2022上海国际汽车底盘工程及制动系统展览会

2022 Shanghai International Automotive Chassis & Brake System Exhibition

2022年10月10-12日    上海汽车会展中心  

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2022上海国际汽车底盘工程及制动系统展览会

智能网联汽车底盘线控技术

线控技术(X by Wire),是将驾驶员的操作动作经过传感器转变成电信号来实现传递控制,替代传统机械系统或者液压系统,并由电信号直接控制执行机构以实现控制目的,基本原理如图5-1所示。

该技术源于美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)1972年推出的线控飞行技术(Fly by Wire)的飞机。

其中,“X”就像数学方程中的未知数,代表汽车中传统上由机械或液压控制的各个部件及相关的操作。

由于线控系统取消了传统的气动、液压及机械连接,取而代之的是传感器、控制单元及电磁执行机构,所以具有安全、响应快、维护费用低、安装测试简单快捷的优点。

智能网联线控技术主要包括线控转向技术、线控制动技术、线控驱动技术、线控换挡技术和线控悬架技术等。


1、线控转向系统认知

一、线控转向系统简介

线控转向系统(Steering By Wire,SBW),是智能网联汽车实现路径跟踪与避障避险必要的关键技术,为智能网联汽车实现自主转向提供了良好的硬件基础,其性能直接影响主动安全与驾乘体验。

线控转向系统取消了传统的机械式转向装置,转向盘和转向轮之间无机械连接,可以减轻车体重量,消除路面冲击,具有减小噪声和隔震等优点。

针对线控转向系统的研究,国外起步相对较早。

著名汽车公司和汽车零部件厂家,如美国Delphi公司、天合TRW公司、日本三菱公司、德国博士公司、ZF公司、宝马公司等都相继在研制各自的SBW系统。


TRW公司最早提出用控制信号代替转向盘和转向轮之间的机械连接。

但受制于电子控制技术,直到20世纪90年代,线控转向技术才有较大进展。

英菲尼迪的“Q50”成为第1款应用线控转向技术的量产车型。

2017年,耐世特(Nexteer)公司开发了由“静默转向盘系统”和“随需转向系统”组成的线控转向系统,该系统可随需转向,在自动驾驶时转向盘可以保持静止,并可收缩至组合仪表上,从而提供更大的车内空间。

国内企业对线控汽车的研究起步相对较晚,与国外差距较大,各高校对线控系统的研究主要以理论为主。

2004年,同济大学在上海国际工业博览会上展示了配备线控转向系统的四轮独立驱动微型电动车“春晖三号”,

图1-1 线控转向电动车春晖三号


二、线控转向系统结构


线控转向系统,主要由方向盘模块、转向执行模块和ECU三个主要部分以及自动防故障系统、电源系统等辅助模块组成,如图1-2所示。


转向盘模块包括转向盘、转向盘转角传感器、扭矩电机。

其主要功能是将驾驶员的转向意图,通过测量转向盘转角转换成数字信号并传递给主控制器;同时接受ECU送来的力矩信号产生转向盘回正力矩,向驾驶员提供相应的路感信号。

转向执行模块包括转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等,其主要功能是接受ECU的命令,控制转向电机实现要求的前轮转角,完成驾驶员的转向意图。


ECU对采集的信号进行分析处理,判别汽车的运动状态,向扭矩电机和转向执行电机发送命令,控制两个电机的工作,其中转向执行电机完成车辆航向角的控制,扭矩电机模拟产生方向盘回正力矩以保障驾驶员驾驶感受。

电源系统,承担控制器、执行电机以及其他车用电机的供电任务,用以保证电网在大负荷下稳定工作。

自动防故障系统,是保证在线控转向系统故障时,提供冗余式安全保障。

它包括一系列监控和实施算法,针对不同的故障形式和等级作出相应处理,以求最大限度地保持汽车的正常行驶。

当检测到ECU、转向执行电机等关键零部件产生故障时,故障处理ECU自动工作,首先发出指令使ECU和转向执行电机完全失效,其次紧急启动故障执行电机以保障车辆航向的安全控制。


(1)英菲尼迪Q50线控转向系统

通过传统的转向管柱将转向盘与转向执行机构连接在一起,基本形态与普通燃油车无异,但在转向管柱与转向执行机构之间由电控多片离合器相连。


正常行驶过程中,多片离合器为断开状态,虽然转向管柱仍然存在,但并不对前轮直接起作用。

只有当线控转向机构发生故障的紧急情况下,多片离合器自动接通,方向盘、转向柱与转向机构(齿轮齿条机构)的刚性连接实现转向操作,保证驾驶安全。


(2)博世公司线控转向系统

博世系统与英菲尼迪Q50的线控转向系统有很大的区别,博世公司开发的线控转向系统,完全取消了转向柱,由上转向执行器SWA构成的上转向系统和全冗余式下转向执行器SRA构成的下转向系统组成,而且上转向系统和下转向系统之间没有刚性连接。如下图1-4所示。


三、线控转向系统工作原理


如图1-5所示,线控转向系统的工作原理是:当转向盘转动时,转向盘转矩传感器和转向角传感器将测量到的驾驶员转矩和转向盘的转角转变成电信号输入到电子控制单元ECU,ECU依据车速传感器和安装在转向传动机构上的角位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向,并根据转向力模拟生成反馈转矩,同时控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度,通过机械转向装置控制转向轮的转向位置,使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。


学习小结

1. 线控转向系统取消了部分传统的机械式转向装置,转向盘和转向轮之间无机械连接,可以减轻车体重量,消除路面冲击,具有降低噪声和隔震等优点。

2. 线控转向系统,主要由转向盘模块、转向执行模块和ECU三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。


2、线控驱动系统认知


一、线控驱动系统简介


线控驱动系统(Drive By Wire,DBW),是智能网联汽车实现的必要关键技术,为智能网联汽车实现自主行驶提供了良好的硬件基础,也称为线控节气门或者电控节气门(Throttle by Wire)。

发动机通过线束代替拉索或者拉杆,在节气门侧安装驱动电动机带动节气门改变开度,根据汽车的各种行驶信息,精确调节进入气缸的油气混合物,改善发动机的燃烧状况,大大提高汽车的动力性和经济性。

而且,线控驱动系统可以使汽车更为便捷的实现定速巡航、自适应巡航等功能。


二、线控驱动系统结构


线控油门系统主要由加速踏板、加速踏板位置传感器、ECU、数据总线、伺服电动机和加速踏板执行机构组成。

该系统取消了加速踏板和节气门之间的机械结构,通过加速踏板位置传感器检测加速踏板的绝对位移。

ECU计算得到最佳的节气门开度后,输出指令驱动电机控制节气门保持最佳开度。如下图2-1所示。


三、线控驱动系统分类


目前,与智能网联汽车的两种主要类型相匹配,线控驱动系统分为传统汽车线控驱动和电动汽车线控驱动两种类型。


(1)传统汽车线控驱动系统


对于传统汽车而言,加速踏板的自动控制是实现线控驱动的关键,如图2-2所示。主要有以下两种方式。

(2)电动汽车线控驱动系统


如下图2-4所示,由于电动汽车整车控制单元(VCU)的主要功能是通过接收车速信号、加速度信号以及加速踏板位移信号,实现扭矩需求的计算,然后发送转矩指令给电机控制单元,进行电机转矩的控制,所以通过整车控制单元VCU的速度控制接囗来实现线控驱动控制。



学习小结


1. 线控驱动系统是智能网联汽车实现的必要关键技术,为智能网联汽车实现自主行驶提供了良好的硬件基础,也称为线控节气门或者电控节气门。

2. 线控驱动系统主要由加速踏板、加速踏板位置传感器、ECU、数据总线、伺服电动机和加速踏板执行机构组成。

3. 根据汽车类型的不同,线控驱动系统分为传统汽车线控驱动和电动汽车线控驱动两种类型。


3、线控制动系统认知


一、线控制动系统简介


线控制动系统(Brake by Wire,BBW),是智能网联汽车“控制执行层”的必要关键技术,为智能网联汽车实现自主停车提供了良好的硬件基础,是实现高级自动驾驶的关键部件之一。

它是将原有的制动踏板机械信号通过改装转变为电控信号,通过加速踏板位置传感器接收驾驶人的制动意图,产生制动电控信号并传递给控制系统和执行机构,并根据一定的算法模拟踩踏感觉反馈给驾驶人。

传统制动系统与线控制动系统的区别如图3-1所示, 线控制动技术在F1赛车上的应用已经非常成熟,但因其成本及技术问题,并未在乘用车上普及。


早期的宝马M3,曾经采用过线控制动系统这种制动方式。

由于线控制动通过ECU实现系统控制,ECU的可靠性、抗干扰性、容错性以及多控制系统之间通信的实时性,都有可能对制动控制产生影响,制约了线控制动系统的应用与推广。


二、线控制动系统分类、组成及原理


(1)电子液压制动系统EHB


电子液压制动系统EHB,是Electronic Hydraulic Brake的简称,是从传统的液压制动系统发展来的。

但与传统制动方式的不同点在于,EHB以电子元件替代了原有的部分机械元件,将电子系统和液压系统相结合,是一个先进的机电液一体化系统,其控制单元及执行机构布置集中。

因为使用制动液作为制动力传递的媒介,也称为集中式、湿式制动系统。

EHB主要由电子踏板、电子控制单元(ECU)、液压执行机构等部分组成。

电子踏板是由制动踏板和踏板传感器(踏板位移传感器)组成。

加速踏板位置传感器用于检测踏板行程,然后将位移信号转化成电信号传给ECU,实现踏板行程和制动力按比例进行调控。


当正常工作时,制动踏板与制动器之间的液压连接断开,备用阀处于关闭状态。ECU通过传感器信号判断驾驶人的制动意图,并通过电机驱动液压泵进行制动。当电子系统发生故障时,备用阀打开,EHB变成传统的液压系统。制动踏板输入信号后驱动制动主缸中的制动液通过备用阀流入连接各个车轮制动器的制动轮缸,进入常规的液压系统制动模式,保证车辆制动的必要安全保障。

EHB能通过软件集成如ABS(防抱死制动系统)、ESP(车身电子稳定系统)、TCS(牵引力控制系统)等功能模块,可以进一步提高行车的安全性及舒适性。当制动器涉水后,EHB系统可以通过适当的制动动作,恢复制动器的干燥,保持制动器的工作性能。


与传统的液压或气压制动系统相比,EHB 系统增加了制动系统的安全性,使车辆在线控制动系统失效时还可以进行制动。但是备用系统中仍然包含复杂的制动液传输管路,使得EHB并不完全具备线控制动系统的优点。


(2)电子机械制动系统EMB


电子机械制动系统EMB(Electronic Mechanical Brake),基于一种全新的设计理念,完全摒弃了传统制动系统的制动液及液压管路等部件,由电机驱动产生制动力,每个车轮上安装一个可以独立工作的电子机械制动器,也称为分布式、干式制动系统。EMB系统,主要由电子机械制动器、ECU和传感器等组成,如图3-3所示。

EMB结构极为简单紧凑,制动系统的布置、装配和维修都非常方便,同时由于减少了一些制动零部件,大大减轻了系统的重量,更为显著的优点是随着制动液的取消,使汽车底盘使用、工作及维修环境得到很大程度地改善。

图3-3 EMB的结构图


EMB工作时,制动控制单元ECU接收制动踏板传来的踏板行程信号,ECU计算出踩制动踏板的速度信号并结合车辆速度、加速度等其他电信号,明确汽车行驶状态,分析各个车轮上的制动需求,计算出各个车轮的最佳制动力矩大小后输出对应的控制信号,分别控制各车轮上的电子机械制动器中工作电机的电流大小和转角,通过电子机械制动器中的减速增矩以及运动方向转换,将电机的转动转换为制动钳块的夹紧,产生足够的制动摩擦力矩。EMB系统的关键部件之一是电子机械制动器,它通过ECU改变输出电流的大小和方向实现执行电机的力矩和运动方向的改变,将电机轴的旋转变换为制动钳块的开合,通过相应的机构或控制算法补偿由于摩擦片的磨损造成的制动间隙变化。电子机械制动器按其结构特点和工作原理可以分为无自增力制动器、自增力制动器两大类。


  • 无自增力制动器:

电动机通过减速增矩的机械执行机构产生夹紧力作用到制动盘上,制动力矩与制动盘和摩擦片之间的压力、摩擦系数成线性正相关,控制驱动电机轴转角大小即可实现对于制动转矩的控制,控制系统相对简单,制动器的工作性能稳定,但对于电机的功率要求较高,因而尺寸较大,如图3-4所示。

图3-4 无自增力制动器结构图


  • 自增力制动器:

在制动盘与制动钳块之间增加一个楔块,制动工作时,制动盘的摩擦力使楔块进一步楔入制动盘和制动钳块,增大夹紧力,从而产生自增力效果,产生更强的制动效能。该系统电机的功率较小,装置的体积和重量也较小,但是其制动效能取决于楔块的工作状况,因此对楔块的工艺及精度要求很高,不易加工,且其制动稳定性相对较差,难于控制。如图3-5所示。

与EHB相比,EMB中没有液压驱动部分,系统的响应速度更高,工作稳定性和可靠性更好,但由于完全采取线控的方式,不存在备用的制动系统,因而对系统的工作可靠性和容错要求更高。另外,使用电信号控制电机驱动,使制动系统的响应时间缩短,同时,传感器信号的共享以及制动系统和其他模块功能的集成,便于对汽车的所有行驶工况进行全面的综合控制,提高了汽车的行驶安全性。


三、线控制动系统的特点

学习小结


1. 线控制动系统BBW是Brake by Wire的简称,将原有的制动踏板机械信号用加速踏板位置传感器电信号替代,用以接受驾驶员的制动意图,产生制动电信号并传递给控制系统和执行机构,根据一定的算法模拟踩踏感觉反馈给驾驶人。


2. 根据工作原理的不同,线控制动控制技术分为电子液压制动系统(EHB)和电子机械制动系统(EMB)两种。


3. EHB,是Electronic Hydraulic Brake的简称,是从传统的液压制动系统发展来的,但与传统制动方式的控制有很大的不同,EHB以电子元件替代了原有的部分机械元件,将电子系统和液压系统相结合,是一个先进的机电液一体化系统,其控制单元及执行机构布置的比较集中。

由于使用制动液作为制动力传递的媒介,也称为集中式、湿式制动系统。


4. EMB,是Electronic Mechanical Brake的简称,基于一种全新的设计理念,完全摒弃了传统制动系统的制动液及液压管路等部件,由电机驱动产生制动力,每个车轮上安装一个可以独立工作的电子机械制动器,也称为分布式、干式制动系统。


4、线控换挡系统认知


一、线控换挡系统简介


线控换挡系统(Shift By Wire,SBW),是将现有的挡位与变速器之间的机械连接结构完全取消,通过电动执行控制变速器动作执行的电子系统,线控换挡系统取代了传统的档位操作模式,通过旋钮、按键等新式交互件电子控制车辆换挡,为智能网联汽车实现速度控制提供良好的硬件基础,也称为电子换挡。


线控换挡取消了传统的换挡操纵机构与变速箱之间连接的拉索或推杆,变速杆和变速器之间无直接机械连接,可以简化系统的部分结构,便于设计换挡杆的位置与操作界面(例如,安装在仪表板上),使换挡操作更加轻便容易。


宝马汽车公司最早引入了线控换挡系统与其MDKG七前速双离合器变速器相搭配,使得驾驶人换挡的动作变得简单、轻松,而且不会出现驻车P档的卡滞问题,被广泛应用于宝马集团的全系列车型,其变速杆形式如图4-1所示。


线控换挡系统,主要由换挡操纵机构、换挡ECU、换挡执行模块、驻车控制ECU和挡位指示器等组成。


(1)丰田混动车型线控换挡系统


图4-2所示为丰田混动车型的线控换挡系统的结构图,由变速杆、驻车开关、混合动力系统HV ECU、驻车控制ECU、驻车执行器和挡位指示器组成。


人机交互通过换挡操纵杆和驻车开关实现。

车辆正常行驶过程中涉及到R、N、D三个挡位,驾驶员作用于变速杆的动作转换为执行电信号传递给混合动力系统HV ECU,经过HV ECU计算后向变速器输出对应的挡位信号,完成车辆行驶挡位的变换,同时仪表盘上的挡位指示器对应挡位信号灯亮起。


当驾驶员操控驻车开关时,混合动力系统HV ECU将采集到的执行电信号经计算传递给驻车控制ECU,驻车控制ECU通过磁阻式传感器时刻采集驻车执行器电机转角信号以判定车辆是否处于静止状态,若驻车执行器电机转角为0则执行驻车动作,仪表盘驻车指示灯亮起;反之,驻车控制ECU检测到电机转角信号不为0,驻车指令会被驳回到混合动力系统HV ECU且无法完成车辆驻车动作。


执行逻辑如下:

变速杆→混动ECU→驻车执行器(R、N、D三个档位)

               →挡位指示器

驻车开关→混动ECU→驻车ECU→驻车执行器(P档位)

                             →驻车P指示器

在该系统中,换挡操作是一种瞬时状态,驾驶员能够轻松舒适地操纵换挡。

驾驶员松开变速杆后,变速杆立即返回到初始位置。


因此,当驾驶人操纵变速杆换到某个目标挡位时,不需要考虑目前的挡位状态,车辆工作过程中挡位更换完成后,挡位指示器会准确显示当前挡位,使驾驶员意识到完全进行了换挡操作。由于采用电控系统控制变速器的换挡操作,由各个部件协同工作实现换挡,可以有效的防止人为误操作,增强安全性。若换挡ECU检测到不正确的操作时,会将挡位控制在安全的范围内,并且向驾驶人发出警告。


例如,只有当驾驶员踩下制动踏板时,才能从P位挂入其他的挡位;当汽车正在向前行驶时,若驾驶员将变速杆挂入R位,换挡ECU也会控制变速器置入空挡;当汽车正在倒车时,若驾驶员将变速杆挂入D位,换挡ECU也会控制变速器置入空挡,只有当制动踏板完全踩下时才能顺利的从R位切换为D位;当换挡ECU监测到变速杆不在P位时,将控制车辆不能切断电源。各个挡位之间的操作关系如表4-1所示。


表4-1 丰田混动车型的线控换挡操作关系表


(2)奥迪Q7线控换挡系统


目前,奥迪Q7的线控换挡系统挡杆由盖罩、变速杆、解锁键、P位键、防尘罩、换挡操纵机构盖板、换挡范围显示、换挡操纵机构和多组插接器组成。如图4-3、4-4所示。


奥迪Q7的线控换挡系统与丰田混动车型线控换挡系统不同,变速杆的底部包含挡位位置锁止电磁阀和Tiptronic挡位锁止电机,用于支持复杂的安全换挡逻辑和用户体感交互。如图4-5所示。


变速杆可分别向前和向后移动两个位置,当进入D位后,变速杆被底部的挡位位置锁止电磁阀通过锁止杆锁定。此时,变速杆将只能向后移动在D/S位之间切换,而无法向前移动进入N/R位。为了有效准确的识别变速杆的位置,线控换挡系统内部配备了多组位置传感器,分别用于感知自动挡位位置和Tiptronic挡位位置以及变速杆横向锁位置,以便基于档位位置或换挡逻辑做出具体的换挡动作。

学习小结


1. 线控换挡系统(Shift By Wire,SBW),是一种完全取消传统换挡系统的机械传动结构,仅通过电子控制即可实现车辆换挡的系统,为智能网联汽车实现速度控制提供良好的硬件基础,也称为电子换挡。


2. 线控换挡系统,主要由换挡操纵机构、换挡ECU、换挡执行模块、驻车控制ECU和挡位指示器等组成。


3. 由于采用电控系统控制变速器的换挡操作,由各个部件协同工作实现换挡,可以有效的防止人为误操作。


若ECU检测到不正确的操作时,会将挡位控制在安全的范围内,并且向驾驶员发出警告。


5、线控悬架系统认知


一、线控悬架系统简介


线控悬架系统(Suspension By Wire),也称为主动悬架系统,是智能网联车辆的重要组成部分,可实现缓冲振动、保持平稳行驶的功能,直接影响车辆操控性能以及驾乘感受。


1980年,BOSE公司成功研发了一款电磁主动悬架系统。1984年,电控空气悬架开始出现,林肯汽车成为第一个采用可调整线控空气悬架系统的汽车。目前,宝马汽车安装的“魔毯”悬架系统,凯迪拉克汽车安装的MRC主动电磁悬架系统,以及自适应空气悬架系统,均属于线控悬架系统的不同形式。奔驰新一代S级采用的MAGIC BODY CONTROL线控悬架系统,可以根据前方路面状况,自动调节减震器的阻尼系数、车身高度等车辆参数,悬架刚度、阻尼等关键参数跟随汽车载荷、行驶速度而变化。如图5-1所示。


线控悬架系统,主要由模式选择开关、传感器、ECU和执行机构等部分组成,如图5-2所示。


传感器负责采集汽车的行驶路况(主要是颠簸情况)、车速以及起动、加速、转向、制动等工况转变为电信号,经简单处理后传输给线控悬架ECU。其中,主要涉及车辆的加速度传感器、高度传感器、速度传感器和转角传感器等关键传感器。空气弹簧根据ECU的控制信号,准确、快速、及时地作出反应动作,包括气缸内气体质量、气体压力及电磁阀设定气压等关键参量的改变,实现对车身弹簧刚度、减振器阻尼以及车身高度的调节。线控悬架系统执行机构主要由执行器、阻尼器、电磁阀、步进电动机、气泵电动机等组成。


减振器阻尼和弹簧刚度的控制主要保证车身在多种工况下的稳定性和舒适性,具体工况包括防侧倾控制、防点头控制、防下蹲控制、高车速控制、不平整路面控制等,如图5-4所示。


车身高度的控制,主要是控制车身在水平方向的高度,包括静止状态控制、行驶工况控制及自动水平控制等。静止状态控制,是指车辆静止时,由于乘员和货物等因素引起车载载荷的变化,线控悬架系统会自动改变车身高度,以减少悬架系统的负荷,改善汽车的外观形象。


行驶工况控制,将车辆静态载荷和动态载荷综合考虑,当汽车在高速行驶时,线控悬架系统主动降低车身高度以改善行车的操纵稳定性和气动特性;当汽车行驶在起伏不平的路面时,主动升高车身以避免车身与地面或悬架的磕碰,同时改变悬挂系统的刚度以适应驾驶舒适性的要求。


自动水平控制,在道路平坦开阔的行驶工况下,车身高度不受动态载荷和静态载荷影响,保持基本恒定的姿态,以保证驾乘舒适性和前大灯光束方向不变,提高行车的安全性。美国BOSE公司推出的动力-发电减震器PGSA(Power-Generating Shock Absorber),完全由线性电动机电磁系统LMES(Linear Motion Electromagnetic System)组成电磁减震器,每个车轮单独配置一套该系统,组件车身独立悬挂系统。


其工作原理为:每个车轮的调节控制信号通过BOSE功率放大器进行放大,以改变驱动电机的工作电流,从而驱动电磁式线性电机改变悬架的伸缩状态。该系统不但可以为电机提供电流,而且还可以在整车行驶工况下由电机发电产生电流为电动车电池充电,形成一套能量回收机制,非常有利于纯电力驱动的新能源汽车使用,可以增加蓄电池的电力,延长电动汽车的续驶里程。


三、线控悬架系统特点


线控悬架系统可以针对汽车不同的工况,控制执行器产生不同的弹簧刚度和减震器阻尼,既能满足平顺性和操纵稳定性的要求,也要保障驾乘的舒适性要求。其主要优点如下:

尽管线控悬架系统有诸多优点,但其复杂的结构也决定了线控悬架系统具有不可避免的缺点:


学习小结


1. 线控悬架系统(Suspension By Wire),也称为主动悬架,是智能网联车辆的重要组成部分,可实现振动缓冲、保持平稳行驶的功能,直接影响车辆操控性能以及驾乘体验。


2. 线控悬架系统,主要由模式选择开关、传感器、ECU和执行机构等部分组成。


3. 线控悬架系统ECU的控制可以实现减振器阻尼、弹簧刚度以及车身高度的控制等主要功能。


文章来源:驱动视界

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