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ATC汽車底盤

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40篇原創(chuàng)內(nèi)容

公眾號

對于自動駕駛汽車的控制人們常有很多疑問。比如轉(zhuǎn)向，具體跟車輛的交互，是傳入轉(zhuǎn)向角度還是力度？剎車制動是由 IPC 告訴硬件多少力度呢，還是智能到具體的制動百分比就可以？

要實(shí)現(xiàn)這些控制指令，首先與參考車輛的底盤組組件有很大的關(guān)系，要了解與車輛底盤的各個組件交互，就要先了解這些控制組件。

線控執(zhí)行

簡單地說，線控執(zhí)行主要包括線控制動、轉(zhuǎn)向和油門。某些高級車上，懸架也是可以線控的。線控執(zhí)行中制動是最難的部分。

線控油門

線控油門相當(dāng)簡單，且已經(jīng)大量應(yīng)用，也就是電子油門，凡具備定速巡航的車輛都配備有電子油門。電子油門通過用線束（導(dǎo)線）來代替拉索或者拉桿，在節(jié)氣門那邊裝一只微型電動機(jī)，用電動機(jī)來驅(qū)動節(jié)氣門開度。

一般而言，增減油門就是指通過油門踏板改變發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度，從而控制可燃混合氣的流量，改變發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，以適應(yīng)汽車行駛的需要。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門操縱機(jī)構(gòu)是通過拉索或者拉桿，一端聯(lián)接油門踏板，另一端聯(lián)接節(jié)氣門連動板而工作。

但這種傳統(tǒng)油門應(yīng)用范疇受到限制并缺乏精確性。電子油門的主要功能是把駕駛員踩下油門踏板的角度轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓信號，同時(shí)把油門踏板的各種特殊位置制成接觸開關(guān)，把怠速、高負(fù)荷、加減速等發(fā)動機(jī)工況變成電脈沖信號輸送給電控發(fā)動機(jī)的控制器 ECU，以達(dá)到供油、噴油與變速等的優(yōu)化自動控制。電液推桿

電子油門控制系統(tǒng)主要由油門踏板、踏板位移傳感器、ECU（電控單元）、數(shù)據(jù)總線、伺服電動機(jī)和節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

博世智能電子油門踏板

位移傳感器安裝在油門踏板內(nèi)部，隨時(shí)監(jiān)測油門踏板的位置。當(dāng)監(jiān)測到油門踏板高度位置有變化，會瞬間將此信息送往 ECU，ECU 對該信息和其它系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出一個控制信號，通過線路送到伺服電動機(jī)繼電器，伺服電動機(jī)驅(qū)動節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線則是負(fù)責(zé)系統(tǒng) ECU 與其它 ECU 之間的通訊。

在自適應(yīng)巡航中，則由 ESP（ESC）中的 ECU 來控制電機(jī)，進(jìn)而控制進(jìn)氣門開合幅度，最終控制車速。

線控轉(zhuǎn)向

日產(chǎn)旗下的英菲尼迪 Q50 是首批使用線控轉(zhuǎn)向的量產(chǎn)車輛

線控轉(zhuǎn)向也已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用，這就是日產(chǎn)旗下的英菲尼迪 Q50。實(shí)際目前的電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）非常接近線控轉(zhuǎn)向了。

EPS與線控轉(zhuǎn)向之間的主要差異就是線控轉(zhuǎn)向取消了方向盤與車輪之間的機(jī)械連接，用傳感器獲得方向盤的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，然后 ECU 將其折算為具體的驅(qū)動力數(shù)據(jù)，用電機(jī)推動轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)動車輪。而 EPS則根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)角來增加轉(zhuǎn)向力。電液推桿

線控轉(zhuǎn)向的缺點(diǎn)是需要模擬一個方向盤的力回饋，因?yàn)榉较虮P沒有和機(jī)械部分連接，駕駛者感覺不到路面?zhèn)鲗?dǎo)來的阻力，會失去路感，不過在無人車上，就無需考慮這個了。在Q50L 上線控轉(zhuǎn)向還保留機(jī)械裝置，保證即使電子系統(tǒng)全部失效，依然可以正常轉(zhuǎn)向。

線控制動

線控制動是最關(guān)鍵的也是難度最高的。要了解線控制動，首先要了解汽車的剎車原理。輕型車通常采用液壓制動。

傳統(tǒng)制動系統(tǒng)主要由真空助力器、主缸、儲液壺、輪缸、制動鼓或制動碟構(gòu)成。當(dāng)踩下剎車踏板時(shí)，儲液壺中的剎車油進(jìn)入主缸，然后進(jìn)入輪缸。

輪缸兩端的活塞推動制動蹄向外運(yùn)動進(jìn)而使得摩擦片與剎車鼓發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生制動力。

當(dāng)駕駛者踩下制動踏板時(shí)，機(jī)構(gòu)會通過液壓把駕駛?cè)四_上的力量傳遞給車輪。但實(shí)際上要想讓車停下來必須要一個很大的力量，這要比人腿的力量大很多。所以制動系統(tǒng)必須能夠放大腿部的力量，要做到這一點(diǎn)有兩個辦法：一是杠桿作用；二是利用帕斯卡定律，用液力放大。制動系統(tǒng)把力量傳遞給車輪，給車輪一個摩擦力，然后車輪也相應(yīng)的給地面一個摩擦力。電液推桿

在我們討論制動系統(tǒng)構(gòu)成原理之前，讓我們了解三個原理：

杠桿作用；

液壓作用；

摩擦力作用。

杠桿作用已經(jīng)無需贅言，大家想必已經(jīng)爛熟于心，在杠桿的左邊施加一個力 F，杠桿左邊的長度（2X）是右邊（X）的兩倍。因此在杠桿右端可以得到左端兩倍的力 2F，但是它的行程 Y 只有左端行程2Y 的一半。

剎車踏板就是個杠桿。考慮到踏板的傾斜度，一般踏板的設(shè)計(jì)行程不超過 18 厘米。液壓原理需要特別說明，液體是無法被壓縮的，密閉容器里的液體的壓力有個特點(diǎn)：不論是液體內(nèi)部、還是壓向容器壁的力，到處都一樣大?！矗喝绻黄椒矫咨嫌幸粐嵉牧α?，那么在所有的地方，一平方米上的力都是一噸。這叫帕斯卡定理。

由于液體無法壓縮，所以這種方式傳遞力矩的效率非常高，幾乎100% 的力傳。液壓傳力系統(tǒng)最大的好處就是可以以任何長度，或者曲折成各種形狀繞過其他部件來連接兩個圓桶型的液壓缸。還有一個好處就是液壓管可以分支，這樣一個主缸可以被分成多個副缸。液壓的另一個作用就是放大力矩。如果主缸的直徑是1寸，輪缸的直徑是 3 寸，那么給主缸上面施加任何一個力，就會在輪缸上放大 9 倍。不過主缸的活塞推動 9 厘米，輪缸的活塞推動距離只有 1 厘米，能量守恒。通常轎車的主缸直徑是 22 毫米，前輪缸直徑是 32 毫米，后輪缸直徑是 28 毫米。電液推桿

不同的材料表面，有不同的鋸齒結(jié)構(gòu)；舉例來說：橡皮與橡皮之間就比鋼與鋼之間更難滑動。材料的類型決定了摩擦系數(shù)。所以摩擦力與物體接觸面上的正壓力成正比。例如：如果摩擦系數(shù)為 0.1，一個物體重 100 磅，另一個物體重 400 磅，那么如果要推動他們就必須給 100 磅的物體施加一個 10 磅的力，給 400 磅的物體施加一個 40 磅的力才能克服摩擦力前進(jìn)。

ABS

說完了這些，讓我們來說說 ABS。

ESP 與 ABS 非常接近，與 ABS 最大的不同在于 ESP 可以在沒有踩剎車踏板的情況下向輪缸輸出制動壓力，ABS 只能在踩下剎車踏板后從主缸向輪缸輸出壓力。壓力生成器就是電機(jī)和柱塞泵， 與ABS 比多了 4 個柱塞泵，4 個電磁閥，也就是 VLV 和 USV。

博世第九代 ESP 增加了兩個特殊功能，一個是 ACC，自適應(yīng)巡航，ESP 可以部分控制電子節(jié)氣門。另一個是 AEB，ESP 可以部分控制剎車系統(tǒng)。

有些認(rèn)為 ESP 既可以控制油門又可以控制剎車，是個很好的線控系統(tǒng)，非也。博世對國內(nèi)廠家一般只開放 ACC 和 ESP 量產(chǎn)接口協(xié)議，剎車力度最大大約為 0.5g，標(biāo)準(zhǔn)的剎車力度在 0.8g 以上，0.5g 遠(yuǎn)不夠用。電液推桿

再次，在設(shè)計(jì)之初，ESP 控制剎車系統(tǒng)只是在少數(shù)緊急情況下使用，可能 1 年用不了 2 次，一般泵的容量只有3 毫升，每一次使用，柱塞泵都要承受高溫高壓，頻繁使用，會導(dǎo)致柱塞泵發(fā)熱嚴(yán)重，精密度下滑，導(dǎo)致 ESP 壽命急劇下滑，常規(guī)剎車系統(tǒng) 1 小時(shí)就可能使用數(shù)次，如果用 ESP 做常規(guī)剎車系統(tǒng)，可能 1 個月就報(bào)廢了。

最后即便是不計(jì)壽命問題，ESP 的泵油功率有限，且缺乏真空助力，反應(yīng)速度較慢。如果 ESP 真的可以做常規(guī)制動，那么博世也無需開發(fā) Ibooster，日立無需開發(fā) EACT，大陸無需開發(fā) MK C1，天合無需開發(fā) IBC。

如何做到常規(guī)的線控制動，這得從真空助力器說起。

如果膜片兩邊有即使很小的壓力差，由于膜片的面積很大，仍可以產(chǎn)生很大的推力推動膜片向壓力小的一端運(yùn)動。真空助力系統(tǒng)，是在制動的時(shí)，也同時(shí)控制進(jìn)入助力器的真空，使膜片移動，并通過聯(lián)運(yùn)裝置利用膜片上的推桿協(xié)助人力去踩動和推動制動踏板。需要注意推力來自壓力差，而非真空。電動車和混合動力車不能依賴內(nèi)燃機(jī)取得真空，需要用電子真空泵。真空助力器會減少一部分發(fā)動機(jī)效率，所以近來有些油車上也使用電子真空助力器，用電機(jī)制造真空。電液推桿

線控制動正是從真空助力器延伸開來，用一個電機(jī)來代替真空助力器推動主缸活塞。由于汽車底盤空間狹小，電機(jī)的體積必須很小，同時(shí)要有一套高效的減速裝置，將電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換為強(qiáng)大的直線推力。這其中的關(guān)鍵因素就是電機(jī)主軸，日本是此領(lǐng)域的霸主。

在電機(jī)技術(shù)不夠先進(jìn)的 1999 年前，人們只得放棄這種直接推動主缸的思路。轉(zhuǎn)而使用高壓蓄能器。這就是奔馳的 SBC、豐田的 EBC 系統(tǒng)、天合的SCB，這套系統(tǒng)利用電機(jī)建立液壓，然后將高壓剎車油儲存在高壓蓄能器中，需要剎車時(shí)釋放。這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓管路眾多，成本高昂，可靠性不高。奔馳曾經(jīng)大規(guī)模召回過 SBC 系統(tǒng)，豐田也曾經(jīng)召回過 EBC 系統(tǒng)，奔馳今天已經(jīng)幾乎不用 SBC 系統(tǒng)。而豐田從 2000 年一直用到現(xiàn)在。通用和福特的混動車上則全部使用天合的 SCB。

由于成本過高，從 2007 年起，EVP 電子真空泵開始在電動車或混動車上取代這種高壓蓄能器設(shè)計(jì)，EVP 極為簡單，就是將油車的真空助力換位電子真空泵獲得真空，缺點(diǎn)非常明顯，首先它幾乎沒有任何能量回收，其次，剎車時(shí)會發(fā)出刺耳的噪音，最重要，它必須人力首先踩下制動踏板，也就是說它并非線控制動，而是機(jī)械制動。優(yōu)點(diǎn)也很明顯，首先是成本很低，再者是設(shè)計(jì)異常簡單，油車的底盤幾乎不做絲毫改動就可以用來做混動車，這對中國企業(yè)來說非常重要，中國企業(yè)缺乏自主設(shè)計(jì)底盤能力。電液推桿

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，日立旗下的東機(jī)特工在 2009 年首次推出電液線控制動系統(tǒng) E-ACT。除豐田外，大部分日系混動或純電車都采用這種設(shè)計(jì)，最典型的就是日產(chǎn) Leaf。說起來很簡單，用直流無刷超高速電機(jī)配合滾珠絲杠直接推動主缸活塞達(dá)到電液線控制動，這套方案對滾珠絲杠的加工精度要求很高。傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間大約 400-600 毫秒，電液線控制動大約為 120-150 毫秒，安全性能大幅度提高。百公里時(shí)速剎車大約最少可縮短 9 米以上的距離。同時(shí)用在混動和電動車上，可以回收幾乎 99% 的剎車摩擦能量。是目前公認(rèn)最好的制動方式，為了保證系統(tǒng)的可靠性，這套制動系統(tǒng)一般都需要加入 ESP（ESC）做系統(tǒng)備份。

早在 1999 年大眾在開發(fā)純電動車過程當(dāng)中也很想使用這種電機(jī)直接推動主缸的設(shè)計(jì)，但是德國的電機(jī)工業(yè)當(dāng)時(shí)沒有能力滿足大眾的需求，大眾采取了妥協(xié)的設(shè)計(jì)。既然電機(jī)的能量達(dá)不到，那就繼續(xù)用高壓蓄能器配合，但是推動主缸的是電機(jī)，大眾稱之為 eBKV，2009 年的大眾 E-UP上首次使用。電液推桿

博世從 e-UP 中獲得靈感，加上博世是電機(jī)大師，經(jīng)過博世的努力，最終在 2013 年去掉了高壓蓄能器，單用電機(jī)推動主缸，這就是 iBooster。

博世的 iBooster 于 2013 年初推出，并且應(yīng)用大眾（包括奧迪品牌，大眾持有 ibooster 的部分專利）全系列電動與混動車上，其他客戶還有特斯拉和即將上市的卡迪拉克 CT6。

大陸和天合（ZF）則在此基礎(chǔ)上將 ESC 也集成進(jìn)來，大陸的 MK C1 早在 2011 年就已經(jīng)推出，在 2017 年版的阿爾法羅密歐 Giulia 上使用。TRW 的則于2012 年推出 IBC，通用的 K2XX 平臺上將全線使用。順便說下 TRW 的 IBC 技術(shù)并非自己原創(chuàng)，是收購自一家小公司，不過博世的 ABS 技術(shù)也不是自己原創(chuàng)的。

這些線控制動都不是純粹的線控制動，仍然需要液壓系統(tǒng)放大制動能量。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專利門檻很高。為了突破大廠的封鎖，也為了簡化制動系統(tǒng)，純粹的線控制動（EMB）近年來是個火熱的研究領(lǐng)域。EMB 取消液壓系統(tǒng)，直接用電機(jī)驅(qū)動機(jī)械活塞制動。電液推桿

優(yōu)點(diǎn)一：安全優(yōu)勢極為突出，大幅度縮短剎車距離。EMB 的反應(yīng)時(shí)間大約 90 毫秒，比 iBooster 的120 毫秒更快速；

優(yōu)點(diǎn)二：沒有液壓系統(tǒng)，不會有液體泄露。對電動車來說尤其重要，液體泄露可能導(dǎo)致短路或元件失效，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難。同時(shí)成本和維護(hù)費(fèi)用也降低不少。

缺點(diǎn)一：沒有備份系統(tǒng)，對可靠性要求極高。特別是電源系統(tǒng)，要絕對保證穩(wěn)定，其次是總線通信系統(tǒng)的容錯能力，系統(tǒng)中每一個節(jié)點(diǎn)的串行通信都必須具備容錯能力。同時(shí)系統(tǒng)需要至少兩個 CPU 來保證可靠性。

缺點(diǎn)二：剎車力不足。EMB 系統(tǒng)必須在輪轂中，輪轂的體積決定了電機(jī)大小，進(jìn)而決定了電機(jī)功率不可能太大，而普通轎車需要1-2KW 的剎車功率，這是目前小體積電機(jī)無法達(dá)到的高度，必須大幅度提高輸入電壓，即便如此也非常困難。

缺點(diǎn)三：工作環(huán)境惡劣，特別是溫度高。剎車片附近的溫度高達(dá)數(shù)百度，而電機(jī)體積又決定只能使用永磁電機(jī)，而永磁在高溫下會消磁。同時(shí) EMB 有部分半導(dǎo)體元件需要工作在剎車片附近，沒有半導(dǎo)體元件可以承受如此高的溫度，而受體積限制，無法添加冷卻系統(tǒng)。同時(shí)這是簧下元件，震動劇烈，永磁體無論是燒結(jié)還是粘結(jié)都很難承受強(qiáng)烈震動。對半導(dǎo)體元件也是個考驗(yàn)。需要一個高強(qiáng)度防護(hù)殼，然而輪轂內(nèi)體積非常有限，恐怕難以做到。電液推桿

缺點(diǎn)四：需要針對底盤開發(fā)對應(yīng)的系統(tǒng)，難以模塊化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致開發(fā)成本極高。

我們認(rèn)為除非永磁材料有重大突破，居里溫度點(diǎn)大幅度提高到1000 攝氏度，否則 EMB 無法商業(yè)化。順便說一句，輪轂電機(jī)也是如此，不解決材料問題，輪轂電機(jī)商業(yè)化不大可能。不過這種材料從理論上來說是不可能出現(xiàn)的，磁性越強(qiáng)，其居里溫度點(diǎn)就越低，高溫下原子的劇烈熱運(yùn)動，原子磁矩的排列必然從整齊劃一到混亂無序，這是物理特性，無法改變。

比如最好的磁王釹鐵硼，一般使用 N35 牌號，其居里溫度點(diǎn)為 310 攝氏度，但其工作溫度上限只有 80 攝氏度，超過 80 度，磁性能就開始下降，到 310 度，磁性完全消失。而夏天汽車剎車盤的溫度輕松超過 100 度，工作時(shí)溫度輕松超過 300 度。所以未來十年內(nèi)，電液線控系統(tǒng)會是唯一的選擇。

人們對制動性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動系統(tǒng)在加人了大量的電子控制系統(tǒng)如 ABS、ESP 等后，結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復(fù)雜，液壓（空氣）回路泄露的隱患也加大，同時(shí)裝配和維修的難度也隨之提高。電液推桿

制動控制是自動駕駛執(zhí)行系統(tǒng)的重要部分，目前 ADAS 與制動系統(tǒng)高度關(guān)聯(lián)的功能模塊包括 ESP（車身穩(wěn)定系統(tǒng)）/AP（自動泊車）/ACC（自適應(yīng)巡航）/AEB（自動緊急制動）等。

線控液壓制動器（EHB）

EHB（Electro-HydraulicBrake）即線控液壓制動器，是在傳統(tǒng)的液壓制動器基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。EHB 用一個綜合的制動模塊來取代傳統(tǒng)制動器中的壓力調(diào)節(jié)器和 ABS 模塊等，這個綜合制動模塊就包含了電機(jī)、泵、蓄電池等等部件，它可以產(chǎn)生并儲存制動壓力，并可分別對 4 個輪胎的制動力矩進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。

比傳統(tǒng)的液壓制動器， EHB 有了顯著的進(jìn)步，其結(jié)構(gòu)緊湊、改善了制動效能、控制方便可靠、制動噪聲顯著減小、不需要真空裝置、有效減輕了制動踏板的打腳、提供了更好的踏板感覺。由于模塊化程度的提高，在車輛設(shè)計(jì)過程中又提高了設(shè)計(jì)的靈活性、減少了制動系統(tǒng)的零部件數(shù)量、節(jié)省了車內(nèi)制動系統(tǒng)的布置、空間。可見相比傳統(tǒng)的液壓制動器，EHB 有了很大的改善。但是 EHB 還是有其局限性，那就是整個系統(tǒng)仍然需要液壓部件，其基本的還是離不開制動液。電液推桿

電子機(jī)械制動（EMB）

如果把 EHB 稱為「濕」式 brake-by-wire 制動系統(tǒng)的話，那么EMB就是「干」式 brake-by-wire 制動系統(tǒng)。

EMB 全稱Electro Mechanical Brake，和 EHB 的最大區(qū)別就在于它不再需要制動液和液壓部件，制動力矩完全是通過安裝在 4 個輪胎上的由電機(jī)驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。因此相應(yīng)的取消了制動主缸、液壓管路等等，可以大大簡化制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、便于布置、裝配和維修，更為顯著的是隨著制動液的取消，對于環(huán)境的污染大大降低了。

西門子 VDO 的 EMB 示意圖

因此結(jié)構(gòu)相對簡單、功能集成可靠的電子機(jī)械制動系統(tǒng)越來越受到青睞，可以預(yù)見EMB將最終取代傳統(tǒng)的液壓（空氣）制動器，成為未來車輛的發(fā)展方向。

總結(jié)一下制動組件的發(fā)展里程：

轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)

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