qū)動(dòng)輪與路面間的附著作用，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛；

(3)傳遞并承受路面作用于車輪上的各種反力及其所形成的力矩;

(4)與汽車轉(zhuǎn)向系協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)汽車行駛方向的正確控制，以保證汽車操縱穩(wěn)定。

底盤新發(fā)展

一、智能化

線控制動(dòng)是未來趨勢(shì)。

智能汽車的感知識(shí)別、決策規(guī)劃、控制執(zhí)行三個(gè)核心系統(tǒng)中，與底盤相關(guān)的主要是控制執(zhí)行，需要對(duì)傳統(tǒng)汽車的底盤進(jìn)行線控改造以適用于自動(dòng)駕駛。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，防抱制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）逐步開始量產(chǎn)應(yīng)用和推廣。ABS主要由ECU控制單元、車輪轉(zhuǎn)速傳感器、制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置和制動(dòng)控制電路等部分組成。在制動(dòng)過程中，ABS控制單元不斷從車輪速度傳感器獲取車輪的速度信號(hào)，并進(jìn)行處理，進(jìn)而判斷車輪是否即將被抱死。

當(dāng)車輪趨近于抱死臨界點(diǎn)時(shí)，制動(dòng)分泵壓力不隨制動(dòng)主泵壓力增加而增高，壓力在抱死臨界點(diǎn)附近變化，從而避免車輪抱死，減少了危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

還有一項(xiàng)重要的發(fā)明就是車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESP），ESP系統(tǒng)其實(shí)是一組車身穩(wěn)定性控制的綜合策略，是ABS（防抱死系統(tǒng)）和ASR（驅(qū)動(dòng)輪防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)）功能上的延伸。

ESP主要由控制總成ECU、轉(zhuǎn)向傳感器、車輪傳感器、側(cè)滑傳感器、橫向加速度傳感器等組成。

當(dāng)汽車快速行駛或者轉(zhuǎn)向時(shí)，產(chǎn)生的橫向作用力會(huì)使汽車不穩(wěn)定，易發(fā)生事故，而ESP系統(tǒng)可以將這種情況防患于未然。例如當(dāng)車輛前面突然出現(xiàn)障礙物時(shí)，駕駛員必須快速向左轉(zhuǎn)彎，此時(shí)轉(zhuǎn)向傳感器將此信號(hào)傳遞到ESP控制總成，側(cè)滑傳感器和橫向加速度傳感器發(fā)出汽車轉(zhuǎn)向不足的信號(hào)，這就意味著汽車將會(huì)直接沖向障礙物。

那么這時(shí)ESP系統(tǒng)將會(huì)瞬間將后輪緊急制動(dòng)，這樣就能產(chǎn)生轉(zhuǎn)向需要的反作用力，使汽車按照轉(zhuǎn)向意圖行駛，避免直接撞向障礙物的事故發(fā)生。

電動(dòng)化和智能化推動(dòng)線控制動(dòng)發(fā)展

對(duì)于智能汽車，尤其是L3及以上等級(jí)自動(dòng)駕駛汽車，制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間尤為重要，線控制動(dòng)響應(yīng)更快，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛安全的重要保障。

線控制動(dòng)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)上發(fā)展而來的，使用電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的機(jī)械或液壓系統(tǒng)，是汽車制動(dòng)技術(shù)長(zhǎng)期的發(fā)展趨勢(shì)。

傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)踏板施加能量，經(jīng)液壓或氣壓管路傳遞至制動(dòng)器；而線控制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行信息由電信號(hào)傳遞，制動(dòng)壓力響應(yīng)更快，因此剎車距離更短更安全。

線控制動(dòng)系統(tǒng)也分為EHB/EMB兩種類型。

EHB根據(jù)技術(shù)方向可以分為三類：

a）電動(dòng)伺服，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主缸提供制動(dòng)液壓力源，代表產(chǎn)品Bosch Ibooster、NSK；

b）電液伺服，采用電機(jī)+泵提供制動(dòng)壓力源，代表產(chǎn)品Continental MK C1、日立；

c）電機(jī)+高壓蓄能器電液伺服，代表產(chǎn)品ADVICS ECB。

EMB系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)和踏板間無機(jī)械或液壓連接，縮短了制動(dòng)器的作用時(shí)間，有效減小制動(dòng)距離。

2.無需助力器，減少空間，布局靈活。

3.無需制動(dòng)液，系統(tǒng)質(zhì)量輕并且比較環(huán)保。

4.在ABS模式下，無回彈震動(dòng)，可以消除噪音。

5.便于集成電子駐車制動(dòng)等附加功能。

EMB系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)：

1.由于去除了備用制動(dòng)系統(tǒng)，EMB系統(tǒng)需要有很高的可靠性。必須采集比EHB更可靠的總線協(xié)議。

2.由于制動(dòng)能量需求較大，需開發(fā)42V高電壓系統(tǒng)。

3.制動(dòng)器需要具有更好的耐高溫性能，同時(shí)質(zhì)量輕，價(jià)格低。

4.需要更好的抗干擾能力，抵制車輛運(yùn)行中遇到的各種干擾信號(hào)。

總體來看， EHB系統(tǒng)由于具有備用制動(dòng)系統(tǒng)，安全性較高，因此接受度更高，是目前主要推廣量產(chǎn)的方案。

EMB系統(tǒng)雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但缺少備用制動(dòng)系統(tǒng)且缺少技術(shù)支持，短期內(nèi)很難大批量應(yīng)用，是未來發(fā)展的方向。

智能化推動(dòng)線控轉(zhuǎn)向發(fā)展

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展階段：

機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Manual Steering，簡(jiǎn)稱MS）發(fā)展為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱HPS）

后來出現(xiàn)電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electro Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱EHPS）和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡(jiǎn)稱EPS）。

裝配機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負(fù)擔(dān)過于沉重，為了解決這個(gè)問題，美國GM公司在20世紀(jì)50年代率先在轎車上采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），主要由液壓泵、油管、壓力流體控制閥、傳動(dòng)皮帶、儲(chǔ)油罐等組成。HPS 系統(tǒng)動(dòng)力源是發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作，轉(zhuǎn)向控制閥控制油液流動(dòng)的方向和油壓大小，提供轉(zhuǎn)向助力。

根據(jù)助力參與的階段及助力電機(jī)布置位置的不同，EPS可以分為C-EPS （Column-EPS，管柱式）、P-EPS（Pinion-EPS，齒輪式）、DP-EPS（Dual-Pinion EPS，雙小齒輪）、RP-EPS（Rack-Parallel EPS，齒條平行式）和RD-EPS（Rack-Direct EPS，齒條直接助力式）等不同類型。

EPS優(yōu)點(diǎn)如下：

1）電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)向柱或在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)，所占空間小，零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，維護(hù)費(fèi)用低；

2）以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)只在需要時(shí)才啟動(dòng)，耗用電能較少，提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性；

3）可實(shí)時(shí)地在不同的車速下為汽車轉(zhuǎn)向提供不同的助力，保證汽車在低速行駛時(shí)輕便靈活，高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠；

4） EPS 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過調(diào)整 EPS 控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。

智能化推動(dòng)線控轉(zhuǎn)向成為新趨勢(shì)

對(duì)于L3及以上等級(jí)智能汽車，部分或全程會(huì)脫離駕駛員的操控，因此智能駕駛控制系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等要求控制精確、可靠性高，只有線控轉(zhuǎn)向（Steering By Wire, SBW）可以滿足要求，因此成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指，在駕駛員輸入接口（方向盤）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向輪）之間是通過線控（電子信號(hào)）連接和控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即在它們之間沒有直接的液力或機(jī)械連接。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：

1）轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器、轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置；

2）電子控制系統(tǒng)，包括車速傳感器，也可以增加橫擺角速度傳感器、加速度傳感器和電子控制單元以提高車輛的操縱穩(wěn)定性；

3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括角位移傳感器、轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和其他機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置等。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過給助力電機(jī)發(fā)送電信號(hào)指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器將測(cè)量到的駕駛員轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入到電子控制器（ECU），ECU依據(jù)車速傳感器和安裝在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的位移傳感器的信號(hào)來控制轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)轉(zhuǎn)向力模擬、生成反饋轉(zhuǎn)矩，控制轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)矩大小和旋轉(zhuǎn)的角度，通過機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向位置。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1）省略車輛前艙一部分轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)的占用空間；

2）沒有機(jī)械的轉(zhuǎn)向管柱，提高車輛的碰撞安全性；

3)方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力矩可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，適應(yīng)不同類型駕駛員對(duì)“手感”的要求。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要有：

1）需要較高功率的力反饋電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)；

2）復(fù)雜的力反饋電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的算法實(shí)現(xiàn)；

3）冗余設(shè)備導(dǎo)致額外增加成本和重量。

二、輕量化

底盤輕量化潛力巨大，輕量化是發(fā)展方向

燃油車油耗排放和電動(dòng)車?yán)m(xù)航是國內(nèi)汽車廠商面臨的兩大挑戰(zhàn)，輕量化是解決問題的關(guān)鍵之一，因此也是汽車未來重要的發(fā)展方向。

汽車行業(yè)很早就開始探索輕量化技術(shù)，主要手段包括選用輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇先進(jìn)制造工藝等。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造工藝帶來的減重效果相對(duì)較小，因此目前輕量化研究的主要方向是輕質(zhì)材料，包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金和碳纖維復(fù)合材料等。

車身和底盤減重是輕量化的重要部分，相比車身減重，底盤輕量化工藝更成熟、成本更低。根據(jù)Lotus Engineering 對(duì)車型減重的分析，汽車主要減重部分在車身、底盤以及內(nèi)飾（主要是座椅減重）。車身和底盤的重量分別在 420kg 和 380kg 左右，合計(jì)占整車的重量超過 40%。通過使用鋁、鎂等輕量化材料可以實(shí)現(xiàn)車身、底盤超過 40%的減重，減重質(zhì)量分別超過 190kg 和160kg。

全鋁車身目前工藝難度較大，造價(jià)較高，主要適用于豪華車。底盤系統(tǒng)的減重技術(shù)工藝相對(duì)成熟，成本相對(duì)也更低，是更加普遍的減重方式。根據(jù) Lotus Engineering 的成本分析，通過對(duì)重量減輕和成本上升計(jì)算系數(shù)，車身的減重成本系數(shù)是 1.35，遠(yuǎn)高于其他部件的減重成本，底盤懸架的成本系數(shù)是 0.95，低于平均成本系數(shù)。

底盤輕量化產(chǎn)品種類較多，不同零件市場(chǎng)格局有所不同。鋁合金控制臂領(lǐng)域，供應(yīng)商主要有拓普集團(tuán)、駱氏集團(tuán)等。鋁合金副車架方面，供應(yīng)商主要有華域汽車、拓普集團(tuán)、萬安科技等。

鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)領(lǐng)域，供應(yīng)商主要有伯特利、中信戴卡、華域汽車、拓普集團(tuán)、蘇州安路特等。鋁合金制動(dòng)鉗領(lǐng)域，供應(yīng)商主要有百煉、華域汽車、京西國際等。

從競(jìng)爭(zhēng)要素來看，底盤零部件從鋼鐵制品到鋁合金，材料發(fā)生變化，相關(guān)的工藝等差別巨大，一方面單車價(jià)值量顯著提升，另一方面供應(yīng)鏈或?qū)⒅貥?gòu)，新產(chǎn)品對(duì)于相關(guān)設(shè)備投入和技術(shù)要求較高，因此在鋁合金等產(chǎn)品上具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和資金優(yōu)勢(shì)的供應(yīng)商有望受益。

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