底盘展示着汽车的性格。车轮悬挂、轮胎、车身与驾驶者之间的契合度越高,越能让驾驶者轻松自如地完成高要求的操作,而这通常是运动型驾驶爱好者最终购买的决定性因素。此外,底盘还为驾驶的安全性和舒适性做出重要贡献,而且由于传动系统的电气化和自动驾驶的趋势,底盘将在未来占据比今天更为重要的位置。电动汽车等颠覆性发展是国际汽车行业面临的最大挑战。因此,汽车厂商需要依靠先进的开发工具来满足对汽车动力以及舒适性不断增长的需求。

Dr. Martin Braun

凭借迄今为止研发出的跑车,保时捷证明了现代底盘可展现的可能性。除了在驾驶动态极限范围中用于保持稳定的驾驶动态控制系统(保时捷稳定管理系统,简称“PSM”)外,保时捷跑车还具有智能扭矩矢量分配(Torque Vectoring)。半主动底盘系统的另一个必备元件是可变减震器系统 PASM(保时捷主动悬挂管理系统)。这套系统可在行驶过程中对动态变化(例如突然的回避操作)作出敏捷反应。在不到一秒的时间内,PASM 可在两个车桥上增加阻尼力,以减少车身侧倾或摇摆,从而实现极其精确和安全的驾驶操作。

保时捷工程集团利用其在跑车底盘设计领域的丰富经验,为客户提供最先进的解决方案——以下是一家中国企业的案例:“我们受委托从零开始为几款电动车型开发前后桥,包括可变减震器系统的软件算法和控制器。”底盘设计专业负责人约翰尼斯·伍斯特(Johannes Wüst)说。保时捷工程集团底盘系统专业负责人马丁·布劳恩博士(Dr. Martin Braun)补充说:“客户为我们提供了作为基准的车型,我们要做的是在具有挑战性的时间和成本框架内达到或超过其性能。”最终目的是创造一款在舒适性和驾驶动力方面都可与知名国际竞争对手相抗衡的底盘。

 

“这种基于软件的控制方式有助于我们控制成本” Dr. Martin Braun

前后桥的机械设计虽然很经典,但由于开发时间短并且需要考量整个平台中的衍生车型,因此设计要求相当高。由此,秉持双横向导臂车桥设计的锻造轻合金导臂和转盘轴承便成为了前桥的重要组成部分。设计中取消了下部的导臂面,以优化转向轮半径和转向角度差(阿克曼)。“在后桥的设计中,我们非常重视良好的减震比和纵向悬挂。”伍斯特如此解释五连杆设计,“我们还十分关注两个车桥在弹性动力学和刚性方面的出色性能。”这一车桥设计不仅适用于轿车,也同样适用于 SUV。其中涉及到对弹簧动程、最大可能的车桥负载以及运行稳定性的要求。

Principle of the damper control system in the control unit, 2020, Porsche AG
减震控制的架构原理:控制器的构架可支持各种传感器布局。这样便能在短时间内以低成本实现不同客户的需求。

为了达到所需的驾驶特性,工程师们开发出一种特殊的电子系统架构,用于前后桥的减震控制。利用这一架构,减震控制可以最佳匹配相应目标车辆中的控制系统。同时,它还支持各种传感器布局,这意味着可以在短时间内以低成本实施定制的解决方案。“这种基于软件的控制非常复杂。”布劳恩博士说,“但在开发中,许多舒适性和驾驶动力学功能主要通过算法呈现,因此可将生产成本保持在较低水平。”

空气悬挂带来车身极致静谧

最终,车辆中仅使用了为数不多的传感器和执行器。只安装了两个加速度传感器、两个车身高度传感器以及一个惯性测量单元(IMU),来代替四个车身高度传感器、八个加速度传感器和一个IMU。在经典的空气悬挂功能及众多基于软件的特殊功能(其中包括坑洞检测和变道功能)的基础上,实现了成本优化的智能减震控制(连续阻尼控制系统,简称“CDC”)。

Acceleration along z-axis, 2020, Porsche AG
Z 方向的加速度:车辆内部的测量结果表明,该设计可以显著滤除 16 赫兹到 30 赫兹的高频振动

在开启状态下,无论在何种道路上行驶,它都能使车身尽可能保持稳定——车身就像被钩子固定在空中一样。控制器可在行驶时抑制或滤除全频率范围的振动,尤其是 16 赫兹到 30 赫兹范围内的高频振动。

Johannes Wüst

除了提供最高水平的技术解决方案外,中国汽车设备制造商还希望在其产能建设方面获得密切合作与支持。“我们客户最初的研发团队很小,只有不到 400 名员工,随着项目的推进,团队扩张了数倍。”伍斯特说,“除了汽车之外,客户还建造了全新的生产基础设施。”在与客户生产部门的密切合作中,保时捷工程集团的研发人员不仅与之探讨了批量生产的要求,而且在设计时也考虑了这些要求。他们还参考了之前的多个项目以及保时捷祖文豪森和莱比锡生产线的经验。

客户给出的时间规划尤为紧迫,这就为项目带来了很多挑战。按照计划,在第一台原型车制成后仅 18 个月就要启动生产。为了能够满足这一要求,保时捷工程集团从研发伊始就采用了模拟和快速原型平台。“这样,我们才能快速制造出第一台可行驶的原型车。”布劳恩博士解释说。

经过特殊设计的杂合车使团队能够在早期设计阶段实现概念底盘设计的验证和调校。“通过这种方式,我们可以避免在实验中陷入永无休止的修改‘泥潭’。”伍斯特说,“这不仅缩短了研发时间,而且还减少了测试件和原型工具,因此节省了大量预算。”

 

“除了汽车之外,客户还建造了全新的生产基础设施。” Johannes Wüst

另外,同时研发控制系统和软件也提供了进一步的优化潜力。伍斯特同样对中国客户称赞有加,后者在项目开始时就明确定义了研发目标和车型。根据保时捷工程集团的建议,客户做出了迅速且务实的指导性决策,避免了延误。“没有这些迅速的决定,根本无法实现如此短的研发时间。”伍斯特说。最终,这一雄心勃勃的时间规划得以圆满实施,该系列产品能够按要求于 2020 年 3 月按时投入量产。

信息

文字:Andreas Burkert
参与人员:Martin Braun 博士、Johannes Wüst

本文最早刊发于保时捷工程杂志 2020 第一期。

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