文/赫炎、徐飛 設計/邱洪濤

它是百年汽車工業(yè)的底蘊，它也是汽車革命的底牌。

——它就是底盤

汽車底盤是由傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)四部分組成，主要作用是支撐、安裝汽車發(fā)動機及其各部件、總成，是汽車整體造型的一部分，能夠接收發(fā)動機的動力，使汽車產(chǎn)生運動，保證汽車正常行駛。隨著汽車技術的發(fā)展，特別是“新四化”戰(zhàn)略的實施，現(xiàn)代汽車底盤技術又有了很大的變化，逐漸從傳統(tǒng)底盤向電動底盤和智能底盤發(fā)展。

一、底盤的歷史

汽車底盤是汽車的四大組成部分之一，最早的汽車底盤在設計時僅考慮能量的轉換，以保證汽車正常使用。到了20世紀60年代，由于汽車保有量增加，交通事故頻發(fā)已經(jīng)成為嚴重的社會問題，因此汽車底盤改造了制動裝置，還增加了很多安全裝置。到了20世紀70年代，汽車產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題是能源危機和環(huán)境保護，底盤設計開始考慮如何減少行駛阻力，機械控制和液壓控制成為主要控制方式。20世紀80年代，隨著電子技術的發(fā)展，汽車底盤采用的電子控制技術越來越多。到目前為止，汽車底盤隨著科技發(fā)展，已經(jīng)引進了計算機控制技術，使汽車的安全性、舒適性和環(huán)保性得到極大提升，隨著“新四化”戰(zhàn)略的推動，汽車底盤的電動化、智能化發(fā)展不斷取得新成果。

1、傳動系統(tǒng)

汽車問世之初，多采用后置后驅方式，從發(fā)動機到后輪采用鏈輪和齒輪傳遞動力。1886年，奔馳汽車將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司生產(chǎn)的汽油汽車上，成為CVT技術的鼻祖。1893年，美國杜里埃兄弟在汽車上首次使用干式單片離合器和差速器后橋。1894年，法國本哈特和拉瓦索發(fā)明了世界上第一臺齒輪變速器，成為汽車適應各種路況行駛的主要裝置，承擔起放大發(fā)動機轉矩作用，配合發(fā)動機功扭特性，實現(xiàn)了理想的動力傳遞。1902年，皮爾里斯發(fā)明了汽車萬向節(jié)。1913年，美國派克特汽車推廣應用螺旋錐齒輪主減速器后橋。1928年，派克特汽車在后橋上采用雙曲線齒輪主減速器，凱迪拉克轎車采用帶同步器的變速器。1948年，別克轎車采用與行星齒輪機構組成一體的液力變矩器（現(xiàn)代液力自動變速器原型）。

2、行駛系統(tǒng)

早期汽車的懸架結構還不完善，使用的木制或鐵制車輪，雖然當時汽車行駛的速度不高，但是由于路面條件不好，汽車顛簸厲害，駕乘體驗并不好。橡膠輪胎的誕生成為汽車進一步發(fā)展的先決條件。

1834年，橡膠之父查爾斯·固特異受焦炭煉鋼啟發(fā)，開始進行軟橡膠硬化試驗，經(jīng)過無數(shù)次試驗，發(fā)現(xiàn)了硬化橡膠，從此橡膠輪胎制造業(yè)應運而生。1845年，英國羅伯特·湯姆發(fā)明了空心輪子。1888年，約翰·鄧祿普制成了橡膠空心輪胎，隨后托馬斯又制造了帶有氣門開關的橡膠空心輪胎。1895年，首批汽車輪胎在法國出現(xiàn)，是由平紋帆布制成的單管式輪胎，但有膠面無花紋。1908～1912年，輪胎有了顯著變化，胎面上有了提高使用性能的花紋，并增加了斷面寬度，允許采用較低內(nèi)壓，以保證獲得較好的緩沖性能。1911年，美國哈德門輪胎和橡膠制品公司推出了成套的內(nèi)外胎，即橡膠和織物構成的外胎以及橡膠的內(nèi)胎，充氣輪胎取得了完全成功，汽車穿上了現(xiàn)代化的“鞋子”。1913～1926年，簾線和炭黑技術應用于輪胎，為輪胎工業(yè)發(fā)展奠定了基礎；同時，輪胎外緣實現(xiàn)標準化，制造工藝逐漸完善，生產(chǎn)速度明顯提高。20世紀20～30年代中期，乘用車輪胎由低壓過渡到超低壓；40年代，輪胎逐步向寬輪輞過渡。1948年，法國米其林公司首創(chuàng)了子午線結構輪胎，使輪胎使用壽命和性能顯著提高，被譽為輪胎工業(yè)的革命；同年，美國古德奇公司發(fā)明了無內(nèi)胎輪胎。20世紀50年代末，低斷面輪胎問世。汽車輪胎向著子午化、無內(nèi)胎和扁平化發(fā)展。

除了輪胎，工程師們一直都在探索如何能更好地提升懸架系統(tǒng)的性能。早期汽車采用的是馬車彈簧鋼板，也就是鋼板彈簧非獨立懸架。1900年，美國人哈德福研制成了第一個汽車減振器，應用在奧茲莫比轎車上。1921年，英國利蘭德汽車公司生產(chǎn)出第一輛使用扭桿彈簧懸架的汽車。1933年，美國費爾斯通公司研制成功第一個實用的空氣彈簧懸架；同年，門羅公司為赫德森轎車研制了雙向筒液壓減振器，而且直到今天都沒有很多變化。1934年，通用汽車產(chǎn)品采用前螺旋彈簧獨立懸架。1938年，別克汽車將螺旋彈簧應用到汽車后懸架上。1950年，福特汽車的麥弗遜研發(fā)成功麥弗遜式獨立懸架，成為乘用車上應用較多的懸架形式。1984年，林肯大陸轎車采用可調整的空氣懸架系統(tǒng)，電動懸架從此開始在汽車上得到應用。

3、轉向系統(tǒng)

轉向系統(tǒng)是實現(xiàn)駕駛員駕駛車輛行駛方向的機械系統(tǒng)。在汽車發(fā)明者奔馳的三輪汽車上最先使用的是所謂的齒輪齒條轉向器，僅靠著一根操縱桿控制，就像小船的舵桿一樣。1908年，福特汽車的T型汽車采用了行星齒輪轉向器。1923年，美國馬爾斯采用滾珠蝸桿轉向器，也就是最早的循環(huán)球式轉向器。1928年，美國戴維斯采用了液壓動力轉向器，但直到26年后的1954年才真正被汽車工業(yè)采納，動力轉向器才應用在大型轎車上。1966年，美國轎車開始采用可伸縮轉向柱。隨著電子技術在汽車行業(yè)廣泛應用，轉向系統(tǒng)也越來越多采用電子器件，出現(xiàn)了電液助力轉向器。雖然電液助力轉向器克服了液壓助力轉向器的缺點，但是結構復雜，成本增加，可靠性下降。為了規(guī)避電液助力轉向器的缺點，電動助力轉向系統(tǒng)應運而生。原液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的轉向助力由電動機替代完成。1988年，鈴木汽車首次在其Cervo車上，配置了電動助力轉向系統(tǒng)，逐漸得到消費者認可，成為轉向系統(tǒng)發(fā)展的方向。

4、制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)自汽車誕生，就一直扮演著至關重要的角色。隨著汽車技術進步和行駛速度逐步提高，其重要性越來越明顯，也是廣大汽車工程師傾注大量心血的領域。最初的制動系統(tǒng)采用與馬車相同的摩擦墊壓緊車輪的制動器，而且只安裝在后輪上。1889年，戴姆勒汽車將制動鼓安裝在后輪上，再繞上鋼纜，形成了真正意義上的制動器。1902年，英國蘭切斯特取得了盤式制動器專利；同年，美國奧茲發(fā)明了鋼帶與制動鼓式制動器，得到了許多汽車的應用。1903年，美國廷切爾汽車開始采用氣壓制動器。1907年，英國弗羅特發(fā)明了石棉制動蹄片。1918年，英國洛克希德發(fā)明了液壓鼓式制動器。1921年，杜森博格汽車首先在四個輪子上安裝了液壓制動器。1924年，克萊斯勒的四輪液壓制動器問世。1928年，皮爾斯·阿羅汽車首先應用了真控制力制動器。1932年，凱迪拉克V16汽車采用了直徑419.1mm的鼓式制動器；同年，林肯汽車的V12轎車采用通過四根軟索控制真空加力器的鼓式制動器。1934年，通用汽車采用了液壓制動技術。1936年，博世公司申請了一項電液控制的防抱死制動裝置ABS電液控制專利。1939年，福特汽車采用了液壓制動技術。但直到20世紀50年代，液壓助力制動器才誕生。1969年，福特汽車開始應用真空助力的防抱死制動系統(tǒng)ABS。1971年，克萊斯勒汽車采用了四輪電子控制的防抱死制動系統(tǒng)。1979年，默·奔馳發(fā)明了一種性能可靠、帶有獨立液壓助力器的全數(shù)字電子控制系統(tǒng)的防抱死制動系統(tǒng)。1985年，美國開發(fā)出帶有數(shù)字顯示微處理器、復合主缸、液壓制動助力器、電磁閥和執(zhí)行器一體化的防抱死制動系統(tǒng)。各國紛紛制定法律，促進防抱死制動系統(tǒng)的應用，現(xiàn)在ABS已成為汽車的標準裝備。

二、傳統(tǒng)底盤

傳動系統(tǒng)主要由離合器、變速器、傳動軸、主減速器、差速器和半軸組成，主要功能是將發(fā)動機輸出的動力傳送到驅動輪。傳動系統(tǒng)的布置形式與發(fā)動機的位置和驅動形式有關，一般分為前置前驅、前置后驅、后置后驅、中置后驅和四驅等多種形式。

行駛系統(tǒng)由車架、車橋、車輪和懸架組成。主要功能包括：接受發(fā)動機經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞的轉矩，并通過驅動輪與路面的附著力，驅動車輛正常行駛；傳遞并承受路面作用于車輪上的各種反力和汽車所形成的力矩；緩沖不平路面對車身的沖擊和振動，保證車輛平順行駛；與轉向系統(tǒng)協(xié)調配合，實現(xiàn)正確控制車輛行駛方向，保證車輛操縱穩(wěn)定性。

車架一般由兩根縱梁和數(shù)根橫梁組成，由懸架、前后橋支撐在車輪上，用于支撐、連接各總成，并保持相對正確的位置，承受車內(nèi)外的各種載荷，可分為邊梁式、中梁式和綜合式（前部邊梁式，后部中梁式），其中邊梁式應用最廣泛。

車橋又稱車軸，通過懸架與車架（或承載式車身）相連接，兩端安裝車輪，起到傳遞車架（或承載式車身）與車輪之間各方向的作用力和力矩。按照結構分為整體式和斷開式；按照車輪的作用又分為轉向橋、驅動橋、轉向驅動橋和支持橋四種，轉向橋和支持橋屬于從動橋。轉向橋由前軸、轉向節(jié)、主銷和輪轂等組成，驅動橋由主減速器、差速器、半軸和橋殼等組成。大部分乘用車采用前置前驅形式，前橋為轉向驅動橋，后橋為支持橋；部分車輛采用前置后驅形式，前橋為轉向橋，后橋為驅動橋。

車輪是固定內(nèi)緣、支持輪胎并與輪胎共同承受負荷的剛性輪，一般由輪轂和輪輻組成。按照構造分為輻板式車輪和輻條式車輪，按照材質分為鋼制、鋁合金和鎂合金等。

懸架是汽車車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱，主要是傳遞車輪與車身之間的一切力和力矩，并且緩和由不平路面?zhèn)鬟f給車身的沖擊載荷、衰減由此引起的振動，保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動載荷。典型的懸架系統(tǒng)主要包括彈性元件（彈簧等）、減振器和導向機構（連桿等），分別起到緩沖、減振和傳遞作用。其中，彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧和扭桿彈簧等不同形式?，F(xiàn)代轎車的懸架系統(tǒng)多采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，部分高級轎車采用空氣彈簧。懸架可分為獨立懸架和非獨立懸架，獨立懸架左右兩車輪間沒有剛性連接，每一側的車輪懸架部件全部都與車身相連，非獨立懸架的兩個車輪間不是相互獨立，有剛性連接。在結構方面，由于獨立懸架車輪間不相互干涉，舒適性和操控性較好，非獨立懸架結構簡單，具有更好的剛性和通過性。此外，根據(jù)結構還可分為麥弗遜式、雙叉臂式、扭轉梁式和多連桿式等，大部分乘用車前懸架均采用獨立是的麥弗遜懸架，后懸架多采用扭轉梁式或多連桿式。

轉向系統(tǒng)是改變或保持車輛行駛或倒退方向的一系列裝置，功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。按照動力來源，分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)。機械轉向系統(tǒng)是以駕駛員的體力作為轉向動力，所有傳力件均為機械的，有轉向操縱機構、轉向器和轉向機構組成。動力轉向系統(tǒng)是以駕駛員體力和發(fā)動機動力為兼用轉向動力的轉向系統(tǒng)。正常情況下，汽車轉向所需的能量只有一小部分由駕駛員提供，大部分由發(fā)動機通過動力轉向裝置提供。但在動力轉向裝置失效時，還得由駕駛員獨立承擔轉向任務。

制動系統(tǒng)是可以強制降低汽車行駛速度的一系列專門裝置，主要由供能裝置、控制裝置、傳動裝置和制動器四部分組成，常見的制動器主要有鼓式制動器和盤式制動器。鼓式制動器主要包括制動輪缸、制動蹄、制動鼓、摩擦片和回位彈簧等，工作原理是通過液壓裝置使摩擦片與隨車輪轉動的制動鼓內(nèi)側面發(fā)生摩擦，起到制動效果。盤式制動器主要由制動盤、制動鉗、摩擦片、分泵和油管等組成，主要是通過液壓系統(tǒng)把壓力施加到制動鉗上，使制動摩擦片與隨車輪轉動的制動盤發(fā)生摩擦，達到制動的目的。

三、電動化底盤

近年，隨著汽車技術迅猛發(fā)展，特別是“新四化”戰(zhàn)略實施以來，通過對新技術、新材料和新工藝的應用，汽車底盤的舒適性、安全性、穩(wěn)定性、平順性等性能不斷提高，但同時也給底盤技術提升和發(fā)展提供了廣闊的空間。

新能源汽車由于其三大元件與傳統(tǒng)汽車差別很大，因此其設計思路也就不同。新能源汽車除了在動力系統(tǒng)、電子電器架構方面快速演進外，汽車底盤正在向新的發(fā)展趨勢變革。

目前，新能源汽車底盤設計有兩種途徑，一種是由傳統(tǒng)燃油汽車底盤改裝設計，在沿用原有設計的基礎上，根據(jù)需要進行部分修改設計。這種設計途徑開發(fā)難度較小，開發(fā)成本相對較低，開發(fā)周期也比較短，可以與傳統(tǒng)燃油汽車共用平臺，部分零部件能夠通用。但同時，在設計過程中受到的限制也比較多，總體布局的難度相對較大，模塊集成化較低。另外一種途徑就是構建新能源汽車專用平臺進行開發(fā)。這樣就沒有燃油汽車共用方面的限制，專用底盤的設計可以更優(yōu)化，集成化程度更高，性能也會更優(yōu)越。目前，造車新勢力企業(yè)都在構建專用新能源汽車底盤平臺。

新能源汽車的動力來自動力電池系統(tǒng)，動力在傳遞過程中不像傳統(tǒng)燃油汽車必須經(jīng)過離合器和變速器，而是直接經(jīng)傳動軸傳遞到主減速器，甚至直接布置在前后軸直接驅動。這樣的結構提升了傳動效率，還使底盤質量減輕。此外，如果電機前后布置，既有利于動力均勻分配，還有利于充分利用空間。但也要考慮新能源汽車的電機控制更加復雜。

全新設計的新能源汽車設計開發(fā)思路與傳統(tǒng)燃油汽車明顯不同。在安全方面，傳統(tǒng)燃油汽車的整車安全主要圍繞乘員艙進行，而新能源汽車從設計之初，除了要考慮乘員艙的安全，還要考慮車身對動力電池系統(tǒng)的安全保護作用。因此，新能源汽車平臺正向研發(fā)是以乘員艙和動力電池兩方面為核心進行。在整體布置中，要注意電池組與駕乘者分離布置，既增強對駕乘人員的安全保護，也有利于駕乘人員的舒適性。

在新能源汽車上，由于電池組的總質量一般約占整車總質量的30%，其它結構占70%。因此，底盤輕量化成為提高整車性能和動力電池效率的關鍵因素之一。底盤輕量化主要通過采用新工藝和新材料來實現(xiàn)。尤其是在新材料的應用方面，主要包括高強度鋼、鎂鋁合金、鋁合金和碳纖維復合材料，能有效降低底盤質量，提升整體強度。

四、智能化底盤

智能汽車具有區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的感知識別、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行的核心特性，其中與底盤相關的主要是控制執(zhí)行這一特性。因此，實現(xiàn)汽車智能化，僅靠傳統(tǒng)底盤的機械結構已不可能，電子線控技術的應用成為實現(xiàn)智能化的關鍵。

線控就是用電子信號的傳送取代過去由機械、液壓或氣動的系統(tǒng)連接部分，如換檔連桿、油門拉線、轉向器傳動機構、制動油路等。它不僅是取代連接，而且包括操縱機構和操縱方式的變化，以及執(zhí)行機構的電氣化，將改變汽車的傳統(tǒng)結構。全面線控的實現(xiàn)意味著汽車由機械到電子系統(tǒng)的轉變。線控技術要求網(wǎng)絡的實時性好、可靠性高，而且一些線控部分要求功能實現(xiàn)的冗余，以保證在一定的故障時仍可實現(xiàn)這個裝置的基本功能。就像現(xiàn)在的ABS和動力轉向一樣，在線路故障時仍具有制動和轉向的基本功能，這就要求用線控的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速度高、時間特性好和可靠性高。

目前，汽車底盤的線控技術包括線控換檔系統(tǒng)、制動系統(tǒng)（如電液制動系統(tǒng)EHB，電子機械制動系統(tǒng)EMB）、懸架系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、油門系統(tǒng)和轉向系統(tǒng)等。線控技術優(yōu)點包括：無需使用液壓制動或其它任何液壓裝置，使汽車更為環(huán)保；減小了正面碰撞時的潛在危險性，并為汽車設計提供了更多空間；線控的靈活性使汽車設計、工程制造和生產(chǎn)過程中的成本大為降低，且降低了維護要求和車身質量。

現(xiàn)代汽車底盤電子控制系統(tǒng)正從最初單一控制發(fā)展到如今的多變量多目標綜合協(xié)調控制，這樣可以在硬件上共用傳感器、控制器件、線路，使零件數(shù)量減少，從而進一步減少連接點，提高可靠性，在軟件上實現(xiàn)信息融合、集中控制，提高和擴展各自的單獨控制功能。

在汽車各系統(tǒng)中，電子和信息部分所起的作用也越來越重要，汽車電子裝置的增加使連接的電子線路迅速膨脹，線束越來越復雜。線路接頭的增加引起安全隱患，線路的質量和占用空間也是值得考慮的問題，質量增加意味著降低效率。線路體積（直徑）太大，在相對運動的部分之間過線非常困難，所以，在電子裝置不斷增加的情況下，減少線束成為必須解決的問題。而傳統(tǒng)點到點平行連接方式顯然無法擺脫這種困境，而基于串行通信傳輸?shù)木W(wǎng)絡結構成為一種必然的選擇?；谄嚨妆P的電子化技術、線控技術的應用、汽車底盤的網(wǎng)絡化技術成為必然。由此，CAN總線、以太網(wǎng)、藍牙等技術已成為實現(xiàn)汽車底盤的各種電子設備的傳感器、執(zhí)行機構、ECU等之間傳遞數(shù)據(jù)和信息的技術領域。

寫在最后

承載、傳遞，無論時代如何變化，汽車底盤的功能不會改變。底盤承載著汽車工業(yè)的底蘊，始終是汽車工業(yè)忠實的記錄者。底盤傳遞著新時代的汽車夢想，堅定地引領行業(yè)駛向未來。