全面介绍底盘构造、行驶原理、发展趋势

【教学目标】

•理解汽车的基本性能、行驶条件和底盘的重要性；

•熟悉和掌握底盘的主要组成以及各自的主要功用；

•了解现代汽车底盘技术的发展趋势和方向。

【项目描述】

汽车是重要的现代化交通运输工具，是现代科学技术发展的结晶，也是与现代经济、社会、生活密不可分的科技产品。汽车底盘作为汽车的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响到汽车的动力性、经济性、安全性等基本性能。

本项目主要介绍汽车总体构造以及底盘的总体构造和功用，汽车基本性能和行驶原理，以及现代汽车底盘技术的发展方向和趋势。

【项目相关知识】

（1）汽车的总体构造和基本功能

汽车是指由动力驱动，具有4个或4个以上车轮的非轨道承载的车辆。汽车通常由发动机、底盘、电气设备和车身4部分组成，其总体构造如图1.1所示。其中，发动机是汽车的动力源，其功用是使供入其中的燃料燃烧而提供动力；电气设备主要包括汽车上的电源（主要是蓄电池和发电机）、各个用电设备（如发动机点火系统、汽车照明系统和空调系统等）以及线束开关等；车身是驾驶员工作的场所，也是装载乘客和货物的场所，部分车身还承受整车总重。

汽车底盘的功用是支承、安装汽车发动机及其各部件总成，形成汽车的整体造型，接收发动机的动力，保证汽车正常行驶。

（2）汽车的基本性能

汽车有六大基本性能，即动力性、燃料经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性。

1）动力性

动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能，通常用汽车的最高车速、汽车的加速时间、汽车的最大爬坡度3个参数来评价，这称为动力性指标。

图1.1　汽车总体构造示意图

汽车的最高车速是指在良好的混凝土或沥青路面上汽车所能达到的最高行驶速度，一般轿车最高车速为130～200 km/h，客车最高车速为90～130 km/h，货车最高车速为80～110 km/h。

汽车的加速时间用以表示汽车的加速能力，是指汽车在良好的水平路面上由原地起步的加速时间和超车加速时间。原地起步加速时间是指汽车从1挡起步，以最大的加速度逐步换至高挡后，达到某一距离或车速所需要的时间；超车加速时间是指用最高挡或次高挡由某一车速全力加速至某一高速所需要的时间。

汽车的最大爬坡度是指汽车满载时在良好路面上以1挡行驶时可爬过的最大坡度，常用每百米水平距离内坡道的高度与百米之比值或坡道角度来表示。

2）燃料经济性

汽车的燃料经济性是指汽车以最小的燃料消耗量完成运输工作的能力，是汽车主要使用性能之一。我国的燃料经济性指标为每百千米燃油消耗量，即行驶100 km所消耗的燃油升数，单位为L/100 km。油耗是一个很复杂的参数，与汽车发动机排量、整车性能、路况和驾驶技术有关。据不完全统计，一般家庭经济型汽车按排量为1.0、1.3、1.6、2.0 L的每百千米油耗对应为5、7、10、12 L左右。

3）制动性

汽车制动性是指汽车行驶时能在短距离内停车并且维持行驶方向的稳定性和在下长坡时连续制动并能维持一定车速的能力。汽车制动性能包括制动效能、制动效能的恒定性以及制动时的方向稳定性3个方面。

制动效能是指汽车在行驶中迅速减速到停车状态的能力，通常用制动距离、制动减速度作为评价指标；制动效能的恒定性是指汽车在高速行驶或长下坡连续制动时制动效能的稳定程度，通常用抗热衰退能力表示；制动时的方向稳定性是指汽车在制动中不发生跑偏、侧滑或失去转动能力保持不偏离原来路径的能力。

4）操纵稳定性

操纵性是指汽车能够准确响应驾驶员的操作，维持或改变原行驶方向的能力。稳定性是指汽车受到外界干扰时保持稳定行驶的能力。操纵性和稳定性之间有着紧密的联系，通常将二者统称为汽车的操纵稳定性。在汽车操纵稳定性各种各样的性能指标中，汽车的稳定转向特性是常见的重要评价指标。

5）平顺性

汽车平顺性又称汽车振动环境适用性，是指汽车在以正常速度行驶过程中，要保证乘员在汽车振动时不会感到不舒适和疲劳，所运货物要保持完好。汽车是一个振动系统，路面不平就会引起汽车振动，汽车平顺性反映了汽车对路面不平度的隔振特性。为使汽车具有良好的行驶平顺性，应使车身振动的固有频率为人体所习惯的步行时身体上下运动的频率。

6）通过性

汽车通过性是指汽车在一定装载质量下能以足够高的平均车速通过松软地面、坎坷不平地段等坏路或无路地带以及陡坡、侧坡、壕沟、台阶等障碍的能力。表征汽车通过性的主要参数是汽车的最小离地间隙等几何参数，以及汽车在1挡时最大动力因数等支承牵引参数。

（3）汽车的行驶条件

1）驱动力的产生

如图1.2所示，发动机产生的转矩经传动系传到驱动轮，产生驱动力矩Tt，驱动轮在Tt的作用下给地面作用一个圆周力F0，同时地面对驱动轮施加一个大小相等、方向相反的反作用力Ft，即为驱动力，其大小为驱动力矩Tt与车轮滚动半径r的比值。

2）影响汽车运行的主要阻力

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图1.2　汽车驱动力的产生示意图

滚动阻力Ff：车轮滚动时，轮胎与路面产生的变形以及轮胎与轮面之间的摩擦、车轮轴承内部的摩擦所形成的阻力，其大小与汽车总质量、轮胎结构和轮胎气压以及路面的性质有关。

空气阻力Fw：汽车行驶时，车身表面与空气相互摩擦，同时车身前部受迎面空气的压力，而尾部出现真空，产生压力差，由此形成的阻力，其大小与汽车的形状、汽车的正投影面积、汽车与空气相对速度的平方成正比，尤其是当汽车速度很高时，空气阻力相当大，将成为汽车行驶的主要阻力。

上坡阻力Fi：汽车上坡时，总重力沿路面方向的分力，其方向与汽车行驶方向相反，其大小决定于汽车总质量和路面的纵向坡度。

驱动力与行驶阻力的关系为：

汽车匀速行驶时，Ft=Ff+Fw+Fi；加速行驶时，Ft>Ff+Fw+Fi；减速行驶或停驶时，Ft<Ff+Fw+Fi。

3）汽车行驶的附着条件

汽车驱动力Ft的大小不仅取决于发动机输出转矩和传动系的结构，还取决于轮胎与路面的附着性能。在平整的干硬路面上，车轮的附着作用是由于轮胎与路面存在着摩擦力，这个摩擦力阻碍车轮的滑动，使车轮能够正常地向前滚动并承受路面的驱动力。如果驱动力大于摩擦力，车轮与路面之间就会发生滑动。

由附着作用所决定的阻碍车轮滑动的力的最大值称为附着力，用FΦ表示，等于车轮所承受的垂直于路面的法向力G和附着系数Φ的乘积。法向力G是汽车总重力分配到驱动轮上的部分，附着系数Φ的大小与轮胎的类型及路面的性质有关。

为使车轮在路面上不打滑，汽车驱动力Ft必须小于或等于附着力FΦ，此即是汽车行驶的附着条件。

（4）汽车底盘整体构造和功用

汽车底盘由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统组成，如图1.3所示。

图1.3　汽车底盘整体构造示意图

汽车传动系统是指从发动机到驱动车轮之间所有动力传递装置的总称，其功用是将发动机的动力传给驱动车轮。不同的汽车，其底盘组成略有不同：载货汽车及部分轿车，其底盘一般是由离合器、手动变速器、万向传动装置、驱动桥等组成；而轿车越来越多地采用自动变速器，其底盘包括自动变速器、万向传动装置和驱动桥等，即用自动变速器取代了离合器和手动变速器；如果是越野汽车（包括SUV），还应包括分动器。

行驶系统的功用是把汽车各个部分连成一个整体，产生驱动力并承受各个方向的力，支撑全车并保证汽车正常行驶。汽车行驶系统一般由车架、悬架、车桥和车轮等组成。

转向系统的功用是保证汽车能够按照驾驶人选定的方向行驶，以适应不同的道路条件。汽车转向系统由带转向盘的转向器、转向传动装置以及助力装置组成。

制动系统的功用是使汽车减速或停车，并保证驾驶员离去后汽车可靠地驻停。汽车制动系统由前轮制动器、后轮制动器以及控制装置、供能装置和传动装置组成。

（5）现代汽车底盘技术的发展方向和趋势

现代电子技术快速发展，它在汽车底盘上的应用也日渐成熟。诸如制动防抱死系统（ABS）、牵引力控制系统（ASR）以及车身稳定控制系统（ESP）等电控安全技术已逐渐成为各型车辆的标准配置，而AT、CVT、DCT等自动变速器，以及电动助力转向系统和电控主动悬架系统等底盘电控技术在车辆上的应用也已非常广泛。这些电控系统对于提升汽车的安全性、动力性、操作稳定性等方面起着非常重要的作用。另外，随着现代通信技术以及汽车CAN总线的应用，电动汽车以及无人驾驶汽车的研究和发展，会带动汽车底盘控制技术向更高层次发展，如今的汽车底盘技术正向线控技术、网络化、集成化等方向发展。

1）汽车底盘线控技术

所谓线控技术，就是用电子信号的传送取代过去由机械、液压或气动系统连接的部分，如换挡连杆、油门拉线、转向器传动机构、刹车油路等。它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。全面线控的实现将意味着汽车由机械系统向电子系统的转变。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，以保证在出现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和动力转向系统一样，在线路故障时仍具有刹车和转向的基本功能。

目前，汽车底盘的线控技术包括线控换挡系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控转向系统等。线控技术具有如下优点：无须使用液压制动或其他任何液压装置，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；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减轻了车身质量。

2）汽车底盘技术的集成化

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。

①ABS/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。

②ABS/ASR/ACC的集成化

ABS/ASR/ACC的集成化是指在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。

③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。

3）汽车底盘技术的网络化

目前汽车上每个总成都是机械、电子和信息一体化装置。电子和信息部分在系统中所起的作用越来越重要，汽车电子装置的增加使汽车电子线路迅速膨胀，线束越来越复杂，给汽车设计、装配、维护中带来了安全隐患、质量增加以及空间布置难等一系列问题。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。基于汽车底盘线控技术的应用以及汽车底盘技术的网络化已成为必然，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数据信息通过一个总的ECU进行集中控制成为急需解决的问题。

目前汽车底盘网络化应用比较成熟的有CAN总线，它是由博世公司提出的CAN标准，最早在欧洲汽车上被广泛采用，后来包括美国、日本汽车行业也使用它作为B级或C级汽车网络。TTP/C和Flex Ray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。