汽车底盘新技术的发展及应用.docx
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汽车底盘新技术的发展及应用
滁州职业技术学院
ChuzhouVocationalTechnologyCollege
06级汽车检测与维修专业
毕业论文
课题名称：
汽车底盘新技术的发展及应用
学号：
20061407112
班级：
06汽车检测与维修
姓名：
方敏
指导教师：
贾会星
2008年12月23日
摘要
近年来随着我国经济的高速发展，汽车工业作为国家支柱产业获得了迅猛发展。
专用汽车作为汽车工业的重要组成部分，也获得了快速发展。
一方面，随着产业政策逐步落实和行业标准法规政策不断完善，从政策标准法规上规范生产、提高技术水平及产品质量；另一方面，随着我国城市化建设、高速铁路建设、公路建设及道路运输业的快速发展，为我国专用汽车提供了大量的市场需求，专用汽车的产品品种日趋丰富、合理，产品质量、技术水平不断提高，年产量也大幅提高。
该论文对汽车底盘新技术的应用现状进行了分析，探讨了各种新技术的工作特点、应用前景和发展趋势。
关键词：
汽车底盘，四轮驱动，四轮转向，牵引控制
Abstract
Inrecentyears,withChina'srapideconomicdevelopment,theautomobileindustryasapillarindustryhasdevelopedrapidly.Privatevehiclesasanimportantcomponentoftheautomotiveindustryhasdevelopedrapidly.Ontheonehand,theprogressiveimplementationofindustrialpoliciesandindustrystandardscontinuetoimprovepoliciesandregulations,andpoliciesofthestandardsandregulationsontheproduction,raisetheleveloftechnologyandproductquality;Ontheotherhand,asChina'surbanizationconstruction,high-speedrailwayconstruction,Highwayconstructionandroadtransportindustry,therapiddevelopmentofChina'sspecialvehicletoprovideagreatdealofmarketdemand,moreandmoreprivatecarsavarietyofproducts,reasonable,andproductquality,technologyimprovement,butalsoasignificantincreaseinoutput.Thedocument,anewchassistechnicalanalysisofthestatusquoandexplorenewtechnicalfeatures,applicationanddevelopmenttrend.
Keywords:
Automobilechassis,4WD,4WS,ASR
一、绪论
在我国汽车工业发展过程中，面临着进口汽车对我国整个汽车市场的冲击，这种情况必然加大企业间的竞争力度，使汽车产品生产企业进一步认识到产品更新换代和提高产品质量的必要性和紧迫性。
没有质量就没有用户，就没有市场。
1.1概述
越来越多的新电子控制设备被应用于汽车上。
其中许多新的底盘控制技术设备在汽车的安全性、动力性、操作稳定性等方面起着重要的作用。
它包括全电路制动系统（BBW，Brake-by-Wire）、汽车转向控制系统（RWS、ESP等）、汽车悬架控制系统（ADC、ARC等）以及现在发展起来的汽车底盘线控技术（线控换档系统、制动系统、悬架系统、增压系统、油门系统和转向系统等）。
再加上汽车CAN总线的应用，42V电压技术的研究，电动汽车的研究都会带动汽车底盘控制技术向更高层次的发展。
如今汽车底盘控制技术正向电子化、信息化、网络化、集成化方向发展。
且前，在汽车底盘中采用的新技术主要有主动悬架、四轮转向、四轮驱动、防抱死制动、牵引控制等。
下面该论文就分别对汽车底盘的构造技术以及这些新技术的发展状况及应用作一一分析
1.2汽车底盘的构造介绍
底盘：
底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。
底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成。
1.2.1传动系介绍
传动系一般由离合器、变速器、万向传动装置、主减速器、差速器和半轴等组成，如图1-1所示。
传动系的功用
汽车发动机所发出的动力靠传动系传递到驱动车轮。
传动系具有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能，与发动机配合工作，能保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。
图1－1、传动系的结构
传动系的种类和组成
传动系可按能量传递方式的不同，划分为机械传动、液力传动、液压传动、电传动等。
1.2.2制动系介绍
汽车上用以使外界（主要是路面）在汽车某些部分（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统称为制动系统。
其作用是：
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。
对汽车起制动作用的只能是作用在汽车上且方向与汽车行驶方向相反的外力，而这些外力的大小都是随机的、不可控制的，因此汽车上必须装设一系列专门装置以实现上述功能。
图1－2、制动系的结构
分类：
（1）按制动系统的作用
制动系统可分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系统及辅助制动系统等。
用以使行驶中的汽车降低速度甚至停车的制动系统称为行车制动系统；用以使已停驶的汽车驻留原地不动的制动系统则称为驻车制动系统；在行车制动系统失效的情况下，保证汽车仍能实现减速或停车的制动系统称为应急制动系统；在行车过程中，辅助行车制动系统降低车速或保持车速稳定，但不能将车辆紧急制停的制动系统称为辅助制动系统。
上述各制动系统中，行车制动系统和驻车制动系统是每一辆汽车都必须具备的。
（2）按制动操纵能源
制动系统可分为人力制动系统、动力制动系统和伺服制动系统等。
以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系统称为人力制动系统；完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制动的系统称为动力制动系统；兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统称为伺服制动系统或助力制动系统。
（3）按制动能量的传输方式
制动系统可分为机械式、液压式、气压式、电磁式等。
同时采用两种以上传能方式的制动系称为组合式制动系统。
制动系统一般由制动操纵机构和制动器两个主要部分组成：
1）制动操纵机构
产生制动动作、控制制动效果并将制动能量传输到制动器的各个部件，以及制动轮缸和制动管路。
2）制动器
产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力（制动力）的部件。
汽车上常用的制动器都是利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩，称为摩擦制动器。
它有鼓式制动器和盘式制动器两种结构型式。
1.2.3转向系介绍
1.方向盘2.转向轴3.转向中间轴4.转向油管5.转向油泵6.转向油罐7.转向节臂8.转向横拉杆9.转向摇臂10.整体式转向器11.转向直拉杆12.转向减振器
图1－3、转向系的结构
汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。
转向系统的基本组成：
（1）转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。
（2）转向器将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。
转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。
（3）转向传动机构将转向器输出的力和运动传给车轮（转向节），并使左右车轮按一定关系进行偏转的机构。
转向系统的类型
按转向能源的不同，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。
1.2.4行驶系介绍
图1－4、行驶系的结构
行驶系由汽车的车架、车桥、车轮（注意）和悬架等组成。
汽车的车架、车桥、车轮和悬架等组成了行驶系，行驶系的功用是：
接受传动系的动力，通过驱动轮与路面的作用产生牵引力，使汽车正常行驶；
承受汽车的总重量和地面的反力；缓和不平路面对车身造成的冲击，衰减汽车行驶中的振动，保持行驶的平顺性；与转向系配合，保证汽车操纵稳定性。
二、汽车底盘最新技术的发展现状
2.1汽车底盘的电子化技术
2.1.1全电路制动系统（BBW）
BBW是一种全新的制动模式，它的系统结构如图1所示，BBW是一种新型的智能化制动系统，它采用嵌人式总线技术，可以与防抱死制动系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）、电子稳定性控制程序（ESP）、主动防撞系统（ACC）等汽车主动安全系统更加方便地协同工作，通过优化微处理器中的控制算法，可以精确地调整制动系统的工作过程，提高车辆的制动效果，加强汽车的制动安全性能。
BBW以电能作为能量来源，通过电机或电磁铁驱动制动器。
因此，BBW的结构简洁，更趋向于模块化，安装和维修更简单方便。
图2－1BBW的结构示意图
控制单元是BBW的控制核心，它负责BBW信号的收集和处理，并对信号的推理判断以及据此向制动器发出制动信号。
此外，根据汽车智能化的发展趋势，汽车底盘上的各种电子控制系统将与制动控制系统高度集成，同时在功能上趋于互补。
BBW采用双重闭环控制方式，首先在各个电能制动器中都有制动力矩传感器，可以实时地监控制动力矩的大小，实现制动力矩的闭环控制。
其次在制动过程中，各车轮转速传感器时刻监视着车轮的运转过程，ABS根据车轮转速传感器的信号判断车轮的运转状态。
根据目前BBW的研究成果，投入使用还需要解决一系列问题，其中主要是电能制动器结构和性能的改善。
电能制动器要保证能够独立对车辆实施有效制动，必须能产生足够大的制动力矩，对内部的驱动电机（或驱动电磁铁体）、驱动力矩的传动系统、外部的供电系统提出了较高的要求。
现在比较成熟的想法是提高汽车的供电电压，从原来的12V提高到42V，提高电压可以有效地解决BBW的能源问题。
2.1.2汽车转向控制系统
（1）后轮转向系统（RWS）
RWS能主动让汽车两后轮的横拉杆相对于车身作侧向运动，使两后轮产生一转向角。
RWS是由电子控制单元、传感器和执行机构等组成。
其执行机构有整体式和分离式两种。
整体式是指汽车两后轮的横拉杆由同一个执行机构调节；而分离式则指汽车两后轮的横拉杆由两个不同执行机构来调节。
对于整体式RWS执行机构，用一个横拉杆位移传感器就能确定两后轮的转向角。
但分离式RWS执行机构需要至少两个位移传感器。
由于分离式RWS执行机构的元件多，两后轮的控制和协调比较复杂，现在研发更多的是整体式RWS执行机构。
整体式RWS执行机构又分液压式和机电式两种。
图2－2是机电式RWS执行机构，由电动机、螺母螺杆驱动机构和安全锁止机构等组成。
为了提高系统的可靠性，执行机构里安装了一个电机转角传感器和一个螺杆位移传感器。
当RWS出现故障时，电动机自动锁止，两后轮的转向角不再发生变化，直到故障排除。
正常工作时，后轮的转向角是转向盘转向角和汽车行驶速度的函数。
汽车低速行驶时，当转向盘的执行机构给后轮一个相应方向相反的转向角。
从而使汽车在低速拐弯或停车时，转弯半径变小，使汽车转向和停车更方便快速、舒适。
当汽车高速行驶时，给后轮一个与前轮转向角方向一致的转向角。
汽车的前后轮同时向同一方向转向，可提高汽车的方向稳定性，特别是汽车在高速行驶换道时，汽车不必要的横
图2－2、机电式RWS执行机构
摆运动会大大减小，从而增强了汽车的方向稳定性，当汽车在L2路面制动时，同系统相配合，可及时通过主动后轮转向角来平衡制动力所产生的横摆力矩，既能保持汽车的方向稳定性，又能最大限度地利用前轮的制动力，改进汽车的制动性能。
（2）ESPⅡ（或者ESPplus）
由于ESP系统在对轿车的行驶状态进行干涉时，只是通过对单个车轮施加制动来调节轿车的行驶稳定性。
这时由脉冲制动力引起的轿车振动，乘员能够感觉到。
ESPⅡ能够识别转向轮与地面之间的附着系数。
如果汽车在路面两侧附着系数不同的对开路面上制动时，它朝着路面附着系数较大的一侧转动的趋势，即出现所谓的“制动器拉动”现象，在这种情况下，ESPⅡ能够通过转向轮朝路面附着系数较小的一侧作些适当的转向转动，以平衡“制动器拉动”的趋势。
ESPⅡ将其转向盘转向柱设计成两部分，其中一部分含有一个齿轮传动机构，通过该齿轮传动机构，系统中的电动马达对转向轮的转角施加影响。
ESPⅡ对汽车制动和转向的干涉，是利用ESP的控制装置基于一个扩展的软件来操控。
2.1.3汽车悬架控制系统
（1）主动悬架阻尼器控制系统（ADC）
ADC（有时也称为连续性阻尼控制系统CDC）由电子控制单元、CAN、4个车轮垂直加速度传感器、4个车身垂直加速度传感器和4个阻尼器比例阀组成。
根据汽车的运动状况及传感器信号，电子控制单元计算出每个车轮悬架阻尼器的最优阻尼系数，然后对阻尼器比例阀进行相应的调节，自动调整车高，抑制车辆的变化等，使汽车的悬架系统能提供更好的汽车舒适性、安全性和稳定性。
为此，让汽车车轮的动载振幅和车身垂直加速度尽可能小。
（2）主动横向稳定器（ARC）
当汽车进行弯道行驶时，离心力会对汽车车身产生一个侧倾力矩。
这个侧倾力矩一方面引起车身侧倾，另一方面使车轮的载质量发生由内轮向外轮的转移。
主动横向稳定杆则可以根据具体情况对每个横向稳定杆施加一个可连续变化的初始侧倾角或者初始侧倾力矩。
主动侧倾稳定杆有两种不同的结构形式：
一种是将被动侧倾稳定杆从中间分开，通过一个旋转马达把稳定杆的左右两部分连接起来。
旋转马达能让左右两部分进行相对转动，旋转马达的转矩可以调节。
另一种是在被动稳定杆的一端安装一个差动液压缸机构。
差动液压缸机构一端与稳定杆连接，另一端与同车轮的横向摆臂连接，差动液压缸机构两端的距离可以调节。
主动横向稳定器示意图如图2－3所示。
图2－3、主动横向稳定器示意图
ARC的工作原理是主动让稳定杆的左右两端作垂直方向的相对位移，平衡车身的侧倾力矩，使车身的侧倾角接近零，提高了舒适性。
由于汽车前后两个主动稳定杆可以调节车身的侧倾力矩的分配比例，从而可调节汽车的动力特性，提高了汽车安全性和机动性。
2.2汽车底盘的线控技术
所谓线控就是用电子信号的传送取代过去由机械、液压或气动的系统连接的部分，如换档连杆、油门拉线、转向器传动机构、刹车油路等。
它不仅是取代连接，而且包括操纵机构和操纵方式的变化，以及执行机构的电气化。
这将改变汽车的传统结构。
图2－4是线控过程的基本组成。
全面线控的实现将意味着汽车由机械到电子系统的转变。
线控技术要求网络的实时性好、可靠性高，而且一些线控部分要求功能实现的冗余，以保证在一定的故障时仍可实现这个装置的基本功能。
就像现在的ABS和动力转向一样，在线路故障时仍具有刹车和转向的基本功能。
这就要求用线控的网络数据传输速度高、时间特性好和可靠性高。
图2－4、线控过程示意图
目前汽车底盘的线控技术包括线控换档系统、制动系统（如电液制动系统EHB，电子机械制动系统EMB）、悬架系统、增压系统、油门系统和转向系统等。
线控技术具有如下优点：
无需使用液压制动或其它任何液压装置，使汽车更为环保；减小了正面碰撞时的潜在危险性，并为汽车设计提供了更多空间；线控的灵活性使汽车设计、工程制造和生产过程中的成本大为降低，且降低了维护要求和车身重量。
2.3汽车底盘集成化技术
现代汽车底盘电子控制系统正从最初单一控制发展到如今的多变量多目标综合协调控制，这样可以在硬件上共用传感器、控制器件、线路，使零件数量减少，从而减少连接点，提高可靠性，在软件上实现信息融合、集中控制，提高和扩展各自的单独控制功能。
⑴ABS／ASR／ESP的集成化：
ABS／ASR装置成功地解决了汽车在制动和驱动时的方向稳定性问题，但不能解决汽车转向行驶时的方向稳定性问题。
汽车转向行驶时，只有当地面能够提供充分的转向力时，驾驶员才能控制住车辆，使其按照预定的方向行驶。
如果地面侧向附着能力比较低，提供不了足够的转向力，汽车就会侧向滑出，影响了汽车按预定方向行驶的能力。
ABS／ASR／ESP集成系统的应用，在制动、加速和转向方面满足了驾驶员的较高要求，对汽车的主动行驶安全具有较大的贡献。
⑵ABS／ASR／ACC的集成化：
在ABS／ASR电子控制装置硬件的基础上，增加接收车距传感器信号的电子电路、ACC常闭式和常开式进油电磁阀电子驱动电路。
在原ABS控制模块和ASR控制模块的软件基础上，增加一个ACC控制模块，并与ABS／ASR电子控制模块进行相应的有机融合，用来实时处理、计算和确定汽车的行驶状态和车轮的转动状态。
汽车ABS／ASR／ACC集成化系统具有优先支持驾驶员操作功能和ABS优先工作功能。
⑶汽车底盘全方位控制系统：
汽车传动控制系统、电子悬架系统、电子转向系统、制动系统等集成融合在一起成为综合的汽车底盘电子控制系统。
各控制功能集中在一个ECU中，通过CAN总线实现信息共享、资源综合利用。
2.4汽车底盘的网络化技术
目前汽车上每个总成几乎是机械、电子和信息一体化装置。
在系统中电子和信息部分所起的作用也越来越重要，汽车工电子装置的增加使连接的电子线路迅速膨胀，线束越来越复杂。
在汽车设计、装配、维护中的负担甚至到了无法承受的程度。
而且线路接头的增加引起安全隐患。
另外线的重量和占用空间也是值得考虑的问题，重量的增加意味着降低效率。
线路体积（直径）太大在相对运动的部分之间过线非常困难，所以在电子装置不断增加的情况下，减少线束成为一个必须解决的问题，而使用传统的点到点平行连接方式显然无法摆脱这种困境，因而基于串行通信传输的网络结构成为一种必然的选择。
基于汽车底盘的电子化技术、线控技术的应用、汽车底盘的网络化技术成为必然。
如何建立局域网将汽车底盘的各种电子设备的传感器、执行机构、ECU的数据和信息通过一个总的ECU进行集中控制成为急需解决的问题。
目前汽车底盘的网络化中应用比较成熟的有CAN总线，它是由博世提出的CAN标准（CAN／B为B级CAN，CAN／C为C级CAN），最早在欧洲汽车上被广泛采用，后来包括美国、日木汽车行业也使用它作为B级或C级汽车网络。
TTP／C和FlexRay是以线控系统为主要应用目标的C级网络协议，它们的相关支撑元器件和应用系统开发测试工具等处于研究阶段。
目前无线局域网络在汽车底盘控制上的应用正在进一步探索。
蓝牙技术作为一种新的短距离无线通信技术标准，在汽车底盘控制系统的应用中有着巨大的市场潜力，其相对低廉的成本和简便的使用力得到汽车业界的一致认同。
三、目前汽车底盘中采用的新技术
3.1主动悬架系统
3.1.1主动悬架的概念
在汽车上使用的统悬架是由弹簧、减震器、导向机构和推力杆等组成的，悬架的功能是减弱由不平路面传给车架的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统振动．由于这种悬架作用是外力引起的，所以称为从动悬架。
所谓主动式悬架系统，是控制环节中的执行元件能针对外力的作用，产生一个力来主动控制车身的移动和车轮受到的载荷（路面的作用力）。
当汽车行驶在凹凸不平的路面时，执行元件抑制了输入方向的力，使悬架产生抽动。
因此，主动悬架能够有效地抑制车身的侧倾，并使高度一致。
由此可见，主动悬架的主要作用是：
（1）提高舒适性。
主动悬架用计算机独立地控制每个车轮，能够在任何时候、在任何车轮上产生符合任何要求的悬架运动，它不像任何软弹簧汽车那样，遇到大凸起时有可以感觉到的回弹或颠簸。
（2）控制车身运动。
从动悬架的汽车在制动时，作用在车身上的惯性力引起载荷前移，造成弹簧变形，引起车身前倾。
汽车转弯时离心力的作用使弹簧受到一个力矩的作用，引起车身向外倾斜。
而主动悬架的汽车在制动和纵摇时，能够产生与惯性力相对抗的力，减少了车身位置的变化。
（3）调节车身高度。
主动悬架系统还有一个实用的好处，即其乘坐高度可以随时调节。
汽车在高速公路上行使时，车身可以调节得低一些，通过坏路面时，车身可以调节得高一些。
当指令汽车抬起损坏的车轮时，就可以更换轮胎。
3.1.2主动悬架系统的发展
最初提出悬架主动控制这一设想的是路特斯（Lotus），这种系统的开发是在80年代初期，由液压主动控制抽动的洛特斯型系统完成了最初的路试，这种系统结构复杂，具有足够高的响应速度，执行元件发生作用时，液压缸中的活塞从两侧接受油压，一侧的油压上升，另一侧的油压降低，从而带动活塞抽动。
在该系统中，各种信号通过传感器输入电脑，然后由电脑分析这些传来的信息，反馈给四个轮子，以便能瞬时产生足够的油压，保证在凹凸不平的路面上行使时悬架的伸缩。
采用洛特斯主动控制架专利的制造厂有许多，沃尔沃便是其中之一。
它的主动悬架系统根本不用弹簧，而是采用传感器，计算机及液力促动器等装置构成的复杂系统，使车轮上下运动，以适应路面及车辆动力学的要求。
沃尔沃样车上，每个车轮都装有一只双向作用液力促动器，以取代弹簧，供给促动器动力，使其向上或向下运动，并由高速伺服阀控制运动的速度和方向：
一只航空用液力泵给整个系统供给动力，储油器储存过剩的动力液，一台中央计算机控制液力促动器。
而计算机则与传感器用导线相连，传感器测量每个轮子的垂直运动及车身的侧向转动、纵向转动及水平面内的转动。
在开始碰到凸起时，计算机指令液力系统抬起车轮，然后当通过凸起时，放下车轮。
同样．转向载荷也是通过计算机将较高的压力分配到外侧的促动器上，来平衡车身的侧向转动。
液压系统在千分之三秒内起作用，每分钟可作用约1500次。
通过修改悬架的计算机程序，可以改变乘坐和操纵特性。
美国通用汽车公司也在客货两用车上采用了一种新型的主动悬架系统，命名为希尔洛（sierra）A／R400，它是由计算机软件、动作传感器、油液泵、阀门、伺服机构和四个液力作动器组成。
A~400的主动悬架系统重达193kg，约为洛特斯（~ttus）悬架系统的2倍多。
但这个系统在舒适性和操纵性方面达到了惊人的效果。
传统的悬架系统的主要问题是在凹凸不平的路面上，弹簧和减震器不能使车轮与地面经常保持接触，从而导致牵引力的丧失。
而A／R系统是用车轮传感器来处理这个问题，这些传感器能够每隔7Vs改变一次系统的压力。
系统的传感器还能判断汽车的某一个或所有车轮是否与地面接触，然后调整系统的压力，以防止车身的下沉。
A／R400自身也可进行调整，以保证舒适的公路运行并同时保持汽车的稳定姿势与行车高度。
这种悬架系统由于成本和其他一些问题，目前还难以普及。
3.1.3主动悬架的应用前景
主动悬架系统可以控制车身的运动．使汽车在行驶过程中保持车身平稳、高度一致、无倾斜，并能实现负侧倾转弯，但这种悬架系统结构复杂、消耗能量大、成本高，当汽车轮胎载荷突然增加时，活塞容易卡住，驾驶人员虽然能感知这一变化，却很难控制车轮。
所以，该系统在现阶段，作为高级轿车的研究具有很大意义。
它对悬架装置的改进和新系统的研究、开发也有较大的推动作用。
另外，由于主动悬架系统中，计算机可以编制程序，修改行驶中汽车的复杂动力学性能。
例如，急转弯
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