底盘，底蕴_参考网

底盘，底蕴

2022-05-14赫炎徐飞设计邱洪涛

世界汽车 2022年4期

文/赫炎、徐飞设计/邱洪涛

它是百年汽车工业的底蕴，它也是汽车革命的底牌。

——它就是底盘

汽车底盘是由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统四部分组成，主要作用是支撑、安装汽车发动机及其各部件、总成，是汽车整体造型的一部分，能够接收发动机的动力，使汽车产生运动，保证汽车正常行驶。随着汽车技术的发展，特别是“新四化”战略的实施，现代汽车底盘技术又有了很大的变化，逐渐从传统底盘向电动底盘和智能底盘发展。

一、底盘的历史

汽车底盘是汽车的四大组成部分之一，最早的汽车底盘在设计时仅考虑能量的转换，以保证汽车正常使用。到了20世纪60年代，由于汽车保有量增加，交通事故频发已经成为严重的社会问题，因此汽车底盘改造了制动装置，还增加了很多安全装置。到了20世纪70年代，汽车产业面临的主要问题是能源危机和环境保护，底盘设计开始考虑如何减少行驶阻力，机械控制和液压控制成为主要控制方式。20世纪80年代，随着电子技术的发展，汽车底盘采用的电子控制技术越来越多。到目前为止，汽车底盘随着科技发展，已经引进了计算机控制技术，使汽车的安全性、舒适性和环保性得到极大提升，随着“新四化”战略的推动，汽车底盘的电动化、智能化发展不断取得新成果。

1、传动系统

汽车问世之初，多采用后置后驱方式，从发动机到后轮采用链轮和齿轮传递动力。1886年，奔驰汽车将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油汽车上，成为CVT技术的鼻祖。1893年，美国杜里埃兄弟在汽车上首次使用干式单片离合器和差速器后桥。1894年，法国本哈特和拉瓦索发明了世界上第一台齿轮变速器，成为汽车适应各种路况行驶的主要装置，承担起放大发动机转矩作用，配合发动机功扭特性，实现了理想的动力传递。1902年，皮尔里斯发明了汽车万向节。1913年，美国派克特汽车推广应用螺旋锥齿轮主减速器后桥。1928年，派克特汽车在后桥上采用双曲线齿轮主减速器，凯迪拉克轿车采用带同步器的变速器。1948年，别克轿车采用与行星齿轮机构组成一体的液力变矩器（现代液力自动变速器原型）。

2、行驶系统

早期汽车的悬架结构还不完善，使用的木制或铁制车轮，虽然当时汽车行驶的速度不高，但是由于路面条件不好，汽车颠簸厉害，驾乘体验并不好。橡胶轮胎的诞生成为汽车进一步发展的先决条件。

1834年，橡胶之父查尔斯·固特异受焦炭炼钢启发，开始进行软橡胶硬化试验，经过无数次试验，发现了硬化橡胶，从此橡胶轮胎制造业应运而生。1845年，英国罗伯特·汤姆发明了空心轮子。1888年，约翰·邓禄普制成了橡胶空心轮胎，随后托马斯又制造了带有气门开关的橡胶空心轮胎。1895年，首批汽车轮胎在法国出现，是由平纹帆布制成的单管式轮胎，但有胶面无花纹。1908～1912年，轮胎有了显著变化，胎面上有了提高使用性能的花纹，并增加了断面宽度，允许采用较低内压，以保证获得较好的缓冲性能。1911年，美国哈德门轮胎和橡胶制品公司推出了成套的内外胎，即橡胶和织物构成的外胎以及橡胶的内胎，充气轮胎取得了完全成功，汽车穿上了现代化的“鞋子”。1913～1926年，帘线和炭黑技术应用于轮胎，为轮胎工业发展奠定了基础；同时，轮胎外缘实现标准化，制造工艺逐渐完善，生产速度明显提高。20世纪20～30年代中期，乘用车轮胎由低压过渡到超低压；40年代，轮胎逐步向宽轮辋过渡。1948年，法国米其林公司首创了子午线结构轮胎，使轮胎使用寿命和性能显著提高，被誉为轮胎工业的革命；同年，美国古德奇公司发明了无内胎轮胎。20世纪50年代末，低断面轮胎问世。汽车轮胎向着子午化、无内胎和扁平化发展。

除了轮胎，工程师们一直都在探索如何能更好地提升悬架系统的性能。早期汽车采用的是马车弹簧钢板，也就是钢板弹簧非独立悬架。1900年，美国人哈德福研制成了第一个汽车减振器，应用在奥兹莫比轿车上。1921年，英国利兰德汽车公司生产出第一辆使用扭杆弹簧悬架的汽车。1933年，美国费尔斯通公司研制成功第一个实用的空气弹簧悬架；同年，门罗公司为赫德森轿车研制了双向筒液压减振器，而且直到今天都没有很多变化。1934年，通用汽车产品采用前螺旋弹簧独立悬架。1938年，别克汽车将螺旋弹簧应用到汽车后悬架上。1950年，福特汽车的麦弗逊研发成功麦弗逊式独立悬架，成为乘用车上应用较多的悬架形式。1984年，林肯大陆轿车采用可调整的空气悬架系统，电动悬架从此开始在汽车上得到应用。

3、转向系统

转向系统是实现驾驶员驾驶车辆行驶方向的机械系统。在汽车发明者奔驰的三轮汽车上最先使用的是所谓的齿轮齿条转向器，仅靠着一根操纵杆控制，就像小船的舵杆一样。1908年，福特汽车的T型汽车采用了行星齿轮转向器。1923年，美国马尔斯采用滚珠蜗杆转向器，也就是最早的循环球式转向器。1928年，美国戴维斯采用了液压动力转向器，但直到26年后的1954年才真正被汽车工业采纳，动力转向器才应用在大型轿车上。1966年，美国轿车开始采用可伸缩转向柱。随着电子技术在汽车行业广泛应用，转向系统也越来越多采用电子器件，出现了电液助力转向器。虽然电液助力转向器克服了液压助力转向器的缺点，但是结构复杂，成本增加，可靠性下降。为了规避电液助力转向器的缺点，电动助力转向系统应运而生。原液压系统产生的转向助力由电动机替代完成。1988年，铃木汽车首次在其Cervo车上，配置了电动助力转向系统，逐渐得到消费者认可，成为转向系统发展的方向。

4、制动系统

制动系统自汽车诞生，就一直扮演着至关重要的角色。随着汽车技术进步和行驶速度逐步提高，其重要性越来越明显，也是广大汽车工程师倾注大量心血的领域。最初的制动系统采用与马车相同的摩擦垫压紧车轮的制动器，而且只安装在后轮上。1889年，戴姆勒汽车将制动鼓安装在后轮上，再绕上钢缆，形成了真正意义上的制动器。1902年，英国兰切斯特取得了盘式制动器专利；同年，美国奥兹发明了钢带与制动鼓式制动器，得到了许多汽车的应用。1903年，美国廷切尔汽车开始采用气压制动器。1907年，英国弗罗特发明了石棉制动蹄片。1918年，英国洛克希德发明了液压鼓式制动器。1921年，杜森博格汽车首先在四个轮子上安装了液压制动器。1924年，克莱斯勒的四轮液压制动器问世。1928年，皮尔斯·阿罗汽车首先应用了真控制力制动器。1932年，凯迪拉克V16汽车采用了直径419.1mm的鼓式制动器；同年，林肯汽车的V12轿车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。1934年，通用汽车采用了液压制动技术。1936年，博世公司申请了一项电液控制的防抱死制动装置ABS电液控制专利。1939年，福特汽车采用了液压制动技术。但直到20世纪50年代，液压助力制动器才诞生。1969年，福特汽车开始应用真空助力的防抱死制动系统ABS。1971年，克莱斯勒汽车采用了四轮电子控制的防抱死制动系统。1979年，默·奔驰发明了一种性能可靠、带有独立液压助力器的全数字电子控制系统的防抱死制动系统。1985年，美国开发出带有数字显示微处理器、复合主缸、液压制动助力器、电磁阀和执行器一体化的防抱死制动系统。各国纷纷制定法律，促进防抱死制动系统的应用，现在ABS已成为汽车的标准装备。

二、传统底盘

传动系统主要由离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器和半轴组成，主要功能是将发动机输出的动力传送到驱动轮。传动系统的布置形式与发动机的位置和驱动形式有关，一般分为前置前驱、前置后驱、后置后驱、中置后驱和四驱等多种形式。

行驶系统由车架、车桥、车轮和悬架组成。主要功能包括：接受发动机经传动系统传递的转矩，并通过驱动轮与路面的附着力，驱动车辆正常行驶；传递并承受路面作用于车轮上的各种反力和汽车所形成的力矩；缓冲不平路面对车身的冲击和振动，保证车辆平顺行驶；与转向系统协调配合，实现正确控制车辆行驶方向，保证车辆操纵稳定性。

车架一般由两根纵梁和数根横梁组成，由悬架、前后桥支撑在车轮上，用于支撑、连接各总成，并保持相对正确的位置，承受车内外的各种载荷，可分为边梁式、中梁式和综合式（前部边梁式，后部中梁式），其中边梁式应用最广泛。

车桥又称车轴，通过悬架与车架（或承载式车身）相连接，两端安装车轮，起到传递车架（或承载式车身）与车轮之间各方向的作用力和力矩。按照结构分为整体式和断开式；按照车轮的作用又分为转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种，转向桥和支持桥属于从动桥。转向桥由前轴、转向节、主销和轮毂等组成，驱动桥由主减速器、差速器、半轴和桥壳等组成。大部分乘用车采用前置前驱形式，前桥为转向驱动桥，后桥为支持桥；部分车辆采用前置后驱形式，前桥为转向桥，后桥为驱动桥。

车轮是固定内缘、支持轮胎并与轮胎共同承受负荷的刚性轮，一般由轮毂和轮辐组成。按照构造分为辐板式车轮和辐条式车轮，按照材质分为钢制、铝合金和镁合金等。

悬架是汽车车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，主要是传递车轮与车身之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传递给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动，保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。典型的悬架系统主要包括弹性元件（弹簧等）、减振器和导向机构（连杆等），分别起到缓冲、减振和传递作用。其中，弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧和扭杆弹簧等不同形式。现代轿车的悬架系统多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，部分高级轿车采用空气弹簧。悬架可分为独立悬架和非独立悬架，独立悬架左右两车轮间没有刚性连接，每一侧的车轮悬架部件全部都与车身相连，非独立悬架的两个车轮间不是相互独立，有刚性连接。在结构方面，由于独立悬架车轮间不相互干涉，舒适性和操控性较好，非独立悬架结构简单，具有更好的刚性和通过性。此外，根据结构还可分为麦弗逊式、双叉臂式、扭转梁式和多连杆式等，大部分乘用车前悬架均采用独立是的麦弗逊悬架，后悬架多采用扭转梁式或多连杆式。

转向系统是改变或保持车辆行驶或倒退方向的一系列装置，功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。按照动力来源，分为机械转向系统和动力转向系统。机械转向系统是以驾驶员的体力作为转向动力，所有传力件均为机械的，有转向操纵机构、转向器和转向机构组成。动力转向系统是以驾驶员体力和发动机动力为兼用转向动力的转向系统。正常情况下，汽车转向所需的能量只有一小部分由驾驶员提供，大部分由发动机通过动力转向装置提供。但在动力转向装置失效时，还得由驾驶员独立承担转向任务。

制动系统是可以强制降低汽车行驶速度的一系列专门装置，主要由供能装置、控制装置、传动装置和制动器四部分组成，常见的制动器主要有鼓式制动器和盘式制动器。鼓式制动器主要包括制动轮缸、制动蹄、制动鼓、摩擦片和回位弹簧等，工作原理是通过液压装置使摩擦片与随车轮转动的制动鼓内侧面发生摩擦，起到制动效果。盘式制动器主要由制动盘、制动钳、摩擦片、分泵和油管等组成，主要是通过液压系统把压力施加到制动钳上，使制动摩擦片与随车轮转动的制动盘发生摩擦，达到制动的目的。

三、电动化底盘

近年，随着汽车技术迅猛发展，特别是“新四化”战略实施以来，通过对新技术、新材料和新工艺的应用，汽车底盘的舒适性、安全性、稳定性、平顺性等性能不断提高，但同时也给底盘技术提升和发展提供了广阔的空间。

新能源汽车由于其三大元件与传统汽车差别很大，因此其设计思路也就不同。新能源汽车除了在动力系统、电子电器架构方面快速演进外，汽车底盘正在向新的发展趋势变革。

目前，新能源汽车底盘设计有两种途径，一种是由传统燃油汽车底盘改装设计，在沿用原有设计的基础上，根据需要进行部分修改设计。这种设计途径开发难度较小，开发成本相对较低，开发周期也比较短，可以与传统燃油汽车共用平台，部分零部件能够通用。但同时，在设计过程中受到的限制也比较多，总体布局的难度相对较大，模块集成化较低。另外一种途径就是构建新能源汽车专用平台进行开发。这样就没有燃油汽车共用方面的限制，专用底盘的设计可以更优化，集成化程度更高，性能也会更优越。目前，造车新势力企业都在构建专用新能源汽车底盘平台。

新能源汽车的动力来自动力电池系统，动力在传递过程中不像传统燃油汽车必须经过离合器和变速器，而是直接经传动轴传递到主减速器，甚至直接布置在前后轴直接驱动。这样的结构提升了传动效率，还使底盘质量减轻。此外，如果电机前后布置，既有利于动力均匀分配，还有利于充分利用空间。但也要考虑新能源汽车的电机控制更加复杂。

全新设计的新能源汽车设计开发思路与传统燃油汽车明显不同。在安全方面，传统燃油汽车的整车安全主要围绕乘员舱进行，而新能源汽车从设计之初，除了要考虑乘员舱的安全，还要考虑车身对动力电池系统的安全保护作用。因此，新能源汽车平台正向研发是以乘员舱和动力电池两方面为核心进行。在整体布置中，要注意电池组与驾乘者分离布置，既增强对驾乘人员的安全保护，也有利于驾乘人员的舒适性。

在新能源汽车上，由于电池组的总质量一般约占整车总质量的30%，其它结构占70%。因此，底盘轻量化成为提高整车性能和动力电池效率的关键因素之一。底盘轻量化主要通过采用新工艺和新材料来实现。尤其是在新材料的应用方面，主要包括高强度钢、镁铝合金、铝合金和碳纤维复合材料，能有效降低底盘质量，提升整体强度。

四、智能化底盘

智能汽车具有区别于传统汽车的感知识别、决策规划和控制执行的核心特性，其中与底盘相关的主要是控制执行这一特性。因此，实现汽车智能化，仅靠传统底盘的机械结构已不可能，电子线控技术的应用成为实现智能化的关键。

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部分，如换档连杆、油门拉线、转向器传动机构、制动油路等。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，将改变汽车的传统结构。全面线控的实现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制动和转向的基本功能，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。

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。线控技术优点包括：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质量。

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，从而进一步减少连接点，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。

在汽车各系统中，电子和信息部分所起的作用也越来越重要，汽车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。线路接头的增加引起安全隐患，线路的质量和占用空间也是值得考虑的问题，质量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，减少线束成为必须解决的问题。而传统点到点平行连接方式显然无法摆脱这种困境，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。由此，CAN总线、以太网、蓝牙等技术已成为实现汽车底盘的各种电子设备的传感器、执行机构、ECU等之间传递数据和信息的技术领域。