車輛空氣懸架的技術(shù)研究

摘要：懸架技術(shù)隨著汽車工業(yè)的發(fā)展、工藝技術(shù)的進(jìn)步而不斷革新，如獨(dú)立懸架、電磁懸架、液壓懸架、空氣懸架技術(shù)等，其中空氣懸架具有剛度可變的優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高汽車行駛穩(wěn)定性效果很好，同時(shí)隨著智能技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，空氣懸架也將為未來的智能汽車賦能?；诖?，概述了空氣懸架基本工作原理、技術(shù)特性及主要布置形式，介紹了空氣懸架的發(fā)展歷程、主要組成部件及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等。

關(guān)鍵詞：乘用車；空氣懸架；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U463 收稿日期：2023-05-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.023

1 前言

汽車的整體性能，主要看其可操控性和操控的精準(zhǔn)性與靈活性，以及車輛運(yùn)行中的安全性與舒適性，而兩者卻始終保持對(duì)立，很難兼顧。柔軟的懸架能夠增強(qiáng)乘坐舒適性，但操控性就要大打折扣；較硬的懸架使車輛操控性能提高，卻會(huì)導(dǎo)致乘坐舒適性的下降。如果能夠人為改變懸架的阻尼，滿足不同路況下的駕乘者實(shí)際體驗(yàn)，將成為汽車行業(yè)的一項(xiàng)重大進(jìn)步。本文基于乘用車空氣懸架進(jìn)行分析和探究，介紹了其技術(shù)、發(fā)展歷程和趨勢(shì)，以供相關(guān)學(xué)習(xí)和參考。

2 乘用車空氣懸架概述

懸架對(duì)行駛中的汽車而言有著重要作用，它能夠?qū)④囕v垂直方向上的較大沖擊力進(jìn)行弱化。汽車懸架經(jīng)歷了一個(gè)較長發(fā)展階段，最初的懸架是剛性連接的不可調(diào)整式鋼板彈簧，由于彈簧的形變活動(dòng)行程直接決定了車輛在行駛中的車身高度，也就是車身的離地間隙，但空載與滿載情況下車身的離地間隙存在較大差距，車身的離地高度越高其對(duì)復(fù)雜路面的適應(yīng)性更強(qiáng)，通過性也更好。然而實(shí)際上路況的復(fù)雜具有不可預(yù)測(cè)性，沒有任何懸架能夠做到對(duì)各種路面條件和駕乘人員需求的完全滿足，很多時(shí)候在懸架配置上都會(huì)存在舒適性與操控性之間取舍矛盾，多數(shù)時(shí)候車輛工程人員及設(shè)計(jì)人員只能采用折中處理，盡可能地兼顧多方需求。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛工程師開始探索并研發(fā)出了電控懸架系統(tǒng)。相比以往的懸架而言，它的優(yōu)勢(shì)在于具有一定程度的可調(diào)整性，能夠進(jìn)一步提升懸架的性能，這就是電控空氣懸架。它與傳統(tǒng)懸架的最大差異在于彈性元件的升級(jí)，并新增電子控制系統(tǒng)及氣泵等部件，賦予懸架智能自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

3 空氣懸架的工作原理及技術(shù)特性

3.1 空氣懸架工作原理

傳感器將收集到的信號(hào)傳遞給控制單元，控制單元判斷出車身高度的變化，經(jīng)過計(jì)算再發(fā)出指令來控制壓縮機(jī)和排氣閥，用空氣壓縮機(jī)形成壓縮空氣，并將壓縮空氣送到彈簧和減振器的空氣室中，使彈簧壓縮或者伸長，并調(diào)節(jié)空氣彈簧硬度和減震器阻尼，改變車身高度并起到減震的效果。

電控懸架集合了電子技術(shù)功能和空氣懸架原理，二者的優(yōu)勢(shì)整合實(shí)現(xiàn)了懸架系統(tǒng)的迭代更新。一般電控懸架主要包括電控元件（ECU）、空壓機(jī)、各類傳感器（車身、轉(zhuǎn)角、加速、制動(dòng)等）、空氣彈簧元件等部件，其中空氣彈簧元件包括閥門、電控減振器、雙氣室等。電控減振器中配置有小型電機(jī)，在它的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下帶動(dòng)調(diào)整量孔控制桿實(shí)現(xiàn)阻尼的多級(jí)分層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼的有效控制；閥門的主要作用是氣流大小調(diào)節(jié)，而雙氣室則是彼此連通的，它所構(gòu)成的容積空間就是空氣彈簧功能實(shí)現(xiàn)的基本支撐，此時(shí)的懸架比較柔軟；如果需要較硬一定的懸架則，需要將雙氣室之間的閥門進(jìn)行關(guān)閉，僅靠一個(gè)氣室容量來支撐空氣彈簧的作用，由此可見閥門具有調(diào)控懸架軟硬變換的作用[1]。

工作狀態(tài)下的電控懸架，閥門的相互作用可調(diào)控通向空氣彈簧元件的氣流量。通過傳感器ECU可獲得車輛行駛狀態(tài)信息，隨后對(duì)這些信息進(jìn)行分析、整理和運(yùn)算。最后向電動(dòng)機(jī)和閥門發(fā)出調(diào)控指令，以此調(diào)整空氣彈簧元件，使其可以根據(jù)實(shí)際路況條件作出軟硬變換。車輛行駛狀態(tài)下，路面平整、光滑時(shí)空氣彈簧形變不大處于正常狀態(tài)，而在坑洼崎嶇的路面，空氣彈簧則變軟，阻尼變?nèi)酰沟密囕v可以較平順的通過，減輕車身震蕩；當(dāng)遇到急彎和突發(fā)情況時(shí)，急轉(zhuǎn)彎或緊急制動(dòng)則需要較高強(qiáng)度的懸架彈簧，產(chǎn)生較大阻尼，以保證操控精確，提高車輛行駛安全性。

3.2 空氣懸架的技術(shù)特性

空氣懸架的最大優(yōu)勢(shì)在于，其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)概括如下：

a.有效隔離高頻振動(dòng)：空氣彈簧的簧載質(zhì)量與空氣壓力直接相關(guān)，可以空氣壓力為信號(hào)對(duì)制動(dòng)缸內(nèi)的氣壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)車輛的有效制動(dòng)，以此降低大幅度的震蕩，保證車輛行駛平穩(wěn)和安全。

b.舉升車身：提升越野、通過能力?？諝鈶壹芸烧{(diào)節(jié)車身高度，可以減少行車中的路面沖撞振動(dòng)和噪音，還能延長汽車零部件的使用壽命。在車輛行駛過程中。空氣彈簧自行進(jìn)行軟件度轉(zhuǎn)換，使得車身離地間隙靈活調(diào)控，以滿足各種路況的行駛需求，使得車輛的路面通過性更好，也為駕乘人員帶來更好的舒適度體驗(yàn)。

c.高速時(shí)降低車身：降能耗、更安全?？諝鈶壹転閯偠瓤勺兊姆蔷€性懸架，其懸架質(zhì)量較輕，彈簧剛度較低，當(dāng)汽車在高速行駛時(shí)，輪胎與地面之間的摩擦阻力加大，使得剎車制動(dòng)更靈敏，有效縮短制動(dòng)距離；在轉(zhuǎn)向操作時(shí)，可以防止轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)角過小，增強(qiáng)轉(zhuǎn)向操控性；可以有效調(diào)節(jié)減振器阻尼，降低抗俯仰和側(cè)傾，從而提升整車的操控性及安全性。

d.顯著提升車輛品質(zhì)感：智能空氣懸掛可以在駕乘人員開啟車門時(shí)降低車身高度，使得上下車更便捷；可以過濾高頻噪音，改善車內(nèi)聲音品質(zhì)，提升高級(jí)感，該技術(shù)主要作為中高端車型標(biāo)配。

4 空氣懸架的發(fā)展歷程

空氣彈簧的雛形出現(xiàn)在19世紀(jì)中期的西方工業(yè)國家，早期用于機(jī)械設(shè)備的隔振，首次使用是在1947年的美國普爾曼汽車中。到1964年，該技術(shù)被德國大量引入，主要用于大中型客車上。目前，空氣懸架在歐美等發(fā)達(dá)國家的高級(jí)轎車、豪華客車，以及中型、重型貨車等車型上都有較為廣泛的應(yīng)用。從國外空氣懸架的發(fā)展歷史來看，它經(jīng)歷了“鋼板彈簧→氣囊復(fù)合式懸架→被動(dòng)全空氣懸架→主動(dòng)全空氣懸架（即ECAS電控空氣懸架系統(tǒng)）”的升級(jí)發(fā)展過程。ECAS作為較先進(jìn)的懸架系統(tǒng)，極大地提升了懸架系統(tǒng)的整體性能，增強(qiáng)了汽車對(duì)各種復(fù)雜路面條件的自適應(yīng)、自調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)控制，并且它在眾多電子輔助設(shè)備的加持下，具有了多種輔助功能（如故障診斷功能等）。目前在歐美國家的諸多高級(jí)汽車及重型客車上都配置有ECAS系統(tǒng)。

1958年我國首先研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高度控制閥，1959年在此基礎(chǔ)上研發(fā)設(shè)計(jì)出了適用于轎車的高度控制閥。在20世紀(jì)世紀(jì)50年代中，我國先后研究制成的空氣彈簧氣囊超過10種，另有3種性能不一的高度控制閥，但由于技術(shù)水平有限，我國自研的轎車高度控制閥存在密封性問題，使用中對(duì)汽車懸架的穩(wěn)定性造成了一定影響。

20世紀(jì)80年代初，長春汽研所在總結(jié)以往的技術(shù)成果基礎(chǔ)上，再次啟動(dòng)了空氣懸架研究項(xiàng)目，研發(fā)設(shè)計(jì)的新型空氣懸架裝配到武漢客車廠所產(chǎn)大巴車上，新懸架的應(yīng)用將客車自振頻率降低為1.1～1.2 Hz，提高平均車速17%左右，此后相繼開發(fā)了一系列客車用空氣懸架。但是仍然沒有有效解決空氣懸架橡膠氣囊使用壽命較短，高度閥泄漏嚴(yán)重的技術(shù)缺陷[2]。

隨著我國機(jī)械制造工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車空氣懸架也獲得了很多新技術(shù)支持，發(fā)展較快，目前我國一些汽車制造企業(yè)已經(jīng)具備了空氣懸架的研發(fā)、生產(chǎn)及設(shè)計(jì)能力，但自主創(chuàng)新能力還比較弱，核心技術(shù)及設(shè)計(jì)方案仍然對(duì)外有著較大依賴性。同時(shí)由于成本高昂因而主要配置在高級(jí)客車、豪華轎車品牌上，整體來看汽車行業(yè)中空氣懸架的配置率還不高。

5 空氣懸架的關(guān)鍵部件及新技術(shù)應(yīng)用

空氣懸架主要由系列功能部件及管路組成的一個(gè)總成系統(tǒng)，其核心功能部件包括空氣彈簧、減振器、空氣壓縮機(jī)、控制器、傳感器等，具體構(gòu)成如圖1所示。

5.1 空氣彈簧

空氣懸架的空氣彈簧結(jié)構(gòu)形態(tài)可以分為嚢式、袖式、膜式空氣彈簧。囊式空氣彈簧多用于商用車，由于工作時(shí)橡膠膜曲率變化小，彈簧使用壽命長；袖式空氣彈簧多用于商用車駕駛室懸置和駕駛員座椅；乘用車一般使用的是膜式空氣彈簧，它通過改變活塞形狀和尺寸控制其有效面積變化率，得到更為理想的反S形的彈性特性曲線，但使用壽命一般不如囊式長[3]。

隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，汽車空氣彈簧逐漸從以往的單腔向雙腔、三腔方向升級(jí)。

相比單腔而言，雙腔和三腔的氣室增多，使得空氣彈簧的彈性更好，更有助于乘用車使用過程中的剛度調(diào)節(jié)。其中雙腔空氣彈簧擁有兩個(gè)氣室，其剛度隨位移成非線性變化，有兩條剛度曲線，設(shè)計(jì)位置處的剛度比可以達(dá)到1.5。目前雙腔空氣彈簧已經(jīng)被大量應(yīng)用到高檔量產(chǎn)車型中，如第二代保時(shí)捷卡宴、2020款寶馬X5、保時(shí)捷2022款Macan系列等。

三腔空氣彈簧，將原來的單腔氣室分為三個(gè)不同容積的氣室，剛度隨位移成非線性變化，有四條剛度曲線，設(shè)計(jì)位置處的剛度比可以做到2.0。它在一定程度上可以取代被動(dòng)穩(wěn)定桿，由其氣室能夠通過一個(gè)閥門分隔或連通，能夠根據(jù)實(shí)際路況需要，通過改變承載車輛的空氣容積而調(diào)整空氣彈簧的剛性，降低轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)傾角，從而提高路面通過性和駕駛舒適度。但是由于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，制造成本也更高，因此主要用于高端車輛的懸架系統(tǒng)。如在2018年款奔馳GLC的懸架系統(tǒng)中就配置有三腔空氣彈簧，該彈簧同時(shí)配置了連續(xù)可調(diào)式減震器“AIR BODY CONTROL”。圖2所示為2018款奔馳GLC中配置的三腔空氣彈簧，其前軸和后軸汽輪控制機(jī)構(gòu)中配有4個(gè)水平高度的傳感器（圖中序號(hào)5和序號(hào)8），車身上裝有3個(gè)加速傳感器（4、7）。

5.2 減震器

隨著技術(shù)的不斷迭代升級(jí)，減振器出現(xiàn)了多種產(chǎn)品形式，未來將由傳統(tǒng)的被動(dòng)減振器向半主動(dòng)、主動(dòng)減振器發(fā)展。以往的雙模/四模減振器只能提供固定的兩/四條阻尼曲線，且成本不低，已經(jīng)被很多OEM所摒棄；磁流變減振器成本過高，且很多技術(shù)難點(diǎn)難以突破，市場(chǎng)上也沒有推廣開來，至少極少數(shù)的車型在應(yīng)用；單閥減振器成本適中，現(xiàn)在中高級(jí)車輛上廣泛應(yīng)用。

減震器的最新技術(shù)和產(chǎn)品是雙閥減震器，也就是帶雙閥控壓技術(shù)的減振器機(jī)構(gòu)。雙閥減震器包括內(nèi)、外兩個(gè)筒體，兩者之間形成型腔，內(nèi)筒以過油孔與型腔相通，上連接座上設(shè)有壓縮閥系、復(fù)原閥系、油管接口并以橡膠襯套經(jīng)密封；共有四道油路，第一道油路位于壓縮閥系與內(nèi)筒之間，第二道油路位于壓縮閥系與油管接口之間，第三道油路設(shè)計(jì)在油管接口與復(fù)原閥系之間，第四道油路則位于復(fù)原閥系與型腔之間。它主要通過利用雙閥對(duì)油路流量進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮、復(fù)原阻尼力的獨(dú)立可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)更大的阻尼帶寬，滿足不同用戶的多工況使用需求。

當(dāng)今，汽車行業(yè)雙閥減振器以更高的性能獲得各大車企青睞，作為主動(dòng)懸架最優(yōu)的減振器解決方案，它成為奔馳、寶馬等豪華品旗艦車型標(biāo)配，是當(dāng)今減振器發(fā)展的主流趨勢(shì)，各大減振器供應(yīng)商均投入大量人力在雙閥減振器研發(fā)上，比如ZF、Bilstein和Tenneco。

5.3 壓縮機(jī)

ECU空氣供給單元通過調(diào)控氣體進(jìn)出量，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧軟硬程度及長度的調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)一般采用單級(jí)往復(fù)活塞式，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的壓縮處理。為了避免壓縮空氣產(chǎn)生冷凝水導(dǎo)致相關(guān)部件發(fā)生銹蝕，需要對(duì)這些空氣進(jìn)行除濕干燥處理；為保證系統(tǒng)內(nèi)有足夠的剩余壓力和限壓，需要用到氣動(dòng)排氣閥；為保證和進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)工作溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要在其缸蓋上配裝溫度傳感器，將空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間與溫度信號(hào)傳輸給懸架控制單元，以便計(jì)算出空氣壓縮機(jī)工作的極限溫度，一旦其工作溫度超過某個(gè)界限值，就要立即關(guān)?？諌簷C(jī)，防治其過熱損壞。

5.4 控制器（ECU）

ECU通過傳感器獲得車輛行駛中的各項(xiàng)信號(hào)，隨即對(duì)車速、車身高度的狀態(tài)進(jìn)行判定和核算，最后對(duì)壓縮機(jī)和排氣閥發(fā)出調(diào)控指令，使用空壓機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣同時(shí)將其送到彈簧和減振器的空氣室中，壓縮和伸長彈簧，實(shí)現(xiàn)彈簧形變程度和減震器阻尼的調(diào)控，從而改變車身高度并起到減震的效果[4]。軟件系統(tǒng)符合AUTOSAR框架，并采用自動(dòng)代碼生成技術(shù)，具有良好的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。硬件系統(tǒng)按照模塊化、平臺(tái)化開發(fā)，可以滿足不同配置（電控空氣彈簧系統(tǒng)、電控油氣彈簧系統(tǒng)、電控減振器系統(tǒng)）的需要。

5.5 傳感器

由于模擬傳感器無法自行計(jì)算相對(duì)位置，且精度較低，目前主流的為PSI5傳感器（數(shù)字式）。PSI5協(xié)議是由Bosch倡議發(fā)起的，針對(duì)主流安全件以外其他傳感器的統(tǒng)一規(guī)范，因此，除高度傳感器外，加速度傳感器也可使用PSI5協(xié)議。使用PSI5傳感器可以方便布線，也可以節(jié)約控制器芯片引腳。PSI5傳感器電壓范圍較寬，適應(yīng)性更強(qiáng)，必將成為今后的主流產(chǎn)品。

5.6 儲(chǔ)氣罐

儲(chǔ)氣罐屬于空氣壓縮機(jī)配套部件，可以及時(shí)響應(yīng)ECU信號(hào)。儲(chǔ)氣罐的工作壓力為1.2 MPa，要求具有較強(qiáng)的耐壓性、密封性和防腐性，其中耐壓性是指儲(chǔ)氣罐在4倍額定工作氣壓下進(jìn)行10 min靜態(tài)液壓試驗(yàn)后，不能有裂紋，且周向永久變形不能超過1%；密封性是指儲(chǔ)氣罐在1.5倍最大額定工作氣壓下，保壓3 min不得漏氣，接頭處允許用密封劑；防腐性是指40 h鹽霧試驗(yàn)后，允許有微小和分散的腐蝕點(diǎn)。樣板邊緣和焊縫、螺紋處的腐蝕可不考慮。隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求的不斷提高，汽車產(chǎn)品也將走向更加高端、智能的發(fā)展道路，未來乘用車的懸架系統(tǒng)應(yīng)滿足更加復(fù)雜的路況需求，因此其技術(shù)也將不斷升級(jí)發(fā)展。

6 結(jié)語

空氣懸架是對(duì)傳統(tǒng)懸架的升級(jí)發(fā)展，它進(jìn)一步提高了駕乘舒適度和操控性和安全性，未來隨著新能源逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車，空氣懸架也將憑借自身的電控優(yōu)勢(shì)為智能汽車提供技術(shù)賦能，推動(dòng)汽車行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。

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作者簡介：

肖磊，男，1984年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P零部件設(shè)計(jì)、汽車NVH。