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底盘构造详解及新发展

2020-08-04 23:38:09·  来源:汽车底盘之家  
 
底盘构造介绍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
底盘构造介绍

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。

一、传动系统

汽车的传动系统的功能是将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。

动力传递:发动机→离合器→变速器→传动轴→差速器→半轴→驱动轮。

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。


汽车传动系统示意图

二、转向系统

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和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。


机械转向系统示意图


液压动力转向系统示意图

三、制动系统

制动系统是指对汽车某些部分(主要是车轮)施加一定的力,从而对其进行一定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进行强制减速甚至停车;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组成,常见的制动器主要有鼓式制动器和盘式制动器。





四、行驶系统

汽车行驶系统一般由车架、车桥、车轮和悬架组成。

1、车架

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。根据结构形式不同,车架可以分为边梁式车架、中梁式车架和综合式车架(前部边梁式、后部中梁式)等。



2、车桥

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。

3、车轮

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,可以分为钢制、铝合金、镁合金等车轮。

分类:

1.按轮辐的构造:车轮可分为辐板式车轮和辐条式车轮

2.按车轮材质:可分为钢制、铝合金、镁合金等车轮。

3.按车轴一端安装一个或两个轮胎:可分为单式车轮和双式车轮。

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。

4、悬挂

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。

悬挂可以分为独立悬挂和非独立悬挂,区别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。

行驶系统主要作用如下:

(1)支承汽车总质量;

(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;

(3)传递并承受路面作用于车轮上的各种反力及其所形成的力矩;

(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。

底盘新发展

一、智能化

线控制动是未来趋势。

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,并进行处理,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,易发生事故,而ESP系统可以将这种情况防患于未然。例如当车辆前面突然出现障碍物时,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,这就意味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。

电动化和智能化推动线控制动发展

对于智能汽车,尤其是L3及以上等级自动驾驶汽车,制动系统的响应时间尤为重要,线控制动响应更快,是实现自动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。

线控制动系统也分为EHB/EMB两种类型。

EHB根据技术方向可以分为三类:

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;

c)电机+高压蓄能器电液伺服,代表产品ADVICS ECB。

EMB系统优点:

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。

2.无需助力器,减少空间,布局灵活。

3.无需制动液,系统质量轻并且比较环保。

4.在ABS模式下,无回弹震动,可以消除噪音。

5.便于集成电子驻车制动等附加功能。

EMB系统技术难点:

1.由于去除了备用制动系统,EMB系统需要有很高的可靠性。必须采集比EHB更可靠的总线协议。

2.由于制动能量需求较大,需开发42V高电压系统。

3.制动器需要具有更好的耐高温性能,同时质量轻,价格低。

4.需要更好的抗干扰能力,抵制车辆运行中遇到的各种干扰信号。

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支持,短期内很难大批量应用,是未来发展的方向。

智能化推动线控转向发展

转向系统发展阶段:

机械式转向系统(Manual Steering,简称MS)发展为液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering,简称HPS)

后来出现电控液压助力转向系统(Electro Hydraulic Power Steering,简称EHPS)和电动助力转向系统(Electric Power Steering,简称EPS)。

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,为了解决这个问题,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。

根据助力参与的阶段及助力电机布置位置的不同,EPS可以分为C-EPS (Column-EPS,管柱式)、P-EPS(Pinion-EPS,齿轮式)、DP-EPS(Dual-Pinion EPS,双小齿轮)、RP-EPS(Rack-Parallel EPS,齿条平行式)和RD-EPS(Rack-Direct EPS,齿条直接助力式)等不同类型。

EPS优点如下:

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,零部件结构简单、安装方便,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 系统硬件结构简单,可以通过调整 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。

智能化推动线控转向成为新趋势对于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)可以满足要求,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。

线控转向系统主要分为三个部分:

1)转向盘系统,包括转向盘、转矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电动机和机械传动装置;

2)电子控制系统,包括车速传感器,也可以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其他机械转向装置等。


线控转向系统是通过给助力电机发送电信号指令,从而实现对转向系统进行控制。当转向盘转动时,转矩传感器和转向角传感器将测量到的驾驶员转矩和转向盘的转角转变成电信号输入到电子控制器(ECU),ECU依据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向,并根据转向力模拟、生成反馈转矩,控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转的角度,通过机械转向装置控制转向轮的转向位置。

线控转向系统的优点主要有:

1)省略车辆前舱一部分转向机械结构的占用空间;

2)没有机械的转向管柱,提高车辆的碰撞安全性;

3)方向盘转角和转向力矩可以独立设计,适应不同类型驾驶员对“手感”的要求。

线控转向系统的缺点主要有:

1)需要较高功率的力反馈电机和转向执行电机;

2)复杂的力反馈电机和转向执行电机的算法实现;

3)冗余设备导致额外增加成本和重量。

二、轻量化

底盘轻量化潜力巨大,轻量化是发展方向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,轻量化是解决问题的关键之一,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相对较小,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%。通过使用铝、镁等轻量化材料可以实现车身、底盘超过 40%的减重,减重质量分别超过 190kg 和160kg。

全铝车身目前工艺难度较大,造价较高,主要适用于豪华车。底盘系统的减重技术工艺相对成熟,成本相对也更低,是更加普遍的减重方式。根据 Lotus Engineering 的成本分析,通过对重量减轻和成本上升计算系数,车身的减重成本系数是 1.35,远高于其他部件的减重成本,底盘悬架的成本系数是 0.95,低于平均成本系数。

底盘轻量化产品种类较多,不同零件市场格局有所不同。铝合金控制臂领域,供应商主要有拓普集团、骆氏集团等。铝合金副车架方面,供应商主要有华域汽车、拓普集团、万安科技等。

铝合金转向节领域,供应商主要有伯特利、中信戴卡、华域汽车、拓普集团、苏州安路特等。铝合金制动钳领域,供应商主要有百炼、华域汽车、京西国际等。

从竞争要素来看,底盘零部件从钢铁制品到铝合金,材料发生变化,相关的工艺等差别巨大,一方面单车价值量显著提升,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。 
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