汽车方向盘,为什么非得是圆形的?

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汽车行业本质上应当走向全球化,充分实现规模效应。

编者按:本文来自微信公众号 纪源资本(ID:JiyuanCap),作者:投资笔记,创业邦经授权转载。

你有没有想象过,未来的汽车会是什么样?

汽车驾驶座位前方的方向盘将被取消,座位可以自动伸展,方便驾驶员入座。落座之后,座椅又会根据驾驶员的身型和舒服的坐姿,自动调节到最佳的位置和角度。

起码在当下,没有方向盘多少让人觉得有点没安全感——其实准确来说,汽车的方向盘只是被暂时性地收折隐藏,驾驶员可以在不想要自动驾驶的时候,将它召唤出来——就像是玩游戏时使用的手柄,极具握持感,且省力、智能,也不牺牲任何转向功能。

过去数年中,汽车这个看似冰冷的金属空间正在变得越来越有温度;或者说,行业内的人们,正在持续探更人性化的、更智能的工业设计。当我们谈到「未来的汽车」,某种意义上,或许说的是一辆能够让人跳出驾驶员身份的汽车,一个能让人真正意义上感受到舒适的、与外界融合的空间。

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乍一听,这样的出行想象离我们还有些遥远,但其实未来已来——如此创新前卫又科技感十足的汽车,早已经被各大汽车厂商写进了未来清单;更有品牌已经制造出概念车型,甚至有将来量产的可能。

而在技术更迭背后,有一环尽管相当关键却常常被我们忽视——汽车底盘的革新。

汽车底盘用来支撑发动机和众多零部件,除此之外它也能接收驾驶员的操作指令,使汽车实现前进、制动、转向、减震等功能。

对于应用传统底盘的汽车来说,驾驶员用方向盘发出的各种操作指令,全靠机械之间的硬连接完成传递;但当驾驶这件事变得越来越自动化,传统底盘根本无法满足智能驾驶对于制动(刹车)、转向和悬架的智能化要求。

这个时候,一种新的底盘逐渐进入汽车厂商们的视野——线控底盘。

上端的方向盘与下端的转向器之间没有任何机械连接,两者之间的传动轴已被移除,取而代之的是完全依赖通信来进行指令的交互。

这是舒强,线控底盘核心零部件提供商同驭汽车的创始人、董事长兼总经理。

对于断开传统机械连接的「线控底盘」,业内有一个形象的称呼——解耦。

解耦,顾名思义,是指「解除耦合」。在传统系统中,方向盘与车轮之间存在着耦合关系,即方向盘的转动角度直接决定了车轮的转动角度。具体来说,方向盘转动的角度作为系统的输入,而车轮转动的角度则作为输出,这两者之间的关系在生产时就已经确定。然而,解耦的引入打破了这种一对一的固定关系。通过断开方向盘与车轮之间的机械连接,我们引入了传感器来检测方向盘的转动,并通过控制算法来调节车轮的转角。这样,解耦后的系统允许一个输入产生多种不同的输出,或者不同的输入能够产生相同的输出。

就是这一种依靠电信号传导的线控底盘,几乎彻底颠覆了我们对汽车的制动系统和转向系统的想象。

首先是制动系统。

简单来说,制动系统就是能使行驶中的汽车强制减速甚至停下的系列装置。

根据制动执行机构的不同,线控制动系统可以分为EHB(液压式线控制动系统),以及EMB(机械式线控制动系统)。

先说EHB。这种制动系统,用电子器件取代了一部分机械部件的功能;其一个优势是,传统的制动系统,只能靠驾驶员脚踩刹车踏板才能触发制动,而EHB可与智能驾驶域控制器通讯,根据信号指令就能自动刹车,并且制动响应速度更快,因此EHB成为了智能驾驶的关键执行系统之一。

2.png对于市场份额逐渐扩大的新能源汽车来说,液压式线控制动系统EHB的最大优势之一,就是提高制动能量回收率。EHB拥有制动解耦的特点,输出的液压制动力可以由软件算法灵活控制,从而可在有制动需求时,尽可能用驱动系统输出反拖力矩进行制动,此时驱动电机处于发电模式,而不足的制动力(如有)则由EHB补充液压制动力。EHB已成为目前新能源汽车制动系统的主流解决方案。

在考虑经济价值时,我们可以进行如下大致测算:假设一辆电动汽车的电池容量为100千瓦时(度电),在满电状态下大约能行驶700公里。采用我们的线控制动系统的制动能量回收后,车辆的续航里程有望提升6%至8%,这意味着车辆续航能力可提升至742至756公里。若一辆电动汽车续航里程的设计目标是确定的,那么采用EHB后,电池的使用量可以减少6%至8%。以较为保守的估计,即减少6%计算,这相当于节省了6千瓦时的电量。当前电池每度电的成本按大约800元人民币进行估算,那么节省的6度电量成本即为4800元人民币。所以通过采用EHB,可通过制动能量回收的优势,有效降低电动汽车的电池成本,从而使得整车的生产成本相应下降。

的确,EHB给传统制动带来的是超越式的改变,然而,它还远远不是汽车线控制动的上限。

EHB之后,更具划时代意义的,是机械式线控制动系统EMB。液压式线控制动EHB需要制动液与制动油管来传递制动的压力,但到了EMB时代——

制动液和制动油管都将被取消,由一个电机驱动传动机构,直接推动摩擦片,夹紧刹车盘以实现制动,这一产品将会是一个颠覆性的制动系统。该系统的传动链极为简短,从而大幅提升了效率,加快了响应速度。

具体来说,EMB(机械式线控制动系统)系统的响应时间可达到90毫秒,这一数据由同驭实测得出。相较于原先的液压式线控制动系统,这一响应时间缩短了大约40%。由于响应速度的提升,刹车距离相应缩短,这在紧急情况下甚至可能挽救生命。

我们最初以线控制动系统作为切入点,这也是同驭的起家之本。在布局了完整的制动系统各个产品并积累丰富的量产经验之后,我们开始着手研发转向系统。

由于线控转向取消了方向盘与转向器之间的传统机械连接,我们转动方向盘的指令也以电信号的方式传到转向器上,所以,在线控技术支撑下的方向盘,不再只是一个简单的机械工具。

方向盘更像是一个手感模拟器,能够检测驾驶员转向的角度和力度输入,并将这些指令传递给下端的转向执行器。随后,转向执行器将根据指令拉动车轮,实现转向动作。

目前,一些高端车型已经配备了后轮转向功能,即在前轮转向的同时,后轮也具有辅助转向能力,只不过后轮的转向角度相对较小。对于线控转向系统而言,它能够更加便捷地支持这种前后轮均具备转向功能的车型,并实现更好的操稳性能。

当然,仅仅作为一个「传感器」的方向盘远远不够。

如果方向盘仅仅作为一个纯粹的传感器存在,用一根手指就能轻松转动它,其操作体验可能会显得缺乏力感反馈,这样的驾驶体验显然是不理想的。因此,我们在设计上增加了一个带有传动机构的电机,负责提供阻力。当驾驶员转动方向盘时,电机将产生反向转矩,形成阻力,模拟出类似于传统方向盘的手感。

在汽车装配了这样的线控转向系统之后,我们与汽车的互动方式就完全改变了。

简单来说,在传统的转向系统中,我们转动多少角度的方向盘,就会对应改变多少角度的车轮——这一概念叫「传动比」,而它是固定的。

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但是在信号传输的线控转向系统里,传动比是不固定的,你转动方向盘的角度、以及实时传导到车轮的角度,能根据车速进行动态调整。

那么,这给我们实际的驾驶体验带来了什么?

许多驾驶者可能都有过类似的经历:在狭小的空间内掉头、倒车入库时,往往需要频繁地操作方向盘。例如,先向左转动方向盘到底,后退一点,接着又向右转动方向盘到底,前进一点。这样反复多次,操作相当费力。

采用了我们的线控转向技术后,方向盘的最大转动角度仅为150度,此时车轮已经转至极限。这样,我们实现了方向盘转动较少,而车轮转动较多的效果。因此,在进行倒车入库等低速操作时,驾驶者无需频繁交叉双手来转动方向盘。

线控转向的优势在于,它能同时实现低速转向时的灵活性和高速转向时的稳定性,这是传统转向系统无法比拟的。

在高速公路上开车,方向盘只要发生了轻微的转动,车辆行驶方向就会有明显的偏离,给驾驶员带来比较紧张的感觉。在高速行驶的情况下,线控转向的传动比就会调得更大,也就是方向盘需要转动相对多的角度,才能带动车轮转动,从而保证汽车高速行驶的安全性。

其实,除了这些基本驾驶需求的安全性能革新,线控转向系统甚至能颠覆当下最主流的汽车设计,实现从前存在于想象中的场景。

比如,可不可以有不规则形状的方向盘?

目前,方向盘之所以设计为圆形、或近似圆形,是因为当方向盘转动超过180度时,驾驶员需要换手操作,以确保手部不会抓空。然而,随着线控转向技术的应用,无论在何种情况下,方向盘的转动角度仅需达到150度。因此,我们可以设计出非圆形的方向盘,使其类似于赛车方向盘。在这种设计中,可以取消方向盘上半部和下半部的圆弧部分,仅保留双手握持的位置。

只有在这类方向盘的基础上,汽车才有可能更便捷地将方向盘收折起来,嵌入到仪表盘下面,从而扩大车内的使用空间。同时,当方向盘已经收折起来、我们无法再去操控它、但汽车又要改变行驶方向的时候,就得由依靠信号传输的线控转向系统来完成转向。

可以设想,随着线控转向产品的引入,汽车将配备一种极为酷炫的迎宾模式。例如,当驾驶员打开车门时,方向盘会自动缩回。随后,驾驶员坐上驾驶座并系好安全带,此时方向盘将自动弹出。在未来的高级驾驶模式中,方向盘的使用频率可能会进一步降低。届时,我们可以设计一种能够旋转的驾驶座位,使得车内的五个座位能够面对面排列。由此可见,未来的汽车将是一个充满想象力的活动空间。

不过,超前的创新技术并非一蹴而就,线控转向系统也有一些当下需要克服的难点——

挑战之一是路感反馈。例如,在驾驶过程中,假设车辆左侧前轮,不慎压过一个砖头,由于传统转向系统存在机械连接,这一扰动会通过中间轴传递至方向盘,使方向盘产生相应的抖动。而在线控转向系统中,由于取消了中间轴的连接,如何通过转向执行器准确估算车轮压过砖头的速度和力度,进而将这一状态进行检测后准确传递至手感模拟器,以模拟出真实的手感反馈,便成为了一项极具挑战性的任务。

如果我们试着描述线控制动系统,以及线控转向系统与车身运动方向的关系,那么可以说,「线控制动系统」管控车辆的X轴,「线控转向系统」则管控车辆的Y轴。

X轴和Y轴是车辆动力学中坐标系的描述;除了XY轴,坐标系还有一个Z轴和原点。尽管车辆坐标系的标准不唯一,但通俗地说,X轴是汽车长度的方向,Y轴是汽车宽度的方向,Z轴是汽车高度的方向。

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那么在Z轴上,有没有类似管控X轴和Y轴这样的系统呢?答案是悬架系统。悬架系统就是负责管理Z轴运动的机制。

汽车悬架连接车架与车轴,它通常带有弹性,主要用于缓和路面带给车辆的冲击,提高乘车的舒适性。

传统悬架主要由弹簧、减震器、摆臂和横向稳定杆组成,但到了线控时代,钢制螺旋弹簧升级成空气弹簧,并增添了电子控制单元、传感器和打气泵(也称空气供给单元)等部件,以达到智能自动调节的目的。

而在这样一套完整的空气悬架系统之中,「打气泵」是最近几年在技术创新迭代的关键零部件之一。

空气悬架系统中的打气泵目前存在两种设计方案:开式与闭式。开式打气泵在运行时产生的噪音较大,成本相对较高,同时其打气效率亦较低。目前,新推出的车型普遍倾向于采用闭式打气泵,其优势在于更高的能效、更低的噪音、更优的成本控制以及更高的集成度。同驭公司选择了闭式打气泵作为技术路线,在我们的打气泵设计中,不仅集成了悬架的刚度与高度调节功能,还包括了悬架减震器阻尼的主动调节功能。

空气悬架究竟是如何实现车辆减震的?

首先,传感器收集到的车身状态信号会传给控制单元,随后控制单元发出相应指令,驱动打气泵工作,压缩后的空气又通过分配阀被送到各个车轮的空气弹簧,完成车辆高度的调节。

悬架系统,再加上制动系统、转向系统,以及动力系统,它们并不是独立完成各自的工作,重要的是这些系统如何自动并协同地控制车辆的运行。

为了和谐地调配这些系统,汽车还需要一个最终能替代「人的操作」的综合控制中心——底盘域控制器。

当汽车升级至L3级别自动驾驶时,驾驶员对于车辆的控制将逐渐减少。若进一步升至更高级别的自动驾驶,如L5级别,车辆将完全实现自动驾驶,届时驾驶员在任何时候都不再需要操控汽车。因此,需要一种新的装置替代驾驶员的角色,来协调制动系统、转向系统、驱动系统等运动执行系统的控制,该装置即底盘域控制器,底盘域控制器犹如人类的小脑,控制着四肢与身体的协调运动。

汽车的大脑是智能驾驶域控制器,它的主要作用是感知并融合多样复杂的环境信号,完成路线的规划。

有了行驶路线后,汽车的小脑,也就是底盘域控制器,就会按照这条路线,去控制和协调各个底盘系统下的不同执行器,以让汽车按照这条规划好的路线行驶。

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汽车大脑、小脑,和各个底盘系统之间的工作逻辑,折射的是智能驾驶的层次结构,也就是感知,决策,执行。而在这三个层次的背后,是一套极为复杂和细致的汽车工业产业链。

换句话说,和汽车各部件之间的配合一样,一辆汽车的生产也并非靠一家厂商就能完成,它需要零部件厂商和整车厂各司其职。

我们公司的定位是线控底盘供应商,同时市场上亦存在专注于激光雷达、毫米波雷达以及摄像头技术的供应商。此外,还有提供智能驾驶域控制器或智能驾驶整体解决方案的供应商。在这个生态系统中,整车厂商充当着集成者的角色,负责将整车系统拆分为若干部分,然后分别与各类供应商合作。

在整车厂集合不同供应商零件的这个过程中,会遇到一个疑问,那就是当不同厂商的零部件聚合到同一辆车上的时候,这些零部件到底能不能够很好地协同发挥作用?

在这一流程中,涉及到各个产品之间的联调、联合标定以及联合测试。在经过整车制造厂的一轮又一轮测试之后,待产品达到成熟状态,方才开始量产并交付至消费者手中。

仅仅就线控底盘行业来看,它的进入门槛非常高。但是一旦进入这个行业,也会收获相对较高的稳定性。

就某一车型或车型平台而言,一旦选择了我们的产品,他们通常不会频繁更换,例如这个月选择我们的产品,下个月又转而购买其他供应商的产品,这是不太会发生的。

不过,稳定性并不是线控底盘厂商的终点。在未来,解耦的线控底盘将彻底成为一个智能硬件的平台,在平台基础上进一步开发更为个性的功能。

如果我们回顾消费电子行业——比如手机行业的更迭,你会发现,它和汽车行业也有共通之处。从前手机的功能非常有限——打电话,发短信,偶尔浏览浏览网页;下载新的APP是根本做不到的事情,因为当年,各个手机的软件和硬件都是强绑定、强耦合的。

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但是到了智能手机时代,哪怕生产出来的手机本身没有APP,我们也可以自行去下载运用。

这得益于智能手机拥有一个出色的硬件平台,其硬件平台与应用软件实现了解耦。汽车行业也会朝这个方向发展——消费者在购车时,车辆具备一定的功能,而在两年后,随着新功能的开发,通过OTA远程升级,车辆将增添新的功能。

不过,在更具体的交互逻辑的准则方面,造车和手机制造又有一些区别。

与手机应用相比,汽车行业对安全性的要求极为严格,手机应用可以偶尔出现死机,我们可以重启恢复,而汽车系统绝不允许此类情况发生,必须确保万无一失,所以汽车行业在技术标准和规范方面极为严格。汽车行业制定的标准众多,虽然各汽车制造商可能会发展出自己的个性化企业标准,但总体而言,它们普遍遵循一些通用标准。例如,软件架构AUTOSAR(汽车开放系统架构),以及在通讯协议方面,博世公司最初提出的CAN总线协议。

无论如何,汽车硬件的智能化和平台化是未来的一大趋势,而且一定是建立在解耦的线控底盘上的趋势。

这些功能的基础在于汽车本身所具备的线控制动、线控转向、线控悬架和线控油门等技术。正因如此,汽车能够不断地集成各种软件。因此,对于传统的、机械化的制动、转向和悬架系统而言,尽管它们在成本上可能更为低廉,但却无法满足未来技术的发展趋势。据此,我认为未来的汽车行业有着极为广阔的创新空间。

面对车辆底层结构和制造逻辑的重大转变,随之而来的问题是,我们做好了汽车零部件生产的准备了吗?

中国汽车零部件的发展历程相较于国外而言相对较短。起初,我国汽车零部件的生产主要依赖于手工锻造,其产品的性能和质量与国外厂商相比存在较大差距。随后,我国采取了引进合资汽车制造商的策略,通过市场换取技术,这一路线我认为是极为正确的。事实上,这一策略为我国汽车产业建立了一个良好的产业链基础。

2016年我开始创业的时候,中国许多机械零部件产品的质量已经达到了较高的标准。但在电控零部件领域,特别是涉及到车辆底盘这类安全件的电控产品,市场却仍然主要由国外企业所垄断。

这一状况在当年不仅成为了我国汽车行业的痛点,同时也为我们创业提供了机遇。鉴于此,我们选择聚焦于汽车领域中最具挑战性的部分——底盘的电控核心部件。经过八年发展,我们在线控底盘技术领域已逐步从追随者转变为并跑者。

随着全球化进程日益加快,汽车零部件已经呈现出技术高新化、供货系统化和经营全球化的新趋势;如今当汽车正在向着智能自动驾驶快速进化的时候,相应的零部件企业也将在这些趋势之上,不断洗牌和重塑。

预计到2031年,全球汽车零部件市场规模将攀升至大约22657亿美元,复合年增长率为4.1%。

一方面,汽车零部件厂商不断创新迭代、同时加强产能;另一方面,这些身处汽车供应链不同位置的厂商,也在同时加快出海的步伐。

去年,中国在全球整车出口领域已位居首位。由于整车出口税率相对较高,目前许多汽车厂商采用了SKD(半散装)模式。即部分总成在国内完成组装,而其他零部件、散件则直接运往国外,在海外设立工厂,进而组装成整车。目前,众多中国汽车企业已在海外建厂,随之而来的是众多零部件供应商也纷纷在海外设立工厂。中国汽车产业的效率较高,在成本控制方面也具有优势,因此,中国汽车产业的出海是不可避免的趋势。

在考虑出海时,首先需要在知识产权领域做好准备工作,确保产品坚持自主研发。不仅要在国内申请相关专利,还应在国际范围内提交PCT专利申请。

此外,持续增强研发能力亦为关键,尤其是在芯片传感器等上游零部件领域,我们必须致力于自主创新。汽车行业本质上应当走向全球化,充分实现规模效应,以加速汽车新技术更快的迭代与升级,造福于人类。

本文为专栏作者授权创业邦发表,版权归原作者所有。文章系作者个人观点,不代表创业邦立场,转载请联系原作者。如有任何疑问,请联系editor@cyzone.cn。

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