空气悬挂的组成和作用

空气悬挂的核心部件是空气弹簧，在正式开始前，我们先把故事主角的族谱——即悬架系统来简单介绍一下。

悬架系统的构成

悬架系统是由弹性元件（即弹簧）、减振元件（即减振器）、导向机构（如控制臂、连杆、转向节等）和横向稳定杆等构成。

其中弹性元件和减振元件主要起到缓冲减振的作用，导向机构则使车轮按照一定轨迹跳动，起导向作用，而横向稳定杆则是为了防止车辆在转向等行驶工况时发生过大的侧向倾斜。



悬架系统图示

要舒适还是要操控，这是个艰难的决定

当谈论悬架的时候，永远不可能绕开两个话题——舒适性和操纵稳定性。

舒适性和操纵稳定性就像一对冤家，这两个总是不对付，

而且脾气性格迥异，讨好一个，就会得罪另一个，很难同时讨好。这中间如何取舍，是一门非常高深的艺术。

对于整车的操纵稳定性和舒适性而言，悬架系统有两个参数非常重要，一个是弹簧的刚度，一个是减振器的阻尼系数。

舒适性指的是悬架系统（包括轮胎）对地面振动的过滤能力。

对车辆来说，路面的颠簸不平是输入，是激励，经过悬架和轮胎的过滤，传递给车身、座椅和乘客。

根据典型路面采集到的不平度的信息，处理加工可以得到路面加速度的功率谱密度（power spectral density, PSD），如下图所示。



路面输入的加速度功率谱密度

通过上图可以看出来，在低频下（小于1Hz)其功率谱密度的幅值变化不大，超过1Hz以后幅值快速增大。

对车身质量（即簧上质量）而言，当其固有频率与路面输入的功率谱密度频率相同时，会产生共振，

如下图所示，虽然1Hz和2Hz频率相差不多，但是由于输入功率谱密度幅值1Hz后快速增大，导致其在共振时的幅值也很大。



不同簧上质量固有频率行驶在道路上的加速度频谱

为了解决此问题，一般会努力将乘用车的簧上质量的固有频率设计为1Hz左右。

而簧上质量的固有频率跟什么有关呢？

根据汽车理论相关知识，可将车身和悬架系统简化为如下图所示的单质量模型。



车身单质量系统模型

可以得到簧上质量的固有频率（带阻尼）如下：



由于一般乘用车的阻尼比范围为0.2-0.4左右，其根号里的值为0.92~0.98，可以近似当做是1。

所以其固有频率可以简化为：



其中K为弹簧的刚度，m2为簧上质量。

如果要保证其固有频率为1，在m2值固定的前提下，其弹簧刚度需选的小一些，刚度越小，固有频率越接近1Hz。

但是若是刚度很小，在极限工况，车辆姿态难以保证，

如高速过弯车辆侧倾严重，而且弹簧行程很大，会碰撞到悬架的限位块，所以操纵稳定性会很差。

这是舒适性和操纵稳定性的第一个矛盾。

再说阻尼，当其他参数不变，只改变减振器阻尼比时，变化趋势如下图所示，

当阻尼比分别为0.125，0.25和0.5时，在共振区1Hz附近，阻尼比越大，其共振幅值越小；

在低频和高频共振区（约10Hz附近，此为簧下质量固有频率）之间的幅值，阻尼比越大幅值也越大。

而4~12.5Hz是人类最敏感的频率范围，在该范围阻尼比越大，幅值越大，所以提高阻尼比提高，舒适性是下降的。



再看阻尼比对操纵稳定性的影响。

当输入一个转向信号时（阶跃信号），车辆相应的产生横摆角速度的响应，类似于二阶振荡环节单位阶跃响应曲线。

当阻尼比较小时（一般乘用车的阻尼比范围为0.2~0.4）时，阻尼比越大，响应越快，超调越小。



二阶震荡环节响应与阻尼关系

下图是Buick 1949和Ferrari Monza的对比，两者最大的差异就是阻尼比，

其中Buick 1949的阻尼比远比Ferrari Monza的要小，看的出来，

阻尼比大，转向系统响应会更快，也更稳（超调小），相应的操纵稳定性就好，而这与上面提到的舒适性的希望小阻尼比的需求正好是矛盾的。

这是舒适性和操纵稳定性的第二个矛盾。



Buick 1949和Ferrari Monza的转向输入的响应

简单总结下，弹簧刚度大，也就是悬架硬，车身姿态保持和轮胎接地的性能会好，有利于操纵稳定性，但是大弹簧刚度对路面过滤差，也就是舒适性会变差。

相反，当弹簧刚度小时，舒适性好，但是由于悬架软，车辆更容易侧倾，操纵稳定性变差。

当阻尼比较大时，即减振器偏硬，在快速入弯和出弯时，车辆重量转移的速度较快，对转向的响应也较快，但是不利于舒适性。

当阻尼比较小时，减振器偏软，对地面的激励过滤的较好，舒适性好，相应的减振器偏软，对于转向的输入较慢，不利于操纵稳定性能。

悬架系统的分类

既然这一对冤家这么难伺候，就没有两全的方案吗？

我有一个大胆的想法系列——“如果这两个参数可以任意调节，在想大的时候大，想小的时候小，是不是问题就迎刃而解了？”

非常正确。

通常，根据悬架系统的弹簧刚度和减振器的阻尼比这两个参数是否可调，我们会把悬架分为三类。

1.被动悬架

在车辆开发前期，会根据车辆对操纵稳定性和平顺性的要求，对刚度和阻尼系数进行优化选择，这两个参数一旦选定后均不可调。

市面上大多数的20万以内的乘用车都是被动悬架，一辆车必须在舒适性和操控性之间取得一个平衡，也就只有一种风格。

根据不同区域的驾驶文化的差异和不同车企的偏好，会形成自己的固定的风格，一般坊间流传的欧美系偏操控，日系偏舒适，讲的就是这个道理。



最常见的麦弗逊悬架就是被动悬架

2.半主动悬架

当弹簧刚度和阻尼比中的一个参数可调时，称为半主动悬架，一般以可调阻尼比较多，

常见的有CDC（Continuous Damping Control，即阻尼连续可变系统）

和MRC（Magne Ride Control，电磁感应悬挂）。

在说可变阻尼减振器之前，先简单说一下传统的固定阻尼减振器结构。



其工作原理为，当车身与悬架做相对往复运动时，减振器内部的油液反复从活塞上室通过活塞阀上的节流孔流入活塞下部，孔壁与油液间的摩擦及液体内分子摩擦形成了阻力，即是阻尼力的来源。

而CDC的可变阻尼是通过控制两个腔室间小孔的大小来实现的。

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，

因此，通过电子控制阀门来改变孔的大小就能改变油液在内外腔室内往复的阻力，从而改变减振器的阻尼。



CDC工作原理

MRC则是在减振器内部充满磁流变液，并布置电磁线圈，磁流变液可以在磁场作用下从流动性很强的液体变成粘塑性体，并且这种变化可控、迅速、可逆，从而改变减振器的阻尼力。



MRC工作原理

可变阻尼控制减振器能大幅提高车辆的舒适性和操纵稳定性能，其传感器实时收集着路面情况、车速、驾驶者的输入，控制单元实时计算出对应工况下所需的阻尼力，再通过相应的控制器来实现阻尼力调整。

如当车辆在弯道上行驶时，弯道外侧的减振器会变得更硬，以减少车身侧倾；

在车辆刹车制动时，前桥减振器会变得更硬，以减少车辆刹车点头。

当然，驾驶者也可以根据自身的驾驶习惯选择舒适或运动的悬挂风格。

3.主动悬架

主动悬架指的是弹簧刚度和阻尼力均可调的悬架，一般指的在可变阻尼减振器的基础上加上可变刚度的弹簧，其中以空气弹簧比较常见。



常见的空气弹簧有两种，一种是囊式，常用在商用车上，一种是膜式，常用在豪华轿车上，如奥迪A8，凯迪拉克XT5，宝马7系，特斯拉Model S，蔚来NIO ES8等。



奥迪A8的空气悬挂



蔚来NIO ES8的空气弹簧和CDC可调阻尼式减振器

空气弹簧就是在空气弹簧加上主动的气泵，它可以根据实际的车辆操控和路况，来调整的充气量，从而调整车辆的操纵稳定性和舒适性。

好了，前面废话讲了这么多，主角这么上场了。那么...

空气弹簧好处都有啥？
1.舒适性会有质的提高

由于空气弹簧靠空气作为介质，刚度可以做的很小，从而很容易的将簧上质量的固有频率调整为1Hz左右，能够在路况较好时提高舒适性。

而且空气本身的特性，能够有效过滤高频振动和噪音，进一步提高了舒适性。

而且可以在负载变化时（空载和满载时），自动调整弹簧刚度，始终保证乘坐的舒适性。

2.不同驾驶模式下的风格变换

由于空气弹簧的刚度变化范围大，可以在不同驾驶模式下，通过改变空气弹簧的刚度，配合可变阻尼减振器，实现不同驾驶风格的切换。

3.车身高度可以很任性

对于乘用车而言，车身高度也是个矛盾的聚焦点。

高车身高度意味着更好的通过性，不用担心颠簸路况时对底盘的刮蹭，但是高车身高度意味着重心也高，会影响操纵稳定性。

低的车身高度意味着更好的操纵稳定性和风阻系数，但是通过性会较差。

而空气弹簧可以非常好的解决这个矛盾。

每个空气弹簧都配备一个车身高度传感器，即可以手动调整车身高度，

也可以实时调整车身高度，在路况差时通过提高车身高度来保证通过性，在良好路况时降低车身高度以保证操控性能。

虽然主动悬架有这么多好处，但是由于工艺复杂，且目前只有威巴克和康迪泰克（ContiTech）掌握了这门技术，导致成本居高不下，而且一旦损坏，维修成本非常高，目前也只在豪华轿车上应用。

最后，总结陈词一下，空气悬挂是个好东西，就是贵了点，而且容易坏 。