01、什么是線控底盤

2022年真的是魔幻的一年，繼陽臺種菜、吃綠化帶之后，騎行居然也開始“堵車”了。而騎過自行車的朋友應該都清楚，加速、剎車、轉向靠的全是那一腔熱血、滿身激情。而當熱血冷卻，激情褪去，只留下肉體與機械碰撞的無情。以剎車過程為例，通過五指緊握車閘、車閘拉緊鋼絲、帶動橡膠摩擦片夾緊車輪，自行車最終在摩擦力的作用下消停冷靜，這個過程是典型的力大出奇跡。 ? 而汽車在誕生之初，其制動、轉向等方面原理和自行車差不多，都是單純地利用機械方式傳遞能量。但是汽車質量遠大于自行車，雖然有一些類似杠桿一樣的省力機構，但汽車一次緊急制動和轉向還是需要消耗駕駛員半碗米飯的力氣。 ? 且隨著汽車速度越來越快，這種全靠駕駛員麒麟臂和金華火腿的操作方式，對駕駛員的要求太高，制動轉向的效果及安全性很難得到保證。有鑒于此，汽車轉向、制動等系統開始出現了一些助力方式，有真空助力，有液壓助力，有電動助力，并最終發展成為今天常見的機械液壓制動、電動助力轉向等。 ? 但是天有不測風云，電動汽車興起并開始圈地賽馬。電動汽車不僅革了發動機的命，順帶也革了機械液壓制動的命。機械液壓制動中的真空助力器原本是利用發動機進氣歧管的負壓來提供助力，現在好兄弟倒下了，自己還得生存，回去理個發，重頭再來了。

? 舞臺這邊電動汽車的狂歡還沒有結束，另一邊的自動駕駛已經開始搭臺唱戲，且演員規模和知名度明顯要略勝一籌。自動駕駛更加囂張跋扈，直接對制動和轉向這哥倆說："以后不能只聽制動踏板和方向盤的話了，我手底下域控制器的話你們也要聽"。 ? 在電動化和智能化的雙重影響下，線控底盤的概念開始大火。所謂線控，是指通過傳感器采集駕駛員的制動或轉向等意圖，并由控制單元綜合決策后，將控制指令以電信號的形式輸入給最終的執行機構。線控，用不太準確的語言描述就是：用電線替代了傳統的機械液壓連接。 ? 線控底盤主要包括五大核心系統：線控油門、線控換擋、線控懸架、線控轉向、線控制動。 ? 線控油門和線控換擋因技術發展較早，已經在主機廠得到廣泛應用。其中，線控油門的滲透率基本上接近100%，市場已經飽和。線控換擋目前的滲透率約25%，但隨著智能化相關功能配置率的提升，滲透率也會同步快速提升。 ? 線控懸架因成本較高，目前滲透率不足3%。最早主要搭載在海外豪華品牌車型上，后逐步在合資品牌車輛中有所應用，近幾年國內自主高端品牌如蔚來、理想、極氪、嵐圖等也逐步開始搭載，滲透率處于緩慢提升的階段。 ? 相對而言，線控制動和線控轉向因起步較晚，且技術門檻高，目前滲透率亦處于低位。不過這兩類子系統是汽車電動化、智能化發展的關鍵，也是必須攻克的核心技術。兩者之中，線控制動又被譽為線控底盤的璀璨明珠。 ? ?

02、線控制動，一位忠于自動駕駛且身手敏捷的“保鏢”

線控底盤已經和自動駕駛成了親家，我也就不能繼續視而不見，故決定開設線控底盤專欄，重拾那些青春的記憶碎片。第一篇，就從相愛相殺過的線控制動回憶起。 ?

什么是線控制動

線控修飾的是制動，欲知線控須先講制動。汽車制動系統的作用無需贅言：（1）可以讓行駛中的汽車以適當的減速度減速行駛直至停車；（2）可以讓下坡行駛的汽車保持適當的穩定車速；（3）可以讓靜止的汽車可靠地停在原地或坡道上。 ? 按照上述作用來劃分，汽車制動系統主要分為駐車制動系統（實現第三條作用）和行車制動系統（實現前兩條作用）。駐車制動系統的江湖已被電子手剎(Electrical Park Brake，EPB)所統一，短時間內估計無人能撼動其地位。行車制動系統就比較熱鬧，電動化和智能化口號沒喊之前，機械液壓制動系統處于絕對的統治地位，占據大概99%的乘用車市場份額。而電動化和智能化口號開始吶喊之后，線控制動系統登上舞臺，如今已經被確立為行車制動江湖中的下一任盟主。 ? 線控制動系統按照結構的不同，又可分為電子液壓制動(Electro-Hydraulic Brake，EHB)系統和電子機械制動(Electro-Mechanical Brake，EMB)系統兩類。下面我們展開介紹上文提到的幾種制動系統的工作原理及優缺點。 ? 一、機械液壓制動系統 ? 一個典型的純機械液壓制動系統主要由制動踏板、真空助力器、制動主缸、制動輪缸等組成，如下圖所示。 ?

（圖片來源：https://www.xinjianglink.com/index.php/sjzj/5255.html） ? 這其中的定海神針非真空助力器莫屬，真空助力器位于制動踏板的后方，通過膜片隔出兩個腔，前腔連接標準大氣壓(0.101MPa)，后腔連接發送機進氣歧管的負壓(0.05～0.07MPa)。作用就是通過前后腔的氣壓差，來將制動踏板的輸入力放大，從而實現以小博大、杠桿撬起地球的效果。寫到這塊不禁產生了一絲感嘆，推動汽車百年文明發展的不就是這些看似平平無奇，但又巧奪天工的發明嗎！ ? 如下圖所示，制動過程中，駕駛員踩下制動踏板，在真空助力器的作用下，推動制動主缸里的活塞移動，并將液壓力通過制動管路傳遞給各制動輪缸，進而驅動摩擦片壓向制動盤。在液壓壓強一定的情況下，由于制動輪缸受力面積大，由壓力=壓強x受力面積可知，其表面將產生足夠大的制動壓力。 ?

（圖片來源：https://www.xchuxing.com/article/48019） ? 當然，現在機械液壓制動系統一般還會通過增加傳感器、控制器、制動壓力調節器等部件來實現常用的ABS/ESP的功能。 ?

二、電子液壓制動系統

? 但是汽車的電動化打破了這一平衡，電動汽車由于沒有發動機，機械液壓制動系統中的真空助力器便沒有了負壓的源頭。如果繼續采用真空助力器，那么就必須額外增加一套電子真空泵(Electronic Vacuum Pump，EVP)，來提供真空助力器的負壓。這對成本、體積、重量三重敏感的乘用車主機廠來說，簡直是個噩耗。 ? 同時為了提高電動汽車的續航里程，工程師無所不用其極，制動系統也未能幸免于難。燃油車時代，工程師只能眼見制動能量通過摩擦發熱浪費掉，有一種眼看他起高樓、眼看他宴賓客、眼看他樓塌了的無可奈何。但是到了電動車時代，制動減速時可以通過反拖電機來進行能量回收，做到發電減速兩不誤。 ? 另一方面，輔助駕駛和自動駕駛抱著解放人類雙手雙腳的偉大理想而奮發前進，而其理想得以實現的前提條件之一就是需要有一套制動系統不僅可以聽制動踏板的差遣，也可以隨時聽候智駕域控制器的指揮，也就是制動系統需要具有主動制動的能力。 ? 而在主動制動的時候，L3~L5級別的自動駕駛具有一個無情的計算大腦，時刻在根據感知到的外界環境的變化，做出精準的決策規劃，如果這時執行機構不能及時精準的響應，則會表現一種手腳不聽使喚的癥狀。所以為了達到和自動駕駛大腦的高度協同，還要求制動系統這只腳具有更快速的響應和更精準的走位。 ? 在這樣的背景下，傳統巨頭Tier1都開始了下一代制動系統的布局和研發，以便可以在未來幾十年時間繼續在自己的強勢領域收割一茬茬新的韭菜，坐享漁翁之利。傳統巨頭Tier1也不負眾望，經過最近這十來年的努力，均有了EHB的量產產品。如Bosch的IPB、ZF TRW的IBC、Continental的MK C1、日立的E-ACT等。 ? EHB系統是電控+液壓制動的混合體，目前各家方案略有不同，包括制動踏板是部分解耦還是完全解耦，助力方式是高壓蓄能器間接型還是純電機直接型。但是制動原理基本一致，都是在駕駛員踩下制動踏板后，踏板傳感器將力和位移信號轉化為電信號送入電控單元。電控單元結合整車其他信息，計算出需要的助力大小，并利用助力機構施加助力，產生和真空助力器相同的功能。 ? 同時會計算模擬一個反饋力給到剎車踏板，用以模擬駕駛員真實的制動效果。部分廠家EHB產品還保留了傳統的機械液壓制動系統以實現安全冗余。在EHB系統失效時，駕駛員可通過大力踩剎車進入傳統機械液壓制動模式。 ? Bosch在線控制動領域毫無意外的又充當了無情的超級韭菜收割機，根據華經產研數據，2020年博世占全球線控制動產品份額65%以上，大陸、采埃孚分別為23%、8%。在Bosch線控產品矩陣里，ibooster+ESP的Two-box方案應用最廣。2016年發布的二代產品可以實現在150毫秒（機械液壓制動：300~500ms）內傳導制動壓力、100%制動能量回收，同時ibooster與ESP還互為制動冗余。 ? 2020年Bosch量產了集ESP+ibooster一體的One-box產品IPB，體積更小、成本更低。配合其RBU（Redundant Brake Unit，剎車冗余），最高支持L4自動駕駛。如此一來，Bosch便完成iBooster在L2，IPB在L3/L4的完整線控制動布局，國內廠商的突圍之路依舊任重而道遠。 ?

（Bosch IPB，圖片來源：https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/solutions/driving-safety/integrated-power-brake/）

? 三、電子機械制動系統

? EHB系統其實不能算是嚴格意義上的線控制動系統，它僅是將制動踏板與助力器之間的機械連接替換為電信號連接，但是助力器到輪邊制動執行機構之間制動力傳遞依舊是傳統的液壓方案。而嚴格意義上的線控制動系統，是指制動踏板到輪邊制動執行機構之間全部由電信號連接，這也就是制動系統領域的璀璨明珠——EMB系統。 ? EMB系統的一種典型裝車方案如下圖所示。主要包括模擬電子踏板，四套（兩兩互為冗余）EMB機械執行機構、四個輪速傳感器、兩個控制單元（ECU，互為冗余）及兩套供電系統等組成，部件之間通過 CAN 總線或其他時間敏感型網絡通信。 ?

? 模擬電子踏板一方面采集制動踏板被踩下的力信號和位移信號，發送給ECU；另一方面提供一定的反饋力給駕駛員，以模擬真實的路感。 ? EMB機械執行機構是整個EMB系統的機械核心部分，每一套機械執行機構都包括自己的動力驅動機構（電機）、減速增力機構（力放大）、運動轉換機構（旋轉運動轉直線運動）、制動鉗體、制動墊塊等組成。 ? EUC是整個EMB系統的控制核心部分，EMB系統的整體性能直接取決于控制單元中算法性能的好壞。 ? 制動過程中，駕駛員踩下模擬電子踏板，ECU通過分析各路傳感器信號，并根據車輛當前行駛狀態以及路面狀態計算出每個車輪制動時不抱死所需的最佳制動力，并發出相應的控制信號給電機控制器，電機產生的力矩經過減速增力機構以及運動轉換機構后，將最終的制動力矩施加在制動盤上。 ? 在這套方案中，每個車輪處都安裝有一套可獨立控制的 EMB機械執行機構。通常前輪的兩個EMB機械執行機構和后輪的兩個EMB機械執行機構各有一套獨立的供電系統和控制單元。這樣可以保證在一套供電系統或控制單元失效時，另一套供電系統或控制單元仍可完成基本的制動功能，以防止危險事故地發生。同時兩個控制單元之間可以通過CAN總線網絡實現及時相互通信，實現故障診斷功能。 ?

EMB系統優勢及應用前景

? EMB作為制動領域人人都追逐的“鐵王座”，與傳統液壓制動系統相比，EMB系統具有如下優勢： ? （1）EMB系統去掉了冗雜的液壓管路及液壓元件，降低了車輛整備質量；機械連接少，結構簡單，布置方便；采用模塊化結構，易于裝配與維修。 ? （2）EMB系統可以與汽車其它電控系統共享輪速傳感器、ECU等硬件。因此，通過修改 ECU中的軟件程序，易于實現 ABS、TCS（牽引力控制系統）、ESP（電子穩定性程序）等復雜電控功能。并且易于匹配安裝有制動能量回收系統的電動汽車。 ? （3）EMB系統采用電信號傳遞控制信號以及能量，因此響應迅速，加上其機械執行機構反應靈敏，EMB系統能極大地提高車輛的制動效能。 ? （4）EMB系統采用的模擬電子踏板，能有效避免ABS介入時的打腳現象。 ? （5）EMB系統中沒有制動液，避免了因制動液泄漏而帶來的環境污染問題。 ? 然而，在EMB系統的應用道路上，還存在著一些亟需克服的難題： ? （1）由于車載電子設備的增加，汽車電力系統已趨于飽和，而EMB系統的原理決定了其制動力地產生需要消耗大量的電能，目前車載12V電源已無法滿足EMB系統的需要。因此，車載48V電源的技術成為 EMB系統應用的關鍵。 ? （2）在制動過程中，EMB執行機構的驅動電機需要工作在大電流堵轉狀態下，并且需要在各種惡劣工況下安全可靠地提供制動力矩，這對電機的設計、制造、控制來說是一個巨大的挑戰。 ? （3）從現有專利中公布的EMB系統機械執行機構來看，大都機械零件繁多，結構復雜。如何設計一款結構簡單緊湊、體積小巧并能有效可靠地傳遞足夠大的制動力矩的EMB機械執行機構，是EMB系統應用的關鍵。 ? （4）隨著高性能電機、ECU、傳感器等各種硬件設備地增加，整車成本勢必提高。如何降低EMB系統成本，成為EMB系統應用道路上不能忽視的問題。 ? 由以上我們可以看出，汽車EMB系統雖然有著廣闊的應用前景以及傳統液壓制動系統無法企及的優勢，但是其自身也面臨著一些亟需解決的問題。只有解決了一些制約EMB系統發展的關鍵性問題，EMB系統的應用道路才能越走越遠。 ?

寫在最后

? 國內可以提供L4自動駕駛解放方案的公司不能說多如牛毛，但也稱得上遍地開花；國內可以提供線控制動解決方案的公司不能說九牛一毛，但也稱得上屈指可數。既然線控制動是未來自動駕駛的剛需，國內為何很少有初創公司立志攻破此機電產品壁壘？而大都選擇了輕裝上陣的提供代碼解決方案？ ? 無論以后汽車上有幾億行代碼，無論汽車被賦予什么的功能屬性，這一切的基礎都是組成汽車的那一萬多個零件。歷史也證明，供應商無論在哪一個零件上掌握點核心技術，不會讓你大富大貴，但足以保證小康水平。百年汽車，要想玩的明白，還是需要一點沉淀，一點耐心的。 ? ?

03

線控制動，一位忠于自動駕駛且身手敏捷的“保鏢”

接下來，我就來挖掘下線控轉向系統的花邊新聞，科普一下內卷同事的硬核知識。

傳統轉向系統

汽車轉向系統在各大學《汽車構造》這本書中的定義大致如下：用來改變或者恢復汽車行駛方向的專設機構，保證汽車能按駕駛員的意愿進行直線或轉向行駛。但在輔助駕駛和自動駕駛入侵后，后半句可能要改成“保證汽車能按駕駛員的意愿或智駕域控制器的意愿進行直線或轉向行駛”。 ? 汽車轉向系統也如汽車制動系統一樣，做大做強之后開始招聘行政秘書來分擔日常工作，行政秘書的要求也由踏實穩重變成機靈活潑。基于這個套路，經過上百年的緩慢演進，汽車轉向系統由無助力的機械轉向系統（MS）逐漸發展出有助力的機械液壓助力轉向系統（HPS，Hydraulic Power Steering）、電液助力轉向系統（EHPS，Electro Hydraulic Power Steering）和電動助力轉向系統（EPS，Electric Power Steering）三種動力轉向系統。 ? MS已經功成身退，但它的原理永遠回蕩在車輛工程專業的課堂中，它的優秀代表也順利進入大小汽車博物館供后人參觀。HPS、EHPS、EPS作為動力轉系統的三杰，因各有千秋，截至當前，誰都沒能消滅誰，一同活躍在各自合適的舞臺。HPS和EHPS由于動力十足、價格低廉，一同統治著商用車的江山。EPS由于體積小、耗電少、輕便靈活，是乘用車市場的土皇帝。 ? 下文我們逐一對上述四種汽車轉向系統做一個簡單介紹。 ?

一、機械轉向系統（MS）

? MS可以稱得上是汽車轉向帝國的開國將軍，在20世紀50年代動力轉向系統成熟之前，一直承擔著汽車帝國的開疆拓土。在MS中，轉向輪所需要的力必須全部由駕駛員通過轉動方向盤來提供，中間所有傳遞力的構件都是機械的。 ? 下圖是古董級的紅旗CA7220橋車上的機械轉向系統，是大學《汽車構造》課本里的常駐嘉賓，雖說僅代表一種機械轉向系統結構，但對理解轉向系統的工作原理足矣。由下圖看出，MS主要由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。 ?

(圖片來源網絡) ? （1）轉向操縱機構。和駕駛員接觸最親密的部分，主要由方向盤、轉向軸、轉向管柱等組成，主要作用是將駕駛員轉動方向盤的力傳遞給轉向器。 ? （2）轉向器。將轉向操縱機構傳遞過來的旋轉運動轉換為直線運動，同時承擔著減速增扭的作用。轉向器的結構五花八門，經典結構有齒輪齒條式、循環球式和蝸桿滾輪式，哥仨占據轉向器市場90%以上的份額。 ? 我就拿最簡單的齒輪齒條式轉向器舉例，來簡單說明下轉向器的原理。如下圖所示，轉向操作機構帶動上面齒輪旋轉，上面旋轉齒輪帶動下面齒條左右移動，就是這么一個簡單原理。雖看著賊簡單，但針對某一款車進行齒輪齒條轉向器參數設計，可是車輛工程專業本科畢業設計繞不過去的難題。 ?

(圖片來源網絡) ? （3）轉向傳動機構。轉向傳動機構主要包括轉向橫拉桿、轉向節臂等組成，作用是將轉向器輸出的力和運動傳到轉向橋兩側的轉向節，驅動兩側轉向輪偏轉，且使兩個轉向輪偏轉角按一定關系變化，以保證汽車轉向時車輪與地面的相對滑動盡可能小。 ? MS飽受詬病的最大缺點就是費力，而且路況越復雜，轉向越費力，這可能也是那個年代女司機非常少的原因之一。 ?

二、機械液壓助力轉向系統（HPS）

? HPS是最早被應用的動力轉向系統，誕生于1902年，比第一輛汽車發明的時間1886年，僅晚了十幾年，由此可見，省力的訴求自汽車誕生之初便被提了出來。但直到1951年，克萊斯勒才將驗證充分、成熟可靠的HPS作為選配裝置裝配在其Imperial車系上。半個世紀的打磨，一代汽車人青絲變白發。 ? HPS在MS的基礎上主要增加液壓助力泵、油壺等助力裝置，其中液壓助力泵直接與發動機輸出相連。在轉向過程中，發動機會輸出部分動力驅動助力泵給液壓油加壓，再由液壓油將動力傳遞給轉向助力裝置，為駕駛員提供助力。這與機械液壓制動利用發動機進氣歧管的負壓有異曲同工之妙，難怪發動機被稱為汽車的“心臟”，轉向、制動全與其息息相關。

(圖片來源網絡) ? 優點：方向盤與轉向輪之間全部機械連接，不僅操控精準、而且路感反饋清晰；轉向助力的動力源頭為發動機，因此可以利用的轉向動力澎湃且源源不斷；技術成熟，可靠性高，即使助力系統失效，轉向系統依然可以依靠機械連接進行無助力轉向。難怪即使在今天，還是商用車領域的“寵兒”。 ? 缺點：只要發動機啟動，無論車是否轉向，發動機都帶著液壓助力泵玩，做了很多無用功，整體能耗較高；復雜的液壓管路結構、繁多的油液控制閥門，導致整體結構比較復雜，裝配空間要求較大；整套油路經常保持高壓狀態，壽命會受到影響，且存在液壓油泄漏而污染環境的風險。 ?

三、電液助力轉向系統（EHPS）

? EHPS是基于HPS升級而來，基本轉向原理類似于HPS，主要升級的是HPS源源不斷消耗發動機動力的問題。在EHPS中，液壓助力泵不再使用發動機驅動，而是由新增的電機驅動。電控單元收集輪速傳感器等數據，經過綜合處理后控制液壓閥的開啟程度來改變油液壓力，從而實現轉向助力力度的大小調節。 ? 優點：繼承了HPS操控精準、路感反饋清晰的優勢；與HPS相比，大幅降低了能耗；且轉向助力可以根據轉角、車速等參數自行調節，反應更加靈敏。 ? 缺點：增加了較多的電子單元，導致整體結構復雜度增加，成本略有上升，可靠性不如HPS；且液壓油泄漏的問題依舊存在。 ? 四、電動助力轉向系統（EPS） ? EPS是目前乘用車上應用最廣泛的動力轉向系統。EPS完全拋棄時不時來個液壓油小泄露從而污染環境的液壓系統，完全改由電機提供轉向助力。 ? EPS主要由力矩傳感器、EPS控制單元、帶有電機位置傳感器的電機、減速器、轉向器等組成，下圖展示了一種典型EPS結構。 ?

（圖片來源：https://mp.weixin.qq.com/s/Klw_WwtyTg26RUZmrH2WdA） ? 轉向過程中，駕駛員轉動方向盤的力矩大小，轉向柱、轉向齒輪和轉向輪的準確位置都被傳感器采集并傳輸至EPS控制單元，EPS控制單元經過汗流浹背的運算后，得出需要施加多大的助力。并啟動和控制電動機來幫助轉向柱或轉向齒輪隨著方向盤的轉速而更快地轉動，以此來實現轉向助力。 ? EPS還會結合輪速傳感器信號，以便在低速行駛時提供較大的轉向助力，在高速行駛時則會減少轉向助力。 ? EPS有兩種實現方式，一種是對轉向柱施加助力，是將助力電機經減速增扭后直接連接在轉向柱上，電機輸出的輔助扭矩直接施加在轉向柱上，相當于電機直接幫助我們轉動方向盤。另一種是對轉向拉桿施加助力，是將助力電機安裝在轉向拉桿上，直接用助力電機推動拉桿使車輪轉向。后者結構更為緊湊、便于布置，目前使用比較廣泛。 ? 優點：只在轉向過程消耗電力，整體能耗較低；可以很輕易地實現助力效果與車速相匹配，能夠兼顧低速時的轉向輕便性和高速時的操縱穩定性，回正性能好；結構簡單，質量輕，易于布置，易于裝配，易于維修；徹底解決了液壓油泄漏問題，順應了“碳中和”的潮流。 ? 缺點：依靠控制單元模擬轉向手感和力度，會因此損失部分路感；電子部件較多，系統穩定性、可靠性總體不如機械部件。 ?

小結：這些機械系統在進化的過程中，優化了轉向系統的力傳遞特性，為轉向控制提供了助力，提升了汽車的操縱穩定性和平順性。但是，受限于機械結構，它們無法改變轉向系統的角傳遞特性，即汽車的轉向特性，因此難以實現自動駕駛所要求的主動控制。

? 線控轉向系統 ?（SBW）

輔助駕駛和自動駕駛的入侵，打破了動力轉向系統建立的圍墻。轉向系統中的執行機構不能只聽方向盤的指揮，還需要能夠隨時聽從智駕域控制器中算法的安排。駕駛員操作和轉向執行器解耦成為傳統轉向系統下一步升級不得不克服的難題。 ? 另一方面，算法基于環境感知給出對轉向更細膩的控制策略，如果執行結構響應不夠及時，控制精度不夠準確，那么整車轉向過程會有一種心有余而力不足的挫敗感。而這種心有余而力不足在緊急轉向情況下將會被無限放大，成為影響駕乘人員的生命安全問題。 ? 基于以上際遇，一種可以響應算法安排、響應時間更短、轉向更加準確的線控轉向系統（SBW，Steering-By-Wire System）快速走紅。在SBW中，轉向力矩完全依靠轉向執行器來輸出，而控制指令既可以來自方向盤傳感器輸出的電信號，也可以來自智駕域控制器算法輸出的電信號，深刻詮釋了有奶便是娘的含義。 ? 而在SBW走紅之前，其實他已經默默成長了半個多世紀。20世紀50年代時，美國TRW公司提出了SBW的概念，但受限于電子控制技術，直到20世紀90年代，SBW技術才有了較大突破，各種汽車展會上開始出現了一些采用SBW的概念車。 ? 高光時刻是在2014年，英菲尼迪的Q50上裝配了和Koyaba合作研發的線控主動轉向（Direct Adaptive Steering，DAS），成為第1款應用線控轉向技術的量產車型，每篇SBW介紹文章都不得不提的時間、地點和事件。但是Q50的線控轉向并沒有獲得市場歡迎，甚至在初期還發生過多次缺陷召回，可以說不僅是先驅，還是先烈。 ?

? ?該線控轉向系統由路感反饋總成、轉向執行機構和3個電控單元組成，其中雙轉向電機的電控單元互相實現備份，可保證系統的冗余性能，轉向柱與轉向機間的離合器能夠在線控轉向系統出現故障時自動接合，保證緊急工況下依然可實現對車輛轉向的機械操縱。 ? 而最近上市的豐田bZ4X純電動車型搭載線控轉向則可以說意義重大。因為它首次在量產車型中完全取消了方向盤和轉向軸之間的機械連接，同時它也會隨著豐田的純電動整車平臺迅速在集團內的多款車型上大面積推廣應用。 ? SBW最顯著的特征就是解雇了轉向盤到轉向執行器之間笨重但忠誠可靠的機械連接先生，聘任了靈巧但不夠穩重的電信號姑娘來實現轉向信息的傳遞和控制，整套系統主要由路感反饋總成、轉向執行總成、控制器以及相關傳感器組成。 ? （1）路感反饋總成。主要包括轉向盤、路感電機、減速器和扭矩轉角傳感器。驅動路感電機實現控制器給出的反饋力矩指令，對駕駛員施加合適的路感。 ? （2）轉向執行總成。主要由轉向電機、轉向器和轉向拉桿等部件組成。該部分工作原理為驅動轉向電機快速、準確地執行控制器給出的轉向角指令，實現車輛的轉向功能。 ? （3）線控轉向控制器。功能包括路感反饋控制策略和線控轉向執行控制策略。路感反饋控制策略根據駕駛意圖、車輛狀況與路況，過濾不必要的振動，實時輸出路感反饋力矩指令。線控轉向執行控制策略依據車輛運動控制準則，提供良好的操縱穩定性，實時輸出車輪轉向角指令。考慮到可靠性，保證車輛在任何工況下均不失去轉向能力，線控轉向執行控制的冗余防錯功能至關重要。 ? 優點：采用電機直接控制車輛轉向，使其更容易與車輛其他主動安全控制子系統進行通訊和集成控制，可以為自動駕駛汽車實現自主轉向提供了良好的硬件基礎。由于不受機械結構的限制，可以實現理論上的任意轉向意圖，增大了轉向力傳遞特性和角傳遞特性的設計自由度，更方便與自動駕駛其它子系統實現集成，在改善汽車主動安全性能、駕駛特性、操縱性以及駕駛員路感方面具有顯著優勢。 ? 缺點：經濟性可能并不會更好，因為線控需要部署冗余裝置。其次安全性可能有所降低，畢竟機械連接在人們的心目中還是更安全的存在。 ? 寫在最后 線控轉向和線控制動作為高級別制動駕駛的基石，必將于無聲處聽驚雷，必將成為自動駕駛崛起路上的左臂右膀。??

04、線控懸架，可甜可鹽也遭“嫌”

2022年6月21日，理想L9發布，標配的自研自適應空氣懸架系統，讓車身高低調節范圍達到了80毫米。這套空氣懸架系統可以在高速行駛時自動降低車身來節省能耗，提升操控性。在停車的時候，可以更大幅度地降低車高，讓老人和孩子便捷地上下車。 ? 李想本人在發布會上也是不吝贊美：“放心好了，L9的懸架表現在500萬以內的全尺寸SUV里沒對手。包含舒適性、穩定性、操控性全面勝出，甚至連解決暈車的能力都是最好的?！?? 2022年7月16日，理想L9全國試駕首日，一臺重慶門店的試駕車在通過路面坑洞后，空氣懸架系統內的氣腔發生破裂泄漏，最終導致車輛空氣懸掛系統故障，使得車輛無法正常行駛。理想的公關回應是：“車速90km/h的狀態過了一個20厘米深度的坑，導致空氣彈簧內的緩沖環破損；試駕車用的緩沖環不是量產狀態的零件，量產版的強度是這個的2.5倍”。 ? 本來車輛上的各種“斷”大家已習以為常，但是上述忽悠消費者、欺侮圈內人的公關言論迅速收獲了一眾質疑。小米汽車胡崢楠親自下場手撕：“現在做汽車行業公關的同學真的是要好好補補專業課，否則說出來的話不是在滅火，而是變向抹黑。20厘米什么概念，您的離地間隙也沒這么大吧，正常人會對著20厘米的坑高速行進嗎？” 扯了這么多，其實就是想表達：空氣懸掛作為線控懸掛的一種，雖然和自動駕駛沒有直接的血緣關系，但是在線控制動和線控轉向都悉數亮相后，最近又有這個熱的話題傍身，我理應炒個冷飯，科普一下線控懸架，并為線控底盤三劍客系列文章做一個收尾。 ?

定義及組成

? 汽車懸架系統是連接車輪（或車橋）和車架（或車身）的一套傳力連接機構的總稱，是汽車底盤四大系統（傳動、轉向、制動和懸架）之一。一套經典的汽車懸架系統主要包括彈性元件、減震器、導向機構（縱拉桿、橫拉桿等）和橫向穩定器等組成，如圖1所示。 ?

圖1 懸架系統組成（圖片來源：TheMustangSource.com） ? （1）彈性元件：作為一種儲能元件，主要用來直接支撐車架以及緩沖來自路面的沖擊。剛度是衡量懸架抵抗變形能力的一種量度，等于懸架承受的載荷與該載荷引起的懸架的變形的比值。形式上分為剛度不可變的被動式彈性元件（扭桿彈簧、螺旋彈簧等）以及剛度可實時改變的主動式彈性元件（空氣彈簧等）。普通轎車最常用的為螺旋彈簧，部分高級轎車（比如最近上市的理想L9）開始使用空氣彈簧。 ? （2）減振器：作為一種耗能元件，通過抑制彈性元件的來回擺動，來迅速衰減車架或車身的振動，防止車架或車身因彈性元件的伸縮造成反復顛簸，從而提高乘坐舒適性。阻尼則是懸架能量消耗的一種量度，形式上分為阻尼不可調的被動式減振器（液壓減振器、氣壓減振器）和主動式減振器（CDC減振器、MRD減振器等）。普通轎車最常用的為液壓減振器，部分高級轎車開始使用電磁減振器。 ? （3）導向機構（縱拉桿、橫拉桿等）：用于傳遞縱向載荷和橫向載荷，保證車輪相對于車架或車身的運動。 ? （4）橫向穩定器：也叫防傾桿或平衡拉桿，防止車身在轉向等情況下發生過大的橫向擺動，簡單講就是防側傾。

懸架分類

懸架按導向機構不同可以分為獨立懸架（每一側車輪都單獨地通過彈性元件掛在車身或車架下面）與非獨立懸架（兩側的車輪都與一根整體式的車橋連接），按控制形式不同可以分為被動式懸架、半主動式懸架和主動式懸架。本文以后一種方式來展開介紹。半主動式懸架及主動式懸架均屬于線控懸架（或電控懸架）范疇。

? 一、被動式懸架

乘用車領域，市面上最常見的被動式懸架多采用螺旋彈簧+液壓減振器的結構形式，如圖2所示。被動式懸架在汽車在行駛中無法依據路面狀況隨時調節懸架的剛度和阻尼，智商、情商、逆商從出生那一刻起就被寫死，不具有可塑性和可造性。如果前期調教偏操控性，那么舒適性就會欠佳，如果前期調教偏舒適性，那么操控性能就會欠佳，是魚和熊掌不可兼得的關系。 ?

圖2 被動式懸架結構（圖片來源：《空氣懸架，國內市場有望快速增長》，華泰證券） ? 但是被動式懸架的成本低、技術穩定、可靠性高特點而讓其成為絕大多數平民車型的量產選擇。 ? 二、半主動式懸架 ? 半主動式懸架，顧名思義，就是部分性能可調?？梢允遣捎眠B續阻尼控制減振器（CDC）或磁流體變阻尼控制減振器（MRD）替代傳統減振器而讓懸架阻尼大小變得可調，也可以是采用空氣彈簧替代傳統螺旋彈簧讓剛度變得可調，一種結構形式如圖3所示。

圖3 半主動式懸架結構（資料來源：《空氣懸架，國內市場有望快速增長》，華泰證券） ? （1）CDC ? 連續阻尼控制減振器（Continuous Damping Control，CDC），是薩克斯（SACHS）開發的一種阻尼力可調阻尼器。 ? CDC分為內外兩個腔室，里面充滿液壓油。內外腔室的油液可以通過之間的空隙流動。而當車輪在顛簸時，減震器內的活塞會在套筒內上下移動，腔內的油液便在活塞的作用力下在內外腔室間流動。在這個過程中，內外腔室間小孔的大小決定了減震器的阻尼特性。玩過針筒的人會深有體會，帶針頭和不帶針頭時，推動針筒所需的力是不一樣的。 ? 以CDC為核心，輔以電子控制單元、電磁控制比例閥、車身加速度傳感器、車輪加速度傳感器等法器，便構成了一套完整的半主動式CDC懸架。CDC懸架阻尼大小的改變就是通過控制CDC兩個腔室間小孔的大小來實現的。 ? 電子控制單元首先基于外部輸入數據及內部算法算出控制信號，并向CDC懸架中的電磁控制比例閥發送控制信號，驅動電磁控制比例閥里的閥芯做上、下移動。上下移動過程中閥體的節流面積會發生改變，從而實現阻尼力的改變。工作原理如動圖4所示 ?

圖4 CDC懸架工作原理（圖片來源：https://mp.weixin.qq.com/s/8kIsiZCt66gtB20aWkboUg） ? （2）MRD ? 磁流體變阻尼控制減振器（Magneto-rheoloical damper，MRD），是通用和德爾福聯姻生下的皇子，曾在1999獲得世界一百大科技成果獎。這位皇子天生怪異，不愛耍刀、槍、劍、棒，只愛耍磁流變液(Magneto-rheological Fluid，MRF)，讀起來都拗口的玩意。 ? 磁流變液主要由磁性微粒懸浮體（直徑3-10μm、高磁導率、低矯頑力）、母液（磁性微粒懸浮的載體，低粘度、高沸點、低凝固點和較高密度）、表面活性劑三部分組成。磁流變液有一種顯著的特性，就是在外加磁場下，可在短時間內（10ms）由低粘度的牛頓流體變為粘度較高的Bingham半固體，外界稱其為磁流變效應。磁流變效應如動圖5所示。 ?

圖5 磁流變效應（圖片來源：https://www.lord.com/products-and-solutions/active-vibration-control/industrial-suspension-systems/how-does-mr-damper-work） ? 如圖6所示，一種MRD結構示意圖。圖中MRD使用精密設計的電磁線圈作為活塞，沒有傳統的卸載閥和單向閥。當活塞向下運動時，腔內磁流變液受到擠壓后通過活塞的環形阻尼通道、常通孔和環形間隙由壓縮腔流動到拉伸腔，活塞向上運動類似。當磁流變液在活塞中阻尼通道中流動時，通過改變活塞電磁線圈磁場的大小，可以控制磁流變液的流動特性（流速越快→減振器越軟→懸架越舒適，反之類似），從而阻尼力大小的控制。 ?

圖6 一種MRD結構示意圖（圖片來源：https://mp.weixin.qq.com/s/jkjTBQxi_rYrICDncOiiHw） ? 在MRD的身邊，再配上加速度傳感器、控制器及配件等一眾隨從，便構成了一套完整的半主動式電磁懸架系統。通用率先應用，并起名為MRC（Magnetic Ride Control）系統，最可恨的居然還申請了名稱商標專利，以至于后面法拉利和奧迪使用時只能叫做SCM和AMR，徒增了世人理解的難度。 ? MRC可以根據不同的駕駛需求和當前路況進行快速響應，響應時間高達1ms，響應速度大概是以CDC為核心的半主動式懸架（響應時間為10ms）的十倍。這樣的特點既可以支撐起賽道上刷圈拿好成績（迅速調整懸架阻尼值，增強過彎支撐的效率，減少車身側傾并提升輪胎側向的抓地力），也能兼顧日常駕駛時的操控性和舒適性。 ? 好的代價就是貴，MRC過萬的價格，不僅遠高于傳統減振器的不到千元，也高于以CDC為核心的減振系統的大幾千元價格。貴帶來的系統復雜，導致故障率居高不下。 ? 發熱量大導致油封失效帶來的漏液問題；磁流變液的顆粒物雜志堵塞活塞空隙導致性能下降的問題；磁流變液本身的環境問題……。 ? （3）空氣彈簧 ? 空氣彈簧是在柔性密閉容器內充入惰性氣體或者油氣混合物，利用橡膠氣囊內部壓縮空氣的反力作為彈性恢復力的一種彈性元件，是空氣懸架的核心部件?？諝鈴椈芍饕蓺饽液蜐L動活塞組成，氣囊內充滿壓縮空氣，活塞連接車橋或集成在懸架支柱上。空氣彈簧結構示意圖如圖7所示。

圖7 空氣彈簧結構示意圖（圖片來源：https://www.qcwxjs.com/qicheyuanli/222404.html） ? 空氣彈簧工作時，氣囊內沖入壓縮空氣，形成一個壓縮空氣柱。載荷量增加時，彈簧高度降低，氣囊容積減小，有效承載面積加大，從而導致空氣彈簧的剛度增加，承載能力增大；載荷量減小時，彈簧高度升高，氣囊容積增大，有效承載面積減少，從而導致空氣彈簧的剛度減少，承載能力減小。 ? 因此空氣彈簧在其工作行程內具有優秀的非線性剛度特性，并且其剛度特性曲線可以根據整車需求，通過調整活塞截型設計成理想的剛度曲線。首先可以保證空氣彈簧在標準高度附近具有較低的剛度，提升車輛平穩行駛時駕乘舒適性；同時在車輪上跳、空氣彈簧壓縮過程中，空氣彈簧剛度增大，又可以有效抑制路面通過車輪傳遞給車身的沖擊，防止緩沖塊被擊穿，從而進一步提升乘坐舒適性和操縱穩定性。 ? 概括下來就是空氣彈簧在壓縮行程中所需的壓力呈指數級增長。這就意味著需要更高的壓力來壓縮接近行程末端的空氣彈簧，從而獲得整體舒適的駕駛體驗。如果再加上可改變其內部沖氣量的氣泵和泄氣閥，就可以實現車身高度不隨載荷增減而變化，從而實現高度自我調節。 ? 但是空氣彈簧昂貴的成本以及較高的故障率，讓很多人望而卻步。 ?

三、主動式懸架

? 主動式懸架，人如其名，非常主動，支持剛度和阻尼同時可調。主動式懸架的優秀代表就是目前褒貶不一、處于輿論漩渦的空氣懸架，一種結構形式如圖8所示。 ?

圖8 一種主動式懸架結構（資料來源：《空氣懸架，國內市場有望快速增長》，華泰證券） ? 空氣懸架系統主要由空氣泵、電磁閥、空氣彈簧、減振器和電子控制單元構成，如圖9所示。電子控制單元分析傳感器的數據（車身高度和車身速度傳感器等數據），輸出對懸架的剛度及阻尼大小的控制需求。并通過空氣泵和電磁閥來調整空氣彈簧氣缸里的空氣量和壓力，改變空氣彈簧的硬度和彈性系數，實現車身底盤高度調節。 ?

圖9 空氣懸架系統組成（圖片來源：國海證券） ? 裝配了主動式懸架的汽車，可以在如下典型行駛工況，改善汽車行駛平順性和操作穩定性： ? （1）在坑洼路面的顛簸路況下，通過主動降低阻尼力，提升車輛乘坐舒適性； （2）在鋪裝路面的平順路況下，通過主動增大阻尼力，提升行駛穩定性； （3）低摩擦路面，處于不穩定狀態時，減小減震器的阻尼力輸出，車輛側向加速度和橫擺速度減少，從而使車輛處于穩定； （4）緊急變線時，遇到前方突發情況緊急變線時，阻尼力增大，讓車輛轉向更靈活，駕駛更安全； （5）急加減速時，通過調整節流閥位置產生高阻尼力來控制車輛俯仰角度，給予最佳車輛駕駛感受。 ? 空氣懸架響應更快、 舒適性更高， 廣泛應用于豪華品牌車型上。然而結構復雜的弊端就是壽命不長（通常只有五年），此外故障率也較高（傳感器故障、氣動減震器損壞、連接部件泄漏等），在現在看來是一種老司機頭疼的配置。

市場

線控空氣懸架，當前技術已經比較成熟，受限于成本目前絕大多數應用于高端車輛。行業格局穩定，且主要是大的零部件供應商巨頭在此領域，對自動駕駛的意義不明顯，屬于非關鍵部件。 ? 國外Tier1線控懸架布局早，研發底蘊深，且已有量產經驗和配套用戶。德國威巴克公司、 AMK公司和Continental公司是線控懸架領域全球前三。目前大陸已經研發進展到第二代，其集成度相對于第一代產品有了極大的提高，空間更小，該系統的技術壁壘比較大。 ? 自主供應商目前大多集中于線控懸架的零部件供應。中鼎股份收購AMK部分業務后，提升了汽車電子領域的技術水平，初步具備空氣懸架總成的量產能力，目前已獲得東風和蔚來的訂單；保隆科技則主要供應減振器和空氣彈簧，已有配套客戶；天潤工業和拓普集團尚未有乘用車配套車型。 ? 但是由于自主供應商技術快速追趕、響應速度較國外Tier 1更快，且更加符合自主品牌主機廠降成本的需要，自主供應商有望加速國產替代。 ?

編輯：黃飛

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