底盘技术的未来.doc

底盘技术的未来随着生活水平和社会健康水平的提高，人们对舒适和享受有了更大的期待，对安全保护的期望也在不断地提高。这些不断提高的期待和愿望体现在日常生活的各个方面。作为个人出行不可分割的汽车也在其中之列。人们对现代社会生活的需求和愿望对底盘技术产生了很大的影响。底盘和悬架必须满足顾客对车辆的灵活、操控、舒适、安全这些方面的需求。基本上，在过去的20年里，底盘系统的质量和特性有了显著的提高。不断开发底盘系统及其组件，以及OEM（定点生产）与供应商对底盘元件之间复杂的相互作用的不断了解，使高性能已经成为可能。开发工具、材料、以及制造工艺的性能效率的不断改进也使得底盘系统在过去几十年不断进步。即使由于成本原因，当今大多数底盘系统仍处于常规水平（即使用无源元件和子系统构造），但高水平“智能机械”已经实现。现在，底盘工程师面临的一个最大的挑战就是，如何使用各个方面错综复杂又相互作用的知识，同高性能电脑及软件，来改善虚拟开发过程。例如：与其他学科（如：心理学）的密切合作，来极大地提高开发工具和底盘系统的实用性和易用性。车辆采用更高性能、更重的网络底盘操控系统将在不远的未来掀起底盘技术的革命。时域和空间预测在车道控制和道路表面凹凸处理将会扮演重要的角色。尽管未来系统的边界条件，会消除对当今传统的被动底盘系统中所发现的折衷的需求，但目前高标准的机械组件和系统仍然是底盘调谐的一个必要的初始条件。人们对二氧化碳排放的担忧将会影响底盘系统未来的发展。尽管这些影响不会引起剧烈的变化，但是他们可能使人们重新拾起近些年被大大忽略的轻质材料的兴趣。1. 底盘系统概念专注于客户价值1.1汽车概念的多样化与汽车底盘的稳定性汽车个性化的趋势不仅与车辆的内部配置相关,同样对整个车辆的发展也至关重要。虽然客户要求新车满足终端消费者的需求最能满足大型多元的OEM厂商,这些项目迫使其他汽车制造商为这些领域提供车辆。最终结果是一个更多样化的汽车市场。这种多元化的可用车辆概念与一定数量种类的底盘概念形成对比。这稳定的结果是底盘的机械部分已经达到一定程度的成熟和减少以地位区分性能的属性。大多数未来车辆的底盘系统之间的区别尤其是中小型乘用车,都是电子辅助系统的使用。不同的悬挂和转向概念和配置的数量将会大大减少。2004年,近100%的超小型汽车,紧凑型汽车,和货车类汽车形成了独具特色的麦克弗森支柱式前悬挂系统。同年,大约75%的所有微型车和40%的紧凑的车辆出现扭转梁式后轴。扭转梁式后悬挂装置系统预计将普及。在将来,其他悬架方案可能只被用于解决维护品牌形象。 通过参与创建一个可以区分与其他的小型车辆的类别(例如紧凑类)的更复杂的后悬架系统的难度水平证明了现代的扭梁轴的成熟程度。考虑到超小型汽车类车辆的重量和尺寸紧凑,常见的麦弗逊式前悬架的标准配置和扭转梁悬架能够在几乎整个动态范围提供出色的处理。在中型汽车类及以上,多链路后悬吊系统成为了事实标准。大约70%到90%多连杆后悬架车辆都属于这类多链路特性系统。直到2010年,这个配置的受欢迎程度可能会增加。这类车通常以有双叉臂式或多连杆式前悬挂系统为特色。由于使用的特殊需求,以上文件描述的趋势并不适用于跑车和越野SUV这些车辆类型。以下总结是基于对2004年可供购买的新车常用的悬架解决方案全面的研究。对车辆底盘的42个不同的组件进行了分析。在微型、紧凑,中型,大型、跑车和货车中各选择7辆。1.1.12004年新车的前悬架系统2004年可用的新汽车的前悬架系统上有三个主要总成类型:多连杆式、双叉臂式和麦弗逊式悬挂。麦克弗森支柱式悬架系统是迄今为止最常见的,尤其是在对价格更敏感小型汽车市场。在2004年,除了豪华车,跑车,和越野越野车,麦弗逊式悬挂是最常见的前悬架系统类型。在面中型车上使用的前悬挂被均匀地分为多连杆和麦弗逊式悬挂(表1 - 1)。这些使用麦弗逊式前悬架的中型汽车成本低。麦弗逊式前悬架系统最大的潜力是大中型车辆甚至是豪华车的后轮驱动。上述条件不太可能在未来几年内发生巨大的变化。为了满足客户期望而增加乘坐舒适度,麦弗逊式悬架系统类型可以设计两个两点链接,而不是更低的单一的三点控制杆。虽然总数量的双叉臂式前悬挂由于车辆在对四驱功能需求下降而成下降趋势，,但前非驱动轴使用双叉臂式悬挂的比例在2004年有所增加。1.1.2 2004年新车的后悬架系统在2004年购买的可用车辆的前悬架系统有着比后悬架系统更多样的种类的特点。低价车型一般采用半刚性扭转梁后轴,较小的程度上使用纵臂后轴。而多数的豪华车辆上使用多连杆、半刚性或双叉臂后悬架系统。钢性后方轴只在SUV越野车,和货车上使用。尽管他们具有更大的总重量,中型豪华的车辆还必须满足客户对行驶舒适感和操纵性的高期望。因此,这些车辆出现更多复杂的双叉臂式或多连杆式悬架系统(表1-2）。这些结果表明，在非驱动轴应用牵引链接和半拖曳臂悬架系统以及双横臂和弹簧支柱悬挂系统的概率普遍下降。在未来几年多连杆后轴的重要性可能增加。当较小型车辆扩大市场份额，扭转梁后轴的数量会增加。电子控制系统使用率的增长可能会导致一个多连杆悬架获得更大的市场份额。表 1-1: 市场概览: 前悬架 (2004)微型车紧凑型中型大中型.额外费用跑车货车 越野车钢性轴0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %20 %半钢性轴0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %纵向推力杆0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %悬垂态链接0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %双横臂0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %37.5 %67 %0.0 %60 %麦克弗森100 %100 %78 %50 %12.5 %33 %100 %20 %多链路0.0 %0.0 %22 %50 %50 %0.0 %0.0 %0.0 %表 1-2: 市场概览: 后悬架 (2004)微型车紧凑型中型大中型.额外费用跑车货车 越野车钢性轴0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %40 %半钢性轴75.0 %37.5 %22 %16.7 %0.0 %0.0 %25.0 %0.0 %纵向推力杆12.5 %25.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %12.5 %0.0 %悬垂态链接0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %50.0 %0.0 %双横臂0.0 %0.0 %0.0 %16.7 %12.5 %55.6 %0.0 %20 %麦克弗森0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %0.0 %多链路12.5 %37.5 %78 %66.6 %87.5 %44.4 %12.5 %40 %1.2未来底盘系统及其组件1.2.1 驱动单元的未来在未来, 使用半轴直接安装在传输单元的驱动桥的前轮驱动汽车将为大批量的车型成为标准。高档车将采用前置发动机和变速器，通过纵向与横向半主动轴后桥驱动单元连接驱动轴轴。未来轴驱动单元和悬架单元将为一个设计单元。未来的SUV将可能采用全轮驱动扭矩矢量控制功能。今后主要的改变是混合动力和电动力的引进，这将有可能彻底改变整个传动系统。1.2.2刹车系统的未来未来的制动系统将电控的，并全面的线控制动能力起到关键作用。制动系统仍将为众多的汽车动力系统的重要执行元件。制动系统将与网络化底盘的其他系统将在纵向和横向的车辆稳定功能发挥关键作用。1.2.3转向系统的未来未来的转向系统也将转向纯粹电气和完全发挥线控的能力。全电动转向系统将使许多驾驶辅助系统实现，转向齿轮轴的集成在未来将成为可能。未来的高档汽车将采用后轮转向与前轮转向。未来的转向系统的最终目标是实现全轮驱动。 1.2.4悬挂弹簧系统的未来由于空气弹簧系统和主动弹簧系统的额外高额费用，这些方案将限用在高档车。高容量的汽车将继续使用钢弹簧。复合材料板簧可以应用在汽车轻量化。1.2.5阻尼器的未来液压阻尼器的普及由于其制造成本低和适合用作轮控制元件而保持不变。除了线性减震器，旋转减震器将更受后轴空间被行李箱限制的车辆（如旅行车）的欢迎。为了进一步提高高级车辆乘车舒适度，空气弹簧/阻尼器单元可取代当今的豪华汽车使用的液压减震器和钢螺旋弹簧单元。1.3.6车轮控制组件的未来未来，悬挂系统将根据他们的相关联的制造成本来选择。麦弗逊、扭梁和多连杆式悬挂系统将接管市场，并且将使所有其他系统的市场份额变得最小化。 一旦制造复合材料的成本已经降低到可以接受的程度，完全新的类型的悬挂系统将成为可能。这些概念将采用数量减少的悬架连杆，并且将出现的功能整合到悬架臂上。 在更远的将来，四轮电动驱动单元（毂电机）将需要一个完全不同形式的车轮悬架。1.3.7轮毂轴承的未来滚动轴承元件仍将是轮毂轴承的标准类型。滚动元件和所用材料会得到提高。安装轮毂的车轮和任意传感器将被完全整合到轴承单元。轴承单元甚至可以集成到高容量轮架上。1.3.8轮胎和车轮的未来未来的轮胎即使在压力全损失（泄气轮胎）的情况下仍能继续使用，在无论怎样的天气情况下都能提供卓越的性能，将具有低滚动阻力（如橡胶硅烷添加剂）以此有助于节约能源。未来轮胎的“智能”通过使用传感器和识别芯片来提高。2 电子底盘系统2.1 电子辅助系统和网络关于电子底盘控制系统的普及有两点必须考虑到。首先，近100的车辆都具有ABS功能。除了超低价车型，ABS通常被认为是新车的标准功能。大量的新车都有电子制动力分配和制动辅助功能。第二点必须考虑的是ESC功能。从最初只在优质和中型车辆设有此功能，ESC继续扩大到其他领域，包括紧凑型和微型车。现代的ESC系统不仅提供车辆稳定控制系统，而且还提供了广泛的附加功能。这些附加的功能包括牵引力控制系统（EDS和TCS），电子制动力分配（EBD），转弯和过弯过程中制动控制（CBC），增加稳定性。这些功能允许通过结合制动力干预和汽车的传动系的系统接口管理系统而进行完全的潜力开发。然而这些额外的功能，（特别是那些涉及牵引力控制系统）只能豪华级车和具有强大的引擎车辆上实行。为了实现任何额外的功能，新的主动底盘元件是必需的。在一般情况下，附加的驱动器和它们的新功能有可能首先被运用在高档汽车或运动/豪华汽车上。考虑到相关客户的进一步发展，值得注意的是车辆操纵限制的控制稳定性已经达到了很高的成熟度。因此在这个领域不太可能出现附加功能。改进的稳定控制系统将可能需要额外的驱动器，来推迟制动干预的发生。舒适性操作系统也同样真实！车身运行控制系统，尤其是半自动减震器以及全自动车身操控系统，都已牢固建立起来，在自身硬件以及操控演算方面也取得了良好的发展态势！另一方面，旨在提升车辆敏捷性的操控系统还未达到同样水准的成熟度！过去，这些系统试图通过控制车辆的主动转向，阻尼和稳定系统的方式，来改善的处理和响应使车辆更敏捷。自动全驱系统的引入将为该领域带来诸多优势！此类优势尤其造福运动型驾车人士！所有底盘控制系统均需获悉有关车辆现行状态的信息！此类信息会由单独的感应器获取而后传输到操作系统的车载电脑中！总得说来，如今的车辆都配备了单独的感应器！将来，车辆都会配备一项独立于诸多单独系统之外的感应集成系统！此项感应集成会被用于监控车辆现行状态的各类反应实际数值，然后将这类信息传输给车辆自身配备的各类系统！此项举措不仅降低了成本，同时也杜绝了不同感应设备所提供的矛盾性！2.2网络化底盘操作系统全底盘操作系统的引进，有望为底盘研发领域带来其它功能的进步！数目不断攀升的车辆动力学操作系统（图2-3）产生了系统构架的需求，以便在多种系统间形成功能性的协同与配合！这有望通过各项独立系统间的快速讯息交换得以实现！但是迄今为止，内部系统的交流仅仅是为了某项组合型操作，例如通过电子稳控系统（ESC2）将转向与制动系统相结合！因为主动底盘元件数量增加，尤其是高端车辆，所以对控制系统架构的需要在增加，这不仅可以促进对大量变体的处理，也可以允许针对性的使用不同系统的协同效应。使用这两个主要的目标和其他潜在收益作为指导，以下部分将探讨三种类型的系统架构，即“和平共处”，“网络控制”和“整体控制”。图. 2-3:市场概述：电子辅助系统(2004)2.2.1和平共处被称为“和平共处”的系统架构概念被用在当今大多数的底盘控制系统。此体系结构的特征在于独立的控制系统的存在，每个都有其自己单独的目标，往往与其他系统的重叠（图2-4 ）。举例来说，通过单轮制动干预或对一个或一个以上的车辆车轴产生额外的转向角，对车辆的偏航率进行控制。在“和平共存”的系统架构下，这些控制系统之间没有信息交换。这可能会导致许多不同的问题。因为每个系统对驾驶员的输入单独作出解释，导致在驾驶情况下，完全可能发生在给定的时间点不同的系统有不同的解释。例如，一个系统可能确定已经达成稳定条件，并使用此信息来激活功能，用来增加稍微不稳定的车辆操控。同时，另一个系统可能认为车辆已经达到物理极限，从而尝试去稳定车辆。在极端的条件下，这种情况可能导致彼此之间相互矛盾的干涉发生。如果控制系统的时间常数彼此接近，导致动态效应包括通过对方的控制系统对车辆的极限范围，甚至逐渐放大的振荡的循环方法。为了防止此类事件的唯一方法是通过选择适当的，非冲突的参数和控制系统。这可能会限制一个或两个系统的执行最大潜力，但是为确保系统功能融合在一起，必须有所牺牲。图2-4:和平共处系统构架 图8-5:积分控制系统体系结构2.2.2 整体控制“和平共存”系统架构的固有问题可以追溯到两个主要原因。第一，如前所述，驾驶员的输入是由单独系统分别解释。第二，控制系统的后续反应，忽略了一个事实，车辆受控于大量的输入参数，其中有许多参数是完全或部分依赖于其他变量。这些问题都可以通过一个带有多参数控制单元的中央执行车辆动态控制系统消除，该控制单元基于驾驶员输入的整体解释分配控制命令（图2-5）。这降低了系统智能执行器的水平。所有的个别控制回路是由中央单元命令。在控制器设计阶段，已经考虑并解决了整体控制架构允许子系统之间的动态相互作用。这种类型的系统架构也有利于各个系统之间的协作开发。结合各控制参数的中央处理的这些优势，导致大量所需的程序努力减少并调整新的功能和应用程序的控制器。2.2.3网络控制网络控制是和平共存、全积分控制之间的一个必要的中间步骤（图8-6）。类似于“和平共存”，每个子系统保留自己的控制单元，处理所有的上位控制回路上，包括车辆的动态功能。异于“和平共处”，每个子系统也可以通过其他接口连接中央控制单元。该中央控制单元监控和协调各子系统控制器。图8-6:网络控制系统体系结构网络控制的目的是为了简化新应用和调谐各种系统间的相互作用。类似于“和平共处”，个别系统仍在分别开发和调整。然而一旦系统汇聚在一个单一的车辆，如描述在第2.2.1可以更容易处理这些问题。除了新参数化系统，一个合适的控制器协调算法可以限制甚至完全消除某些子系统在一定条件下的影响。然而对于有针对性的开发协同各子系统之间的和平共处，通过使用网络控制产生显着的改善是难以实现的。前面的章节提供了一个相关的各种系统架构的基本优点和缺点的列表。以下各节描述了一些附加条件，其中一些超出纯粹的功能系统的要求。2.2.4系统的安全性和平共存的内在传感器和软件冗余系统架构对于整体系统安全有利。在一个单独的系统出现故障时，可以迅速的检测误差和迅速停用受到影响的系统。任何在故障延迟期间发生的干预事件，即故障的发生，并且系统的失活之间的时间，可以由其他系统来抵消。为了保证操作安全，积分控制系统必须满足两个标准:错误识别标准和安全系统的失活标准。例如，检测到的传感器的误差，将导致所有车辆的致动器的激活值不正确。不像在一个和平共存的系统，这可能导致一个情况下，司机无法控制车辆。在最坏的情况下，网络控制的响应是相当于和平共处。提供的冗余网络工作系统的安全算法仍然完好无损。在一个单一的系统发生故障，必须采取行动来避免不正确的控制器之间的信息交换所引起的任何错误的延续。这可以通过禁用影响控制器尽快通知其余控制器立即使用适当的系统状态更新的控制器完成连通网络。这种状况将从各个控制器监控和协调系统的数据来检测可能已发送的任何可能的误差比较。2.2.5数据传