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1 開發(fā)背景

城市的交通負(fù)荷不斷增大，有害物排放和噪聲污染越來(lái)越嚴(yán)重，因而對(duì)私人使用和用于貨物運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ叨?，其降低廢氣排放的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。目前已實(shí)施嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)，同時(shí)關(guān)于市區(qū)禁止車輛通行或征收市區(qū)過(guò)路費(fèi)的討論更加速了電動(dòng)車保有量的增加。

此外，電驅(qū)動(dòng)滿足有關(guān)功率等級(jí)、行駛里程和裝載時(shí)間等方面的要求并非是衡量未來(lái)城市車輛市場(chǎng)效益的唯一標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)還應(yīng)從平臺(tái)方案出發(fā)，為客戶提供更多的個(gè)性化選擇，以獲得盡可能高的成本效益，并投入實(shí)際量產(chǎn)。除此之外，城市運(yùn)輸車輛的動(dòng)力性能和行駛功能應(yīng)更好地與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，降低廢氣排放并應(yīng)具有更高的機(jī)動(dòng)性。隨著城市交通擁擠日益嚴(yán)重，而且由于停車場(chǎng)的緊缺，因此車輛駕駛的靈活性顯得格外重要。另外，關(guān)于面向大眾的使用模式，例如共享汽車、運(yùn)輸及車輛服務(wù)行業(yè)等，在設(shè)計(jì)車輛時(shí)應(yīng)加以全面考慮。

目前正大力開發(fā)識(shí)別環(huán)境的傳感器技術(shù)、人機(jī)交互(HMI)技術(shù)以及全新的乘客保護(hù)系統(tǒng)，它們能有效提升車輛的自動(dòng)化水平，甚至可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)此類技術(shù)才能成功地提高效率，并進(jìn)一步提高所有乘員的安全性。同時(shí)就舒適性而言，也可減輕對(duì)駕駛員的壓力。

2 對(duì)未來(lái)車輛平臺(tái)的思考

根據(jù)要求，ZF公司已設(shè)計(jì)出了智能行駛底盤(IRC)，它是一種可靈活應(yīng)用并滿足城市機(jī)動(dòng)性要求的車輛平臺(tái)。ZF公司利用了企業(yè)集團(tuán)現(xiàn)有的、針對(duì)量產(chǎn)進(jìn)一步開發(fā)或改進(jìn)的技術(shù)和系統(tǒng)，同時(shí)整合了用于整車的技術(shù)方案，并以全新的方式加以展現(xiàn)。

IRC在車輛上具體應(yīng)用的首個(gè)例子就是創(chuàng)新的Rinspeed Oasis概念車，在經(jīng)歷僅6個(gè)月的總體匹配調(diào)整后，于2017年1月在國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)(CES)上公開展出[1]。該研究項(xiàng)目(圖1)顯示出了ZF公司設(shè)計(jì)的IRC平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為廣泛應(yīng)用的實(shí)例。IRC將軸向集成的輪邊電驅(qū)動(dòng)、操縱可調(diào)節(jié)式底盤、先進(jìn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與汽車地板以及電控設(shè)備相組合，并使所有功能相互協(xié)調(diào)。

圖1 IRC將軸或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器與可調(diào)節(jié)式底盤結(jié)合在一起

智能網(wǎng)絡(luò)化與機(jī)電一體化系統(tǒng)使得IRC更適合于未來(lái)市內(nèi)交通運(yùn)輸，前后橋之間完整的平面地板可以適應(yīng)各種車身型式。因此IRC是實(shí)現(xiàn)車輛高靈活性的基礎(chǔ)，從而能用于載客或貨物運(yùn)輸。

3 IRC技術(shù)細(xì)節(jié)

IRC之所以被稱作“智能”，與其以電子控制單元和軟件結(jié)構(gòu)作為指揮中心有關(guān)(圖2)。通過(guò)調(diào)節(jié)行駛策略，來(lái)改善整體縱橫向動(dòng)力學(xué)性能，同樣包括對(duì)ZF公司自身系統(tǒng)的控制，例如對(duì)Rinspeed Oasis概念車上的行駛制動(dòng)器、功率電子器件以及蓄電池管理系統(tǒng)的控制。

圖2 IRC采用了Rinspeed Oasis 概念車的軟件架構(gòu)與電控駕駛策略

除此之外，IRC電控單元還包含扭矩導(dǎo)向功能，根據(jù)相關(guān)的需求將扭矩分配到后驅(qū)動(dòng)橋，并與其他系統(tǒng)形成網(wǎng)絡(luò)化連接，使車輛具備極高的機(jī)動(dòng)性，特別是該電控單元也為先進(jìn)的輔助系統(tǒng)提供了所有的接口，因而IRC也為城市運(yùn)輸車輛的高度自動(dòng)化或自動(dòng)導(dǎo)向行駛提供了基礎(chǔ)。

IRC驅(qū)動(dòng)由兩個(gè)分別位于后輪旁的永磁式同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，它們分別集成在組合拉桿軸上而形成電動(dòng)扭轉(zhuǎn)橫梁(eTB)(圖3)。電機(jī)可以提供的最大功率為2×40 kW，最高轉(zhuǎn)速為21 000 r/min，每個(gè)電機(jī)都帶有1個(gè)兩級(jí)輸入變速器，并集成在1個(gè)鋁殼體中，總共能提供1 400 N·m的最大扭矩。在該動(dòng)力條件下可使概念車的最高車速達(dá)到150 km/h ，0～100 km/h的加速時(shí)間為9 s。

圖3 兩個(gè)功率為40 kW的永磁同步電機(jī)被用于組合 拉桿軸上的組合或電動(dòng)扭轉(zhuǎn)橫梁

為了開發(fā)出更多未來(lái)的潛在用途，整個(gè)平臺(tái)被設(shè)計(jì)成eTB模塊。相應(yīng)車型不僅能設(shè)計(jì)成混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，而且也能設(shè)計(jì)成純電動(dòng)結(jié)構(gòu)。

在減速工況下，IRC將電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)運(yùn)行并回收能量，或者流暢地過(guò)渡到組合式ZF制動(dòng)器條件下運(yùn)行。它們與其他系統(tǒng)相互配合，例如電子行駛動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)(ESC)以及在小型車應(yīng)用場(chǎng)合中用于電動(dòng)伺服轉(zhuǎn)向的全電動(dòng)ZF轉(zhuǎn)向柱模塊，其各自的軟件同樣也位于IRC電控單元中。

為了最大限度地簡(jiǎn)化城市車輛在使用中頻繁停車和調(diào)頭的操作過(guò)程，IRC在前部具有一個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)特的雙橫向?qū)П蹎屋啈壹埽河声Z頸狀車輪支架聯(lián)接上下橫向?qū)П?，而轉(zhuǎn)動(dòng)支承在上橫向?qū)П凵系溺牭稜罨匦懈軛U確定了其傳動(dòng)比，通?？蓪⑶皹虻霓D(zhuǎn)向角提高50%，最大轉(zhuǎn)向角可達(dá)80°。

超大的轉(zhuǎn)向角要與IRC前橋匹配，需進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，下橫向?qū)П鄣男螤钚枰O(shè)計(jì)成在極限轉(zhuǎn)向的情況下也不會(huì)觸碰其輪緣或車輪。此時(shí)整個(gè)轉(zhuǎn)向懸架處于橫向?qū)П叟c車輪的上方，因此轉(zhuǎn)向力也不會(huì)增大。這種新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在Rinspeed Oasis概念車上得以體現(xiàn)，采用這種IRC能非常好地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種輪距的調(diào)節(jié)。

連接車輛前部和尾部的IRC機(jī)架被設(shè)計(jì)成平坦的地板，即通常的乘客車廂地板，為實(shí)現(xiàn)多種多樣的車身方案或車廂結(jié)構(gòu)方案提供了基礎(chǔ)(圖4)?？蛇m用于包括雙座休閑車、輕型客車、輕型貨車和自動(dòng)駕駛汽車。物流需求正在不斷增長(zhǎng)，正如2016年ZF公司未來(lái)研究項(xiàng)目[2]所預(yù)測(cè)的那樣。

圖4 雙座休閑車、電動(dòng)輕型客車、電動(dòng)輕型貨車與自動(dòng)駕駛汽車

4 可靠和明確的HMI通訊

除了使用新的可能性和創(chuàng)新的車身方案之外，在高度自動(dòng)化行駛的工況下，還需要按擴(kuò)展用途定制HMI。目前HMI系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是由ZF公司在Rinspeed Oasis概念車上具體應(yīng)用的方向盤系統(tǒng)，這種系統(tǒng)無(wú)轉(zhuǎn)向擺臂，重要功能被直接集成在方向盤上，共有10個(gè)電容傳感器區(qū)域被分配在方向盤輪圈中(圖5)。

圖5 功能采成的方向盤系統(tǒng)，方向盤輪圈中 被分為10個(gè)電容傳感器區(qū)域

駕駛員通過(guò)輕擊或撫摸方向盤上的特定區(qū)域就能打開轉(zhuǎn)向燈、鳴響喇叭或操作娛樂(lè)系統(tǒng)和導(dǎo)航儀，此外可變指令和相應(yīng)的激活姿態(tài)還能反作用于傳感器區(qū)域。為了更舒適起見，只要車輛處于自動(dòng)駕駛模式，Oasis方向盤可翻轉(zhuǎn)移位或暫停使用。集成的識(shí)別功能可判斷駕駛員的手是否握在方向盤上，并作為實(shí)現(xiàn)安全可靠自動(dòng)駕駛功能的先決條件。

除了在概念車上已實(shí)施的功能之外，ZF公司已表示在概念駕駛員座艙中人-機(jī)之間的交流功能還能設(shè)計(jì)得更為簡(jiǎn)化、精確和可靠。以靜電充電原理為基礎(chǔ)的新穎觸摸屏，通過(guò)虛擬觸摸鍵或開關(guān)就能進(jìn)行操作已作為ZF概念車中駕駛員座艙中的重點(diǎn)方案。與大多數(shù)顯示屏不同，駕駛員無(wú)需為了選擇某項(xiàng)功能而不得不轉(zhuǎn)移雙眼和注意力。同時(shí)，屏幕顯示行駛速度等參數(shù)，在盡可能高的可靠性前提下可以讓用戶適應(yīng)視覺(jué)感觀。

此外，ZF概念車駕駛員座艙具有基于攝像機(jī)的人臉識(shí)別功能，同樣能改善在自動(dòng)駕駛模式中重要的監(jiān)控功能，例如能夠可靠并實(shí)時(shí)地查明駕駛員是否在專注駕駛或是否處于良好的駕駛狀態(tài)。

5 安全氣囊重新定位及其任務(wù)

如果在車輛自動(dòng)駕駛期間要求方向盤能改變形狀或者能將其翻起來(lái)，甚至可完全置于儀表盤中，那么安全氣囊就必須另外布置到一個(gè)新的位置，以便能繼續(xù)發(fā)揮其功能，這也是保留被動(dòng)安全性必不可少的要素。

ZF公司提供了一種創(chuàng)新的解決方案，采用車頂安全氣囊[3]，即集成在擋風(fēng)玻璃上方頂棚中的安全氣囊裝置。目前該裝置即將批量生產(chǎn)，用于雪鐵龍Cactus轎車并作為副駕駛安全氣囊，這種解決方案(圖6)為車廂內(nèi)部節(jié)省了不少空間。

ZF公司同樣開發(fā)了一種安全氣囊布置于駕駛員與副駕駛員之間，在發(fā)生側(cè)面碰撞情況下它能使駕駛員更好地穩(wěn)定在相對(duì)一側(cè)。如果駕駛員和副駕駛員座位都有人的話，能夠減輕隨之可能引起的碰撞。除此之外，對(duì)于像Rinspeed Oasis概念車那樣側(cè)面結(jié)構(gòu)較薄弱的小型城市車輛，可以通過(guò)應(yīng)用預(yù)碰撞系統(tǒng)來(lái)觸發(fā)乘員保護(hù)。這是主、被動(dòng)安全系統(tǒng)逐漸網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)例，要比預(yù)警式或整體式安全系統(tǒng)更為人們所熟悉。

6 用于自主行駛的主動(dòng)保險(xiǎn)帶

在該領(lǐng)域中的進(jìn)步取決于“自動(dòng)駕駛儀”在轎車上的實(shí)際應(yīng)用和可接受程度，隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子計(jì)算機(jī)終究會(huì)承擔(dān)方向盤控制的功能，那么駕駛員就可以專注于駕駛之外的工作，例如安全帶是否始終繃緊以及車輛是否直行。

Rinspeed Oasis概念車上的ZF主動(dòng)安全系統(tǒng)能在功能不受限制的情況下滿足該需求。在安全帶收緊方式上，主動(dòng)安全帶鎖與一種新型的電動(dòng)調(diào)節(jié)端套相組合能使安全帶從乘員身體上明顯凸起。這些措施有助于進(jìn)一步提高自動(dòng)駕駛狀態(tài)時(shí)的舒適性，同時(shí)又能給予乘員更多的活動(dòng)自由度。如果網(wǎng)絡(luò)化安全系統(tǒng)識(shí)別到潛在的危險(xiǎn)狀況，安全帶會(huì)瞬間繃緊。該功能同時(shí)也能用作駕駛員的警告指示，使其立即注意到交通狀況并認(rèn)真操控車輛。因?yàn)轳{駛員必須實(shí)時(shí)遵守各項(xiàng)規(guī)則，即使在上車時(shí)，安全帶鎖和端套需與旋轉(zhuǎn)座椅一起布置，以便提高乘員的舒適性。

主動(dòng)安全系統(tǒng)依然是自動(dòng)駕駛功能的重要基礎(chǔ)，成為開發(fā)關(guān)注的焦點(diǎn)。傳感器、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的執(zhí)行器越來(lái)越成熟，工作能力也越來(lái)越強(qiáng)，并且通過(guò)智能網(wǎng)絡(luò)化相互連接，能更有效地將對(duì)人群的碰撞風(fēng)險(xiǎn)降到最低程度。也許在將來(lái)能對(duì)交通狀況作出前瞻性的評(píng)估并自動(dòng)快速地作出合適的應(yīng)對(duì)措施。