底盤的發(fā)展歷程與發(fā)展趨勢

1、底盤的發(fā)展歷程

自汽車誕生一百余年以來，底盤發(fā)展就和汽車發(fā)展深度綁定。底盤系統(tǒng)決定了汽車縱向、橫向和垂向六個自由度的動態(tài)行為，是汽車能夠跑運行的必要條件。根據(jù)廣義上的定義，底盤系統(tǒng)的組成部件繁多，除了驅(qū)動、轉(zhuǎn)向和制動等系以外，還包含車身、油門、離合器等部件；但如果僅站在六個自由度控制的角度，底盤系統(tǒng)可以細化成以下4個子系統(tǒng)?？v觀底盤系統(tǒng)的發(fā)展歷程，可以概況為三個時期：機械時期機電混合時期智能時期底盤的機械時期在早期車輛質(zhì)量比較小，速度比較低，機械式底盤能夠滿足駕駛員操控需求。駕駛員通過對方向盤和踏板的操作來直接控制輪胎的六分力，從而間接地改變車輛的三向平動和三向轉(zhuǎn)動的自由度。奔馳一號，圖片來自網(wǎng)絡(luò)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是軍用車輛及軍用技術(shù)的發(fā)展，底盤系統(tǒng)也有了新的突破，比如液壓轉(zhuǎn)向和液壓制動的推出是對機械時期底盤的重大技術(shù)革新。于此同時，隨著車輛越來越重，助力器開始被廣泛使用于底盤控制中，為駕駛員提供轉(zhuǎn)向或制動助力。該階段典型的產(chǎn)品有機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和真空助力器。機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用發(fā)動機的動力帶動油泵給機械轉(zhuǎn)向提供液壓助力，這樣操作方向盤就更輕松了。但是由于使用了發(fā)動機動力作為油泵動力，所以，發(fā)動機用于行駛的動力會有部分損耗。

機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，圖片來自網(wǎng)絡(luò)制動助力產(chǎn)品真空助力器的工作原理為：駕駛員踩下制動踏板，由于杠桿作用，踏板力經(jīng)過第一級放大傳遞到真空助力器；真空助力器經(jīng)過第二級放大將制動力傳遞到主缸；主缸的制動液被推入輪缸并在壓強的作用下產(chǎn)生更大的制動力，推動輪端卡鉗加緊剎車盤，從而實現(xiàn)制動。真空助力器工作原理，圖片來自網(wǎng)絡(luò)真空助力器正常工作的關(guān)鍵在于有穩(wěn)定的真空來源。裝有汽油發(fā)動機的車輛由于發(fā)動機采用點燃式，因此在進氣歧管可以產(chǎn)生較高的真空壓力，可以為真空助力制動系統(tǒng)提供足夠的真空來源，而對于柴油發(fā)動機驅(qū)動的車輛，由于發(fā)動機采用壓燃式CI（CompressionIgnitioncycle），這樣在進氣歧管處不能提供相同水平的真空壓力，所以需要安裝提供真空來源的真空泵。雖然液壓系統(tǒng)的引入為駕駛員提供了助力，但是從本質(zhì)上看，底盤機械時期的車輛運動控制完全取決于駕駛員的輸入。底盤的機電混合時期在機電混合時期，傳統(tǒng)的機械液壓設(shè)計與單片機控制結(jié)合，在進一步減輕駕駛員的駕駛負荷的同時，還能夠通過軟件控制輔助駕駛員進行更好地車輛控制，車輛的燃油經(jīng)濟性、安全性和舒適性都大大提高。在這一時期，最為大家熟知的革命性產(chǎn)品之一就是制動防抱死系統(tǒng)(Anti-lockBrakeSystem,ABS)。就乘用車來說，在日常駕駛中有時候緊急制動來避險，但是緊急制動下制動卡鉗對制動盤作用力過大，會導(dǎo)致車輪抱死。車輪抱死引起的車輛表現(xiàn)不當（如緊急制動時無法在安全距離內(nèi)剎?；蛘呔o急制動時車輛甩尾）往往帶來嚴重的交通事故。

早在上世紀30年代，汽車工程師就開始研究制動防抱死系統(tǒng)ABS(Anti-lockBrakeSystem,ABS)來解決緊急制動時車輪抱死問題。ABS是制動系統(tǒng)中的一種閉環(huán)控制裝置，在制動時它可以防止車輪抱死，保證車輛的制動性和穩(wěn)定性。

ABS工作原理，圖片來自網(wǎng)絡(luò)到了70年代后期，由于數(shù)字電子計算機技術(shù)的發(fā)展，同時也得益于液壓控制技術(shù)的進步，德國博世公司推出基于液壓控制的ABS，控制效果相當理想，于是博世在1978年正式量產(chǎn)ABS產(chǎn)品。博世ABS的問世正式拉開了底盤電子穩(wěn)定性系統(tǒng)發(fā)展的序幕，在這以后，Bosch、ITTAutomotive、Kelesy-Hayes、Wabco等許多公司不斷加強對ABS的研究，各種新型的ABS層出不窮，性能不斷優(yōu)化而價格逐漸降低，如今ABS已經(jīng)成為了轎車和商用車的標配。

博世ABS爆炸，圖片來自網(wǎng)絡(luò)智能底盤時期在今天汽車電動化和智能化的浪潮之下，傳統(tǒng)動力升級為三電系統(tǒng)，底盤系統(tǒng)上傳統(tǒng)的機械零部件得到精簡，電控程度越來越高；與此同時，隨著輔助駕駛系統(tǒng)（如ACC、AEB等）的日益普及和自動駕駛系統(tǒng)的逐步落地，衍生出了越來越豐富的智能化場景的新需求。另一方面，消費市場對汽車定位也在發(fā)生改變。終端消費者不再只將汽車視為運載工具，汽車變成了提高生活品質(zhì)的載體和空間，這一消費趨勢意味著行業(yè)在追求汽車智能的同時，也需要更進一步地提高汽車的舒適性和駕駛質(zhì)量，為消費者提供更愉悅的用車體驗。在這一浪潮的驅(qū)動下，汽車對底盤系統(tǒng)也提出了更高的要求，更加智能的底盤才能適應(yīng)汽車電動化和智能化的發(fā)展需要。對智能底盤的新要求可以概況為四類：有個性：根據(jù)客戶駕駛習(xí)慣提供個性化定制高性能：系統(tǒng)響應(yīng)更加精準和迅速可成長：系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)能力并支持OTA升級高安全：產(chǎn)品安全和信息安全多重安全保證根據(jù)清華大學(xué)張俊智教授的定義，智能化底盤依舊保留了底盤的兩大功能：承載行駛但承載的對象和完成行駛的手段發(fā)生了變化。首先，智能底盤為自動駕駛系統(tǒng)、座艙系統(tǒng)、動力系統(tǒng)提供承載平臺，這是承載對象的變化。其次，在行駛?cè)蝿?wù)實現(xiàn)方面，我們從人車路的關(guān)系梳理了智能底盤具備的新能力。在車與路的關(guān)系中，智能底盤對車輪與地面間的相互作用具備認知、預(yù)判和控制的能力。在車與人的關(guān)系中，汽車變?yōu)闊o人駕駛后，原本人對底盤異常狀態(tài)的感知和適應(yīng)性操縱消失了，智能底盤應(yīng)具備管理自身運行狀態(tài)的能力。這是底盤新增的幾個能力，這些能力都服務(wù)于行駛?cè)蝿?wù)，所以最終智能底盤還是具體實現(xiàn)車輛智能行駛?cè)蝿?wù)的系統(tǒng)。

清華大學(xué)張俊智教授對智能底盤的定義2、智能底盤的發(fā)展趨勢雖然從目前的市場占有率看，底盤系統(tǒng)還處于機電混合時期，但是已經(jīng)可以看到正在向智能底盤過渡的趨勢。趨勢1：線控化首先是線控技術(shù)在汽車上的普及和進化。線控技術(shù)源于飛機控制系統(tǒng)，它將飛機駕駛員的操縱命令轉(zhuǎn)換成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)阶灾魇蕉鏅C。線控技術(shù)最大的優(yōu)勢是響應(yīng)精準迅速，這一優(yōu)勢在汽車線控技術(shù)上得到繼承。當前各個底盤控制子系統(tǒng)都已經(jīng)實現(xiàn)線控，但是底盤線控技術(shù)更多體現(xiàn)在控制決策層面，駕駛員輸入層面還是依賴駕駛員的直接輸入（轉(zhuǎn)向或踩踏板）。隨著自動駕駛的演變，駕駛員的角色得到弱化，方向盤和踏板的作用逐漸減弱，線控底盤已有向真正意義上的線控發(fā)展的趨勢。最明顯的一個印證趨勢的案例就是線控轉(zhuǎn)向產(chǎn)品的法規(guī)落地。早在幾年前就有車企推出線控轉(zhuǎn)向產(chǎn)品，但是受限于法規(guī)無法量產(chǎn)，如今法規(guī)已經(jīng)漸漸不是阻礙，拿中國來說，GB17675-2021《汽車轉(zhuǎn)向系基本要求》中刪除了不得裝用全動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的要求(1999年的3.3)，也就是國內(nèi)法規(guī)層面已允許轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤與轉(zhuǎn)向器之間的物理解耦。而Cybertruck在多國的熱售也意味著其他國家的相關(guān)法規(guī)也是同樣的趨勢。除了線控轉(zhuǎn)向外，線控制動相關(guān)的法規(guī)也正在制定中。

搭載線控轉(zhuǎn)向的Cybertruck，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

趨勢2：個性化電控系統(tǒng)和駕駛員機械接口解耦，可以更加靈活地對底盤系統(tǒng)特性進行調(diào)節(jié)，從而滿足不同客戶的個性化需求，這是線控底盤的另一優(yōu)勢。智能底盤系統(tǒng)對個性化需求的追求也表現(xiàn)在搭載主動懸架系統(tǒng)所的車輛的價位的下探。眾所周知，懸架系統(tǒng)調(diào)教的核心在于協(xié)調(diào)舒適性和操穩(wěn)性的矛盾，而主動懸架系統(tǒng)則被認為是魚和熊掌兼得的答案，它能夠精準地感知車況和路面等信息并自動調(diào)整懸架高度、剛度和阻尼，從而大幅度提高車輛操穩(wěn)和舒適性。另外，系統(tǒng)能學(xué)習(xí)用戶的駕駛習(xí)慣，并合理調(diào)節(jié)出最適合用戶的懸架控制策略。趨勢3：多執(zhí)行器融合其次，智能駕駛系統(tǒng)E/E的變革也催生了智能底盤E/E的進化。在機電混合時期，底盤系統(tǒng)的E/E架構(gòu)為簡單的子系統(tǒng)ECU的疊加，雖然子系統(tǒng)間有合作，但是這些合作僅體現(xiàn)在信息共享層面，各個子系統(tǒng)依舊“各自為營”，功能控制受到彼此的制約，響應(yīng)遲緩，沒有體現(xiàn)出“1+1>2”的效果。在基于底盤域控制器的新E/E架構(gòu)下，智能控制核心功能集中于域控制器內(nèi)，實時對各個子系統(tǒng)進行協(xié)同控制，精準且快速響應(yīng)，打破子系統(tǒng)間功能簡單疊加的壁壘。目前主流的主機廠和供應(yīng)商都在積極擁抱智能駕駛系統(tǒng)E/E的變革浪潮，其中底盤融合趨勢越來越明顯，且有很多功能已經(jīng)量產(chǎn)，給用戶帶來了更好的體驗。

趨勢4：更高的安全要求安全始終是底盤系統(tǒng)設(shè)計的重要課題，汽車智能化發(fā)展對智能底盤延申了新的安全話題。SAEJ3016對車輛自動化級別的分類對讀者來說已不陌生。如果將這五個級別進行進一步歸類則可以歸納為：輔助駕駛(包含Level1/Level2)自動駕駛(包含Level3/Level4/Level5)輔助駕駛和自動駕駛最大的區(qū)別在于系統(tǒng)故障導(dǎo)致事故的責(zé)任方的不同：對于輔助駕駛，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障以后，只要正確向駕駛員報告了故障，接下來能否脫險全看駕駛員的水平，出了事故責(zé)任方在駕駛員，汽車廠家是沒有責(zé)任的。對于自動駕駛，系統(tǒng)在出現(xiàn)故障之后，需要系統(tǒng)來自己操作避免事故（自動駕駛等級越高，駕駛員可以越晚介入接管甚至是完全不用接管），出了事故是汽車廠家的責(zé)任而不是駕駛員的責(zé)任。對于高速自動駕駛系統(tǒng)而言，車輛在高速運行過程中出現(xiàn)單一故障，安全狀態(tài)通常定義為停到路邊的應(yīng)急車道，為實現(xiàn)這一安全狀態(tài)，目前業(yè)界普遍達成一致的方案至少需要以下冗余：通訊冗余：當單一鏈路出現(xiàn)信號中斷，系統(tǒng)可實現(xiàn)信息的無縫安全銜接低壓電源冗余：主電源失效后，備份電源能夠支撐ECU完成安全降級動作感知冗余：多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以保證車輛行駛構(gòu)成中精準實現(xiàn)物體及行人的識別，從而支持車輛時刻做出正確的控制行為大腦控制器冗余：兩個大腦互相監(jiān)督、互為備份，主大腦故障發(fā)生時，備份大腦及時接管制動冗余：主制動系統(tǒng)失效后，備份系統(tǒng)依然提供一定的制動能力來維持制動控制及制動穩(wěn)定性控制轉(zhuǎn)向冗余：如果故障發(fā)生后的安全狀態(tài)定義為繼續(xù)運行而不是剎停，那么當一路轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障后，備份系統(tǒng)需要能夠支持車輛完成接下來的運行場景中的轉(zhuǎn)彎工況由此可見智能底盤的冗余設(shè)計在實現(xiàn)自動駕駛系統(tǒng)功能安全的重要性和必要性。目前汽車行業(yè)達成的普遍共識是：功能安全、預(yù)期功能安全和信息安全是保障汽車智能化安全的“三駕馬車”。3、總結(jié)以上可以看出，為滿足汽車的電動化和智能化發(fā)展的新要求，智能底盤的發(fā)展思路正在逐步清晰；而從落地層面看，