隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的舒適性和操作性的要求也越來越高，懸架作為汽車的舒適性和操作性的重要配置之一，是當(dāng)下消費(fèi)者的熱門選擇，也成為各家主機(jī)廠沖擊高端的重要配置之一?？諝鈶壹軓V泛應(yīng)用于商用車的重卡和大巴上，而乘用車領(lǐng)域主要用的是電控空氣懸架，由于成本高昂，應(yīng)用在高端乘用車上。不過，隨著國產(chǎn)替代及技術(shù)不斷成熟，懸架價(jià)格及應(yīng)用車型迅速下探。加之消費(fèi)者消費(fèi)升級及新能源車重量大、里程敏感帶來的需求提升，空氣懸架也將被應(yīng)用越來越廣泛。

一、什么是空氣懸架

汽車懸架是汽車車身（車架）與車輪之間的連接裝置，主要作用是傳遞車身與車輪之間的力矩，比如支撐力、制動(dòng)力和轉(zhuǎn)向力，并且減少崎嶇路對車身的沖擊、吸收由車輪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)，保證汽車乘坐的舒適性以及減小貨物運(yùn)輸?shù)膿p耗。通常汽車懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、減振器以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，這三部分分別起緩沖振動(dòng)、吸收振動(dòng)和傳遞力矩的作用。彈性元件與減振器共同構(gòu)成懸架的減振系統(tǒng)，是汽車懸架系統(tǒng)中最重要的部件。彈性元件具有一定的緩沖作用，能夠延長沖擊的作用時(shí)間，將單位時(shí)間內(nèi)的受力變小，實(shí)現(xiàn)緩沖的效果。而減振器可以吸收能量，將沖擊的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，將多余的振動(dòng)消耗掉，從而實(shí)現(xiàn)減振的效果。彈性元件和減振器一般并聯(lián)放置，在彈性元件壓縮與回彈的過程中，減振器同時(shí)去吸收能量，之后彈性元件恢復(fù)到原長，把車輛支撐到正常高度。為了更好的舒適性，空氣懸架系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用到汽車的減振技術(shù)當(dāng)中去。

空氣懸架系統(tǒng)作為半主動(dòng)懸架，可以控制車身底盤高度、車身傾斜度和減振阻尼系數(shù)等，能顯著提升駕駛體驗(yàn)，增加乘坐舒適性，提高汽車底盤智能化水平?？諝鈶壹芟到y(tǒng)主要由獨(dú)立式空氣彈簧、車身加速度傳感器、空氣彈簧減振器總成、空氣懸架控制器（ECU）、儲(chǔ)氣罐、供氣系統(tǒng)、分配閥和懸架高度傳感器等組成，是底盤系統(tǒng)調(diào)校、電子控制和橡膠工藝的集大成者。

二、各模塊系統(tǒng)介紹

（1）獨(dú)立式空氣彈簧

空氣彈簧總成是主動(dòng)懸架系統(tǒng)重要的減振部件。通過對空氣彈簧總成進(jìn)行充放氣，可實(shí)現(xiàn)車身的高度調(diào)節(jié)。主動(dòng)懸架中空氣彈簧代替?zhèn)鹘y(tǒng)螺旋彈簧，承載車身載荷，自身具有非線性剛度特性，可降低撞擊限位塊概率，且能夠保證懸架偏頻在不同載荷下基本保持不變，滿足舒適性需求；同時(shí)對高頻振動(dòng)有較好的隔震效果，可大幅度改善車內(nèi)聲音品質(zhì)感。
空氣彈簧主要由頂板、皮囊、緩沖塊和活塞等組成，空氣彈簧為空懸系統(tǒng)標(biāo)志性部件，皮囊制造是核心壁壘。和普通金屬彈簧相比，空氣彈簧是一個(gè)柔性密封容器，內(nèi)部充入壓縮空氣，借助空氣的可壓縮性來充當(dāng)車身和車輪之間的彈性元件，承受和傳遞垂直載荷，并能很好地緩和路面不平所帶來的沖擊。

空氣彈簧按皮囊的形式分主要有膜式空氣彈簧和袖式空氣彈簧兩種。膜式空氣彈簧主要應(yīng)用在商用車上，而袖式空氣彈簧主要應(yīng)用在乘用車上。囊式空氣彈簧由夾有簾線的橡膠皮囊和密閉在其中的壓縮空氣所組成，主要依靠橡膠氣囊的撓曲獲得形變。膜式空氣彈簧的密閉皮囊由橡膠膜片和金屬壓制件組成。囊式空氣彈簧由于皮囊之間有簾線使得中間部分無法徑向擴(kuò)張，通常承力更大，精度較難控制，主要用于商用車中。膜式空氣彈簧剛度較小，車身自然振動(dòng)頻率較低；尺寸較小，在車上便于布臵，多用在乘用車上。皮囊材料主要有天然膠（NR）和氯丁天然膠（NR/CR）；活塞的材料有鋼材、鋁材和塑料，活塞形式有自密封式、壓板式、螺栓連接式和帶或不帶附加氣室；頂板有自密封式和卷邊裝卡式。

針對空氣彈簧的理論研究主要有3類模型：多物理參數(shù)化模型、等效參數(shù)化模型和有限元分析模型。由于等效參數(shù)化模型采用剛度、阻尼、慣性、摩擦等標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)單元構(gòu)建，含有參數(shù)較少，物理意義明確，因此更適合用于車輛動(dòng)力學(xué)的仿真研究。
下圖所示是幾種常見的空氣彈簧等效參數(shù)化模型。圖a是一種彈簧－阻尼等效模型，將空氣彈簧簡化為一個(gè)線性剛度 K 和一個(gè)線性阻尼 C的并聯(lián)。圖b稱為 Nishimura 模型，模型中 K1、K2、K3 分別為由于氣體壓縮產(chǎn)生的剛度、附加氣室剛度和有效作用面積變化產(chǎn)生的剛度，λ是氣囊與附加氣室的容積比，C為氣體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生的阻尼系數(shù)，C可以是線性阻尼或者是與速度成二次方規(guī)律的非線性阻尼。圖c是多體動(dòng)力學(xué)軟件Vampire 中空氣彈簧的主要模型，K1、K2、K3、C 的意義與圖b 中的一樣，K4是串聯(lián)橡膠堆的剛度；M是排氣管內(nèi)的可變空氣質(zhì)量，其受空氣彈簧有效作用面積與排氣管截面積之比 n 的放 大作用。圖d是 Berg 三維模型中的垂向模型，該模型將空氣彈簧描述為彈性力元、摩擦力元和阻尼力 元的疊加，還包括管路空氣流動(dòng)產(chǎn)生的非線性慣性因素。模型中包含7個(gè)參數(shù)：彈性力元的等效剛度 Kez，摩擦力元的最大值 Ffz-max 和位置參數(shù) z2，阻尼力元的等效剛度 Kvz、等效阻尼系數(shù)Czβ和速度指數(shù)β，管路空氣質(zhì)量M。Vampire模型和Berg模型具有較高的預(yù)測精確度。

（2）空氣彈簧減振器總成

減振器的主要任務(wù)是在車輛駛過顛簸路面時(shí)盡快使車體平靜下來。此外，減振器必須確保車輪始終接觸地面。這兩個(gè)任務(wù)對于駕駛安全性和乘坐舒適性都有很大影響。盡管硬減振提高了駕駛安全性和動(dòng)態(tài)，卻也降低了乘客的舒適性。反之亦然，軟減振提高了駕乘舒適性，但是駕駛安全性和動(dòng)態(tài)受損。因此，空氣彈簧減振器一般采用可變阻尼的減振器，可實(shí)現(xiàn)改變阻尼力-速度曲線，以實(shí)現(xiàn)懸架軟硬的變化。主要類型有帶連續(xù)減振控制(CDC)可變阻尼減振器系統(tǒng)和MRC可變阻尼減振器系統(tǒng)。可變阻尼減振器通常和空氣彈簧裝配在一起形成彈簧減振器總成，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架效果?？諝鈴椈珊蜏p振器連接同一個(gè)控制單元，可實(shí)現(xiàn)車身高度、減振器阻尼以及彈簧剛度的同時(shí)可調(diào)，以及更高的調(diào)節(jié)頻率和精度。彈簧主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存行駛中的垂向振動(dòng)能量。此時(shí)減振器也會(huì)進(jìn)行壓縮，通過內(nèi)部減振器油液的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，傳遞到缸筒散熱，以消耗振動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)“減振”效果。

下圖a所示是一種連續(xù)阻尼控制(continuous damping control,CDC) 液壓減振器。該減振器由一個(gè)反比例電磁閥連續(xù)控制處于副壓力缸筒和儲(chǔ)油缸之間節(jié)流口的大小，從而實(shí)現(xiàn)對阻尼力的連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)反比例電磁閥無控制電流或失效時(shí)，其節(jié)流口關(guān)閉，減振器相當(dāng)于常規(guī)被動(dòng)式減振器，此時(shí)阻尼特性最硬；當(dāng)反比例電磁閥有控制，電流逐漸增大時(shí)，其節(jié)流口開啟并逐漸增大，此時(shí)阻尼特性變軟，直至最軟。圖b所示為該減振器的阻尼特性變化范圍，在深色區(qū)域內(nèi)，減振器特性較硬，車輛以獲得良好操縱穩(wěn)定性為主；在淺色區(qū)域內(nèi)，減振器特性較軟，車輛以獲得良好舒適性為主。圖c所示則是在CDC減振器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種CDC空氣彈簧液壓減振支柱，空氣彈簧帶有附加氣室，因此該減振支柱剛度、阻尼都可以變化，是當(dāng)前汽車主動(dòng)控制懸架中最先進(jìn)的減振支柱產(chǎn)品之一。

CDC可變阻尼減振器系統(tǒng)是采埃孚主動(dòng)懸架的技術(shù)，是主動(dòng)懸架技術(shù)中的標(biāo)桿，國內(nèi)的理想L9就是采用了采埃孚的CDC可變阻尼減振器技術(shù)。CDC減振器系統(tǒng)的核心部件由中央控制單元、CDC減振器、車身加速傳感器和車輪加速度傳感器以及CDC控制閥構(gòu)成，分為內(nèi)外兩個(gè)腔室，里面充滿液壓油。內(nèi)外腔室的油液可以通過之間的小孔流動(dòng)。當(dāng)車輪在顛簸時(shí)，減振器內(nèi)的活塞會(huì)在套筒內(nèi)上下移動(dòng)，腔內(nèi)的油液便在活塞的作用力下在內(nèi)外腔室間流動(dòng)，同時(shí)油液也會(huì)對活塞產(chǎn)生阻力，只要改變油液流動(dòng)過程阻力的大小，就可以改變活塞的阻力大小，也就是減振器阻尼的大小。因此只要改變兩個(gè)腔室的小孔大小，就可以改變油液的阻力，因?yàn)樵诹髁恳欢〞r(shí)，小孔的大小與液壓油的阻力是存在比例關(guān)系的。所以通過CDC控制閥來改變孔的大小就能改變油液在內(nèi)外腔室內(nèi)往復(fù)的阻力，從而改變減振器器的阻尼。CDC閥門持續(xù)使液壓阻力發(fā)生變化，低阻力產(chǎn)生軟減振，而高阻力產(chǎn)生硬減振。

采埃孚最新主動(dòng)懸架的減振器技術(shù)為帶sMOTION的雙筒減振器，但未開始上車應(yīng)用。sMOTION 減振器有一臺(tái)電泵，可以將油從上部工作缸泵到下部工作缸，或者反之。這樣會(huì)影響主動(dòng)力。旁通從泵上上行，可以激活兩個(gè)CDC閥門，閥門起始頻率為五赫茲。此類高頻場景會(huì)在當(dāng)行駛過人孔蓋、橫向接縫、碎石封層或礫石等駕駛場景的時(shí)候開始激活。sMOTION的雙筒減振器對于自動(dòng)駕駛車輛來說，主動(dòng)底盤成為一種技術(shù)方向，因?yàn)轳{駛員不再持續(xù)盯著路面。因此，隨著采埃孚即將量產(chǎn)的sMOTION雙筒減振器系統(tǒng)將會(huì)在舒適度、安全性和駕駛動(dòng)態(tài)性能上提高到另一個(gè)臺(tái)階。

（3）空氣懸架電子控制系統(tǒng)

空氣懸架電子控制模式由電子控制單元ECU、遙控器、高度傳感器、電磁閥、遙控開關(guān)等組成電控模式。
（1）電子控制單元ECU是整個(gè)控制系統(tǒng)的“指揮部”，是空氣懸架控制計(jì)算的核心單元，將接收到的信號轉(zhuǎn)換為操作指令。ECU接收的車輛信息有：每個(gè)橋左右的高度信號，每個(gè)氣囊的壓力信號、車速信號(CAN線)、遠(yuǎn)程遙控器信號等。傳感器將收集到的車身狀態(tài)信號傳給控制單元 ECU，懸架 ECU 接受傳感器輸入信號，計(jì)算得到最佳控制輸出信號，綜合調(diào)節(jié)空氣供給單元和空氣彈簧充氣放氣、減振器閥門，最后改變懸架系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)與駕駛體驗(yàn)。
（2）高度傳感器用來監(jiān)測空氣懸架的高度變化，連接高度閥的擺桿隨著載荷的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高度傳感器將信息傳遞到ECU，從而控制氣囊的充放氣。高度傳感器一般安裝在車架靠近車軸的位置，用于精確感知軸荷的變化，將偏離角度轉(zhuǎn)變成電信號輸送給ECU，為ECU提供控制依據(jù)。壓力傳感器是用來監(jiān)測氣囊壓力的變化，壓力傳感器一般安裝在氣囊上，將氣壓壓力大小轉(zhuǎn)換成電壓變化輸送給ECU，為ECU提供控制依據(jù)。
（3）電磁閥是為了接收信號及傳遞信號，是控制的執(zhí)行元件。電磁閥通過驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的線圈吸合對氣囊的充放氣或保壓進(jìn)行精確控制。它一般安裝在車架上。

空氣懸架電子控制系統(tǒng)工作原理為高度傳感器裝配在車架縱梁上，傳感器擺桿固定在車橋上，當(dāng)車橋發(fā)生運(yùn)動(dòng)，車架與其距離發(fā)生相應(yīng)改變，高度傳感器通過其擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測到這一距離的變化，然后將信息傳遞給ECU。除了高度信息外，還可以根據(jù)不同的需要配備不同的測量設(shè)備從而得到其它的一些輸入信息,如車速信息、供氣壓力和制動(dòng)信息等，ECU得到輸入信息后，根據(jù)其內(nèi)部所存儲(chǔ)的控制算法，對輸入的信息分析運(yùn)算后得到輸出控制信號，控制空氣懸架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（主要是電磁閥）準(zhǔn)確的動(dòng)作，及時(shí)地調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度、減振器阻尼，保證汽車行駛過程中的操縱穩(wěn)定性，乘坐舒適性和道路友好性。

隨著汽車電子電氣架構(gòu)的不斷演進(jìn)，車載 ECU的功能會(huì)逐漸整合，未來懸架 ECU 可能與轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等系統(tǒng)的控制單元進(jìn)行整合，集中在底盤域控制器上集中計(jì)算處理。

三、空氣懸架的開發(fā)難點(diǎn)

在空氣懸架的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需要完成輛側(cè)傾角剛度和側(cè)傾角、空氣懸架剛度、高度控制閥、運(yùn)動(dòng)上下極限、限位閥計(jì)算，并符合空氣懸架設(shè)計(jì)規(guī)范中參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；需要完成導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減震器、后穩(wěn)定桿、后導(dǎo)向臂、推力桿等多種壓鑄件的選型；并對承載零件進(jìn)行 CAE 分析，最終在保證零件強(qiáng)度的前提下，降低空氣懸架重量、優(yōu)化空氣懸架結(jié)構(gòu)。主要的難點(diǎn)包括：1）系統(tǒng)集成：空氣懸架需要各個(gè)部件協(xié)同配合，對于零部件選型、剛度調(diào)整以及對減震器與底盤結(jié)構(gòu)件耦合等需要大量的研發(fā)工作，同時(shí)對零部件底盤和整車試驗(yàn)?zāi)芰σ蔡岢鲚^高的挑戰(zhàn)；2）電控單元：電子控制單元需要收集多種傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)信息完成加工處理后再實(shí)現(xiàn)對零部件的精準(zhǔn)控制，算法開發(fā)量較大。電控執(zhí)行端空氣供給單元和閥體等需要有較強(qiáng)精密控制能力；3）橡膠氣囊：作為底盤橡膠受力復(fù)雜且對耐久性要求極高，橡膠的配方和工藝形成較高壁壘。

四、總結(jié)

空氣懸架過去主要配套高端豪華車，市場主要被外資壟斷，不管是國內(nèi)主機(jī)廠還是供應(yīng)商均缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。隨著空氣懸架成為消費(fèi)者的熱門選配尤其是小鵬、理想和蔚來等新勢力的加入，這幾家車企在車輛配置上不斷的應(yīng)用空氣懸架，使得空氣懸架迅速的進(jìn)入了大眾的視野，逐漸被普及，空氣懸架行業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期，大量的開發(fā)需求涌現(xiàn)，前景廣闊。