汽车空气悬架技术分析

随着汽车技术的发展，人们对汽车的舒适性和操作性的要求也越来越高，悬架作为汽车的舒适性和操作性的重要配置之一，是当下消费者的热门选择，也成为各家主机厂冲击高端的重要配置之一。空气悬架广泛应用于商用车的重卡和大巴上，而乘用车领域主要用的是电控空气悬架，由于成本高昂，应用在高端乘用车上。不过，随着国产替代及技术不断成熟，悬架价格及应用车型迅速下探。加之消费者消费升级及新能源车重量大、里程敏感带来的需求提升，空气悬架也将被应用越来越广泛。

一、什么是空气悬架

汽车悬架是汽车车身（车架）与车轮之间的连接装置，主要作用是传递车身与车轮之间的力矩，比如支撑力、制动力和转向力，并且减少崎岖路对车身的冲击、吸收由车轮运动产生的振动，保证汽车乘坐的舒适性以及减小货物运输的损耗。通常汽车悬架结构由弹性元件、减振器以及导向机构组成，这三部分分别起缓冲振动、吸收振动和传递力矩的作用。弹性元件与减振器共同构成悬架的减振系统，是汽车悬架系统中最重要的部件。弹性元件具有一定的缓冲作用，能够延长冲击的作用时间，将单位时间内的受力变小，实现缓冲的效果。而减振器可以吸收能量，将冲击的动能转化为热能，将多余的振动消耗掉，从而实现减振的效果。弹性元件和减振器一般并联放置，在弹性元件压缩与回弹的过程中，减振器同时去吸收能量，之后弹性元件恢复到原长，把车辆支撑到正常高度。为了更好的舒适性，空气悬架系统逐渐被应用到汽车的减振技术当中去。

空气悬架系统作为半主动悬架，可以控制车身底盘高度、车身倾斜度和减振阻尼系数等，能显著提升驾驶体验，增加乘坐舒适性，提高汽车底盘智能化水平。空气悬架系统主要由独立式空气弹簧、车身加速度传感器、空气弹簧减振器总成、空气悬架控制器（ECU）、储气罐、供气系统、分配阀和悬架高度传感器等组成，是底盘系统调校、电子控制和橡胶工艺的集大成者。

二、各模块系统介绍

（1）独立式空气弹簧

空气弹簧总成是主动悬架系统重要的减振部件。通过对空气弹簧总成进行充放气，可实现车身的高度调节。主动悬架中空气弹簧代替传统螺旋弹簧，承载车身载荷，自身具有非线性刚度特性，可降低撞击限位块概率，且能够保证悬架偏频在不同载荷下基本保持不变，满足舒适性需求；同时对高频振动有较好的隔震效果，可大幅度改善车内声音品质感。
空气弹簧主要由顶板、皮囊、缓冲块和活塞等组成，空气弹簧为空悬系统标志性部件，皮囊制造是核心壁垒。和普通金属弹簧相比，空气弹簧是一个柔性密封容器，内部充入压缩空气，借助空气的可压缩性来充当车身和车轮之间的弹性元件，承受和传递垂直载荷，并能很好地缓和路面不平所带来的冲击。

空气弹簧按皮囊的形式分主要有膜式空气弹簧和袖式空气弹簧两种。膜式空气弹簧主要应用在商用车上，而袖式空气弹簧主要应用在乘用车上。囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶皮囊和密闭在其中的压缩空气所组成，主要依靠橡胶气囊的挠曲获得形变。膜式空气弹簧的密闭皮囊由橡胶膜片和金属压制件组成。囊式空气弹簧由于皮囊之间有帘线使得中间部分无法径向扩张，通常承力更大，精度较难控制，主要用于商用车中。膜式空气弹簧刚度较小，车身自然振动频率较低；尺寸较小，在车上便于布臵，多用在乘用车上。皮囊材料主要有天然胶（NR）和氯丁天然胶（NR/CR）；活塞的材料有钢材、铝材和塑料，活塞形式有自密封式、压板式、螺栓连接式和带或不带附加气室；顶板有自密封式和卷边装卡式。

针对空气弹簧的理论研究主要有3类模型：多物理参数化模型、等效参数化模型和有限元分析模型。由于等效参数化模型采用刚度、阻尼、惯性、摩擦等标准力学单元构建，含有参数较少，物理意义明确，因此更适合用于车辆动力学的仿真研究。
下图所示是几种常见的空气弹簧等效参数化模型。图a是一种弹簧－阻尼等效模型，将空气弹簧简化为一个线性刚度 K 和一个线性阻尼 C的并联。图b称为 Nishimura 模型，模型中 K1、K2、K3 分别为由于气体压缩产生的刚度、附加气室刚度和有效作用面积变化产生的刚度，λ是气囊与附加气室的容积比，C为气体流经节流孔时产生的阻尼系数，C可以是线性阻尼或者是与速度成二次方规律的非线性阻尼。图c是多体动力学软件Vampire 中空气弹簧的主要模型，K1、K2、K3、C 的意义与图b 中的一样，K4是串联橡胶堆的刚度；M是排气管内的可变空气质量，其受空气弹簧有效作用面积与排气管截面积之比 n 的放 大作用。图d是 Berg 三维模型中的垂向模型，该模型将空气弹簧描述为弹性力元、摩擦力元和阻尼力 元的叠加，还包括管路空气流动产生的非线性惯性因素。模型中包含7个参数：弹性力元的等效刚度 Kez，摩擦力元的最大值 Ffz-max 和位置参数 z2，阻尼力元的等效刚度 Kvz、等效阻尼系数Czβ和速度指数β，管路空气质量M。Vampire模型和Berg模型具有较高的预测精确度。

（2）空气弹簧减振器总成

减振器的主要任务是在车辆驶过颠簸路面时尽快使车体平静下来。此外，减振器必须确保车轮始终接触地面。这两个任务对于驾驶安全性和乘坐舒适性都有很大影响。尽管硬减振提高了驾驶安全性和动态，却也降低了乘客的舒适性。反之亦然，软减振提高了驾乘舒适性，但是驾驶安全性和动态受损。因此，空气弹簧减振器一般采用可变阻尼的减振器，可实现改变阻尼力-速度曲线，以实现悬架软硬的变化。主要类型有带连续减振控制(CDC)可变阻尼减振器系统和MRC可变阻尼减振器系统。可变阻尼减振器通常和空气弹簧装配在一起形成弹簧减振器总成，以实现主动悬架效果。空气弹簧和减振器连接同一个控制单元，可实现车身高度、减振器阻尼以及弹簧刚度的同时可调，以及更高的调节频率和精度。弹簧主要负责储存行驶中的垂向振动能量。此时减振器也会进行压缩，通过内部减振器油液的往复运动将机械能转化为热能，传递到缸筒散热，以消耗振动能量，实现“减振”效果。

下图a所示是一种连续阻尼控制(continuous damping control,CDC) 液压减振器。该减振器由一个反比例电磁阀连续控制处于副压力缸筒和储油缸之间节流口的大小，从而实现对阻尼力的连续调节。当反比例电磁阀无控制电流或失效时，其节流口关闭，减振器相当于常规被动式减振器，此时阻尼特性最硬；当反比例电磁阀有控制，电流逐渐增大时，其节流口开启并逐渐增大，此时阻尼特性变软，直至最软。图b所示为该减振器的阻尼特性变化范围，在深色区域内，减振器特性较硬，车辆以获得良好操纵稳定性为主；在浅色区域内，减振器特性较软，车辆以获得良好舒适性为主。图c所示则是在CDC减振器基础上设计的一种CDC空气弹簧液压减振支柱，空气弹簧带有附加气室，因此该减振支柱刚度、阻尼都可以变化，是当前汽车主动控制悬架中最先进的减振支柱产品之一。

CDC可变阻尼减振器系统是采埃孚主动悬架的技术，是主动悬架技术中的标杆，国内的理想L9就是采用了采埃孚的CDC可变阻尼减振器技术。CDC减振器系统的核心部件由中央控制单元、CDC减振器、车身加速传感器和车轮加速度传感器以及CDC控制阀构成，分为内外两个腔室，里面充满液压油。内外腔室的油液可以通过之间的小孔流动。当车轮在颠簸时，减振器内的活塞会在套筒内上下移动，腔内的油液便在活塞的作用力下在内外腔室间流动，同时油液也会对活塞产生阻力，只要改变油液流动过程阻力的大小，就可以改变活塞的阻力大小，也就是减振器阻尼的大小。因此只要改变两个腔室的小孔大小，就可以改变油液的阻力，因为在流量一定时，小孔的大小与液压油的阻力是存在比例关系的。所以通过CDC控制阀来改变孔的大小就能改变油液在内外腔室内往复的阻力，从而改变减振器器的阻尼。CDC阀门持续使液压阻力发生变化，低阻力产生软减振，而高阻力产生硬减振。

采埃孚最新主动悬架的减振器技术为带sMOTION的双筒减振器，但未开始上车应用。sMOTION 减振器有一台电泵，可以将油从上部工作缸泵到下部工作缸，或者反之。这样会影响主动力。旁通从泵上上行，可以激活两个CDC阀门，阀门起始频率为五赫兹。此类高频场景会在当行驶过人孔盖、横向接缝、碎石封层或砾石等驾驶场景的时候开始激活。sMOTION的双筒减振器对于自动驾驶车辆来说，主动底盘成为一种技术方向，因为驾驶员不再持续盯着路面。因此，随着采埃孚即将量产的sMOTION双筒减振器系统将会在舒适度、安全性和驾驶动态性能上提高到另一个台阶。

（3）空气悬架电子控制系统

空气悬架电子控制模式由电子控制单元ECU、遥控器、高度传感器、电磁阀、遥控开关等组成电控模式。
（1）电子控制单元ECU是整个控制系统的“指挥部”，是空气悬架控制计算的核心单元，将接收到的信号转换为操作指令。ECU接收的车辆信息有：每个桥左右的高度信号，每个气囊的压力信号、车速信号(CAN线)、远程遥控器信号等。传感器将收集到的车身状态信号传给控制单元 ECU，悬架 ECU 接受传感器输入信号，计算得到最佳控制输出信号，综合调节空气供给单元和空气弹簧充气放气、减振器阀门，最后改变悬架系统各项参数与驾驶体验。
（2）高度传感器用来监测空气悬架的高度变化，连接高度阀的摆杆随着载荷的变化而转动时，高度传感器将信息传递到ECU，从而控制气囊的充放气。高度传感器一般安装在车架靠近车轴的位置，用于精确感知轴荷的变化，将偏离角度转变成电信号输送给ECU，为ECU提供控制依据。压力传感器是用来监测气囊压力的变化，压力传感器一般安装在气囊上，将气压压力大小转换成电压变化输送给ECU，为ECU提供控制依据。
（3）电磁阀是为了接收信号及传递信号，是控制的执行元件。电磁阀通过驱动相应的线圈吸合对气囊的充放气或保压进行精确控制。它一般安装在车架上。

空气悬架电子控制系统工作原理为高度传感器装配在车架纵梁上，传感器摆杆固定在车桥上，当车桥发生运动，车架与其距离发生相应改变，高度传感器通过其摆杆的转动实时监测到这一距离的变化，然后将信息传递给ECU。除了高度信息外，还可以根据不同的需要配备不同的测量设备从而得到其它的一些输入信息,如车速信息、供气压力和制动信息等，ECU得到输入信息后，根据其内部所存储的控制算法，对输入的信息分析运算后得到输出控制信号，控制空气悬架的执行机构（主要是电磁阀）准确的动作，及时地调节空气弹簧刚度、减振器阻尼，保证汽车行驶过程中的操纵稳定性，乘坐舒适性和道路友好性。

随着汽车电子电气架构的不断演进，车载 ECU的功能会逐渐整合，未来悬架 ECU 可能与转向、制动等系统的控制单元进行整合，集中在底盘域控制器上集中计算处理。

三、空气悬架的开发难点

在空气悬架的设计开发过程中，需要完成辆侧倾角刚度和侧倾角、空气悬架刚度、高度控制阀、运动上下极限、限位阀计算，并符合空气悬架设计规范中参数标准；需要完成导向机构、减震器、后稳定杆、后导向臂、推力杆等多种压铸件的选型；并对承载零件进行 CAE 分析，最终在保证零件强度的前提下，降低空气悬架重量、优化空气悬架结构。主要的难点包括：1）系统集成：空气悬架需要各个部件协同配合，对于零部件选型、刚度调整以及对减震器与底盘结构件耦合等需要大量的研发工作，同时对零部件底盘和整车试验能力也提出较高的挑战；2）电控单元：电子控制单元需要收集多种传感器发出的数据信息完成加工处理后再实现对零部件的精准控制，算法开发量较大。电控执行端空气供给单元和阀体等需要有较强精密控制能力；3）橡胶气囊：作为底盘橡胶受力复杂且对耐久性要求极高，橡胶的配方和工艺形成较高壁垒。

四、总结

空气悬架过去主要配套高端豪华车，市场主要被外资垄断，不管是国内主机厂还是供应商均缺乏相关经验。随着空气悬架成为消费者的热门选配尤其是小鹏、理想和蔚来等新势力的加入，这几家车企在车辆配置上不断的应用空气悬架，使得空气悬架迅速的进入了大众的视野，逐渐被普及，空气悬架行业进入爆发期，大量的开发需求涌现，前景广阔。