經(jīng)典的汽車懸架系統(tǒng)解析

2022年6月21日，理想L9發(fā)布，標(biāo)配的自研自適應(yīng)空氣懸架系統(tǒng)，讓車身高低調(diào)節(jié)范圍達(dá)到了80毫米。這套空氣懸架系統(tǒng)可以在高速行駛時自動降低車身來節(jié)省能耗，提升操控性。在停車的時候，可以更大幅度地降低車高，讓老人和孩子便捷地上下車。李想本人在發(fā)布會上也是不吝贊美：“放心好了，L9的懸架表現(xiàn)在500萬以內(nèi)的全尺寸SUV里沒對手。包含舒適性、穩(wěn)定性、操控性全面勝出，甚至連解決暈車的能力都是最好的?！?/p>

2022年7月16日，理想L9全國試駕首日，一臺重慶門店的試駕車在通過路面坑洞后，空氣懸架系統(tǒng)內(nèi)的氣腔發(fā)生破裂泄漏，最終導(dǎo)致車輛空氣懸掛系統(tǒng)故障，使得車輛無法正常行駛。理想的公關(guān)回應(yīng)是：“車速90km/h的狀態(tài)過了一個20厘米深度的坑，導(dǎo)致空氣彈簧內(nèi)的緩沖環(huán)破損；試駕車用的緩沖環(huán)不是量產(chǎn)狀態(tài)的零件，量產(chǎn)版的強(qiáng)度是這個的2.5倍”。本來車輛上的各種“斷”大家已習(xí)以為常，但是上述忽悠消費(fèi)者、欺侮圈內(nèi)人的公關(guān)言論迅速收獲了一眾質(zhì)疑。

小米汽車胡崢楠親自下場手撕：“現(xiàn)在做汽車行業(yè)公關(guān)的同學(xué)真的是要好好補(bǔ)補(bǔ)專業(yè)課，否則說出來的話不是在滅火，而是變向抹黑。20厘米什么概念，您的離地間隙也沒這么大吧，正常人會對著20厘米的坑高速行進(jìn)嗎？”扯了這么多，其實(shí)就是想表達(dá)：空氣懸掛作為線控懸掛的一種，雖然和自動駕駛沒有直接的血緣關(guān)系，但是在線控制動和線控轉(zhuǎn)向都悉數(shù)亮相后，最近又有這個熱的話題傍身，我理應(yīng)炒個冷飯，科普一下線控懸架，并為線控底盤三劍客系列文章做一個收尾。

定義及組成汽車懸架系統(tǒng)是連接車輪（或車橋）和車架（或車身）的一套傳力連接機(jī)構(gòu)的總稱，是汽車底盤四大系統(tǒng)（傳動、轉(zhuǎn)向、制動和懸架）之一。一套經(jīng)典的汽車懸架系統(tǒng)主要包括彈性元件、減震器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（縱拉桿、橫拉桿等）和橫向穩(wěn)定器等組成，如圖1所示。

圖1 懸架系統(tǒng)組成（圖片來源：TheMustangSource.com）

（1）彈性元件：作為一種儲能元件，主要用來直接支撐車架以及緩沖來自路面的沖擊。剛度是衡量懸架抵抗變形能力的一種量度，等于懸架承受的載荷與該載荷引起的懸架的變形的比值。形式上分為剛度不可變的被動式彈性元件（扭桿彈簧、螺旋彈簧等）以及剛度可實(shí)時改變的主動式彈性元件（空氣彈簧等）。普通轎車最常用的為螺旋彈簧，部分高級轎車（比如最近上市的理想L9）開始使用空氣彈簧。（2）減振器：作為一種耗能元件，通過抑制彈性元件的來回擺動，來迅速衰減車架或車身的振動，防止車架或車身因彈性元件的伸縮造成反復(fù)顛簸，從而提高乘坐舒適性。阻尼則是懸架能量消耗的一種量度，形式上分為阻尼不可調(diào)的被動式減振器（液壓減振器、氣壓減振器）和主動式減振器（CDC減振器、MRD減振器等）。

普通轎車最常用的為液壓減振器，部分高級轎車開始使用電磁減振器。（3）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（縱拉桿、橫拉桿等）：用于傳遞縱向載荷和橫向載荷，保證車輪相對于車架或車身的運(yùn)動。（4）橫向穩(wěn)定器：也叫防傾桿或平衡拉桿，防止車身在轉(zhuǎn)向等情況下發(fā)生過大的橫向擺動，簡單講就是防側(cè)傾。懸架分類懸架按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不同可以分為獨(dú)立懸架（每一側(cè)車輪都單獨(dú)地通過彈性元件掛在車身或車架下面）與非獨(dú)立懸架（兩側(cè)的車輪都與一根整體式的車橋連接），按控制形式不同可以分為被動式懸架、半主動式懸架和主動式懸架。

本文以后一種方式來展開介紹。半主動式懸架及主動式懸架均屬于線控懸架（或電控懸架）范疇。一、被動式懸架乘用車領(lǐng)域，市面上最常見的被動式懸架多采用螺旋彈簧+液壓減振器的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。被動式懸架在汽車在行駛中無法依據(jù)路面狀況隨時調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，智商、情商、逆商從出生那一刻起就被寫死，不具有可塑性和可造性。如果前期調(diào)教偏操控性，那么舒適性就會欠佳，如果前期調(diào)教偏舒適性，那么操控性能就會欠佳，是魚和熊掌不可兼得的關(guān)系。

圖2 被動式懸架結(jié)構(gòu)（圖片來源：《空氣懸架，國內(nèi)市場有望快速增長》，華泰證券）

但是被動式懸架的成本低、技術(shù)穩(wěn)定、可靠性高特點(diǎn)而讓其成為絕大多數(shù)平民車型的量產(chǎn)選擇。二、半主動式懸架半主動式懸架，顧名思義，就是部分性能可調(diào)?？梢允遣捎眠B續(xù)阻尼控制減振器（CDC）或磁流體變阻尼控制減振器（MRD）替代傳統(tǒng)減振器而讓懸架阻尼大小變得可調(diào)，也可以是采用空氣彈簧替代傳統(tǒng)螺旋彈簧讓剛度變得可調(diào)，一種結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 半主動式懸架結(jié)構(gòu)（資料來源：《空氣懸架，國內(nèi)市場有望快速增長》，華泰證券）（1）CDC連續(xù)阻尼控制減振器（Continuous Damping Control，CDC），是薩克斯（SACHS）開發(fā)的一種阻尼力可調(diào)阻尼器。CDC分為內(nèi)外兩個腔室，里面充滿液壓油。內(nèi)外腔室的油液可以通過之間的空隙流動。而當(dāng)車輪在顛簸時，減震器內(nèi)的活塞會在套筒內(nèi)上下移動，腔內(nèi)的油液便在活塞的作用力下在內(nèi)外腔室間流動。

在這個過程中，內(nèi)外腔室間小孔的大小決定了減震器的阻尼特性。玩過針筒的人會深有體會，帶針頭和不帶針頭時，推動針筒所需的力是不一樣的，以CDC為核心，輔以電子控制單元、電磁控制比例閥、車身加速度傳感器、車輪加速度傳感器等法器，便構(gòu)成了一套完整的半主動式CDC懸架。CDC懸架阻尼大小的改變就是通過控制CDC兩個腔室間小孔的大小來實(shí)現(xiàn)的。電子控制單元首先基于外部輸入數(shù)據(jù)及內(nèi)部算法算出控制信號，并向CDC懸架中的電磁控制比例閥發(fā)送控制信號，驅(qū)動電磁控制比例閥里的閥芯做上、下移動。上下移動過程中閥體的節(jié)流面積會發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)阻尼力的改變。工作原理如動圖4所示

圖4 CDC懸架工作原理（圖片來源：https://mp.weixin.qq.com/s/8kIsiZCt66gtB20aWkboUg）

（2）MRD磁流體變阻尼控制減振器（Magneto-rheoloical damper，MRD），是通用和德爾福聯(lián)姻生下的皇子，曾在1999獲得世界一百大科技成果獎。這位皇子天生怪異，不愛耍刀、槍、劍、棒，只愛耍磁流變液（Magneto-rheological Fluid，MRF），讀起來都拗口的玩意。磁流變液主要由磁性微粒懸浮體（直徑3-10μm、高磁導(dǎo)率、低矯頑力）、母液（磁性微粒懸浮的載體，低粘度、高沸點(diǎn)、低凝固點(diǎn)和較高密度）、表面活性劑三部分組成。磁流變液有一種顯著的特性，就是在外加磁場下，可在短時間內(nèi)（10ms）由低粘度的牛頓流體變?yōu)檎扯容^高的Bingham半固體，外界稱其為磁流變效應(yīng)。磁流變效應(yīng)如動圖5所示。

圖5 磁流變效應(yīng)（圖片來源：https://www.lord.com/products-and-solutions/active-vibration-control/industrial-suspension-systems/how-does-mr-damper-work）如圖6所示，一種MRD結(jié)構(gòu)示意圖。圖中MRD使用精密設(shè)計的電磁線圈作為活塞，沒有傳統(tǒng)的卸載閥和單向閥。

當(dāng)活塞向下運(yùn)動時，腔內(nèi)磁流變液受到擠壓后通過活塞的環(huán)形阻尼通道、常通孔和環(huán)形間隙由壓縮腔流動到拉伸腔，活塞向上運(yùn)動類似。當(dāng)磁流變液在活塞中阻尼通道中流動時，通過改變活塞電磁線圈磁場的大小，可以控制磁流變液的流動特性（流速越快→減振器越軟→懸架越舒適，反之類似），從而阻尼力大小的控制。

圖6 一種MRD結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：https://mp.weixin.qq.com/s/jkjTBQxi_rYrICDncOiiHw）

在MRD的身邊，再配上加速度傳感器、控制器及配件等一眾隨從，便構(gòu)成了一套完整的半主動式電磁懸架系統(tǒng)。通用率先應(yīng)用，并起名為MRC（Magnetic Ride Control）系統(tǒng)，最可恨的居然還申請了名稱商標(biāo)專利，以至于后面法拉利和奧迪使用時只能叫做SCM和AMR，徒增了世人理解的難度。

MRC可以根據(jù)不同的駕駛需求和當(dāng)前路況進(jìn)行快速響應(yīng)，響應(yīng)時間高達(dá)1ms，響應(yīng)速度大概是以CDC為核心的半主動式懸架（響應(yīng)時間為10ms）的十倍。這樣的特點(diǎn)既可以支撐起賽道上刷圈拿好成績（迅速調(diào)整懸架阻尼值，增強(qiáng)過彎支撐的效率，減少車身側(cè)傾并提升輪胎側(cè)向的抓地力），也能兼顧日常駕駛時的操控性和舒適性。好的代價就是貴，MRC過萬的價格，不僅遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)減振器的不到千元，也高于以CDC為核心的減振系統(tǒng)的大幾千元價格。

貴帶來的系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致故障率居高不下。發(fā)熱量大導(dǎo)致油封失效帶來的漏液問題；磁流變液的顆粒物雜志堵塞活塞空隙導(dǎo)致性能下降的問題；磁流變液本身的環(huán)境問題……。（3）空氣彈簧空氣彈簧是在柔性密閉容器內(nèi)充入惰性氣體或者油氣混合物，利用橡膠氣囊內(nèi)部壓縮空氣的反力作為彈性恢復(fù)力的一種彈性元件，是空氣懸架的核心部件?？諝鈴椈芍饕蓺饽液蜐L動活塞組成，氣囊內(nèi)充滿壓縮空氣，活塞連接車橋或集成在懸架支柱上?？諝鈴椈山Y(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 空氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：https://www.qcwxjs.com/qicheyuanli/222404.html）

空氣彈簧工作時，氣囊內(nèi)沖入壓縮空氣，形成一個壓縮空氣柱。載荷量增加時，彈簧高度降低，氣囊容積減小，有效承載面積加大，從而導(dǎo)致空氣彈簧的剛度增加，承載能力增大；載荷量減小時，彈簧高度升高，氣囊容積增大，有效承載面積減少，從而導(dǎo)致空氣彈簧的剛度減少，承載能力減小。因此空氣彈簧在其工作行程內(nèi)具有優(yōu)秀的非線性剛度特性，并且其剛度特性曲線可以根據(jù)整車需求，通過調(diào)整活塞截型設(shè)計成理想的剛度曲線。

首先可以保證空氣彈簧在標(biāo)準(zhǔn)高度附近具有較低的剛度，提升車輛平穩(wěn)行駛時駕乘舒適性；同時在車輪上跳、空氣彈簧壓縮過程中，空氣彈簧剛度增大，又可以有效抑制路面通過車輪傳遞給車身的沖擊，防止緩沖塊被擊穿，從而進(jìn)一步提升乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。概括下來就是空氣彈簧在壓縮行程中所需的壓力呈指數(shù)級增長。這就意味著需要更高的壓力來壓縮接近行程末端的空氣彈簧，從而獲得整體舒適的駕駛體驗(yàn)。

如果再加上可改變其內(nèi)部沖氣量的氣泵和泄氣閥，就可以實(shí)現(xiàn)車身高度不隨載荷增減而變化，從而實(shí)現(xiàn)高度自我調(diào)節(jié)。但是空氣彈簧昂貴的成本以及較高的故障率，讓很多人望而卻步。三、主動式懸架主動式懸架，人如其名，非常主動，支持剛度和阻尼同時可調(diào)。主動式懸架的優(yōu)秀代表就是目前褒貶不一、處于輿論漩渦的空氣懸架，一種結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖8 一種主動式懸架結(jié)構(gòu)（資料來源：《空氣懸架，國內(nèi)市場有望快速增長》，華泰證券）

空氣懸架系統(tǒng)主要由空氣泵、電磁閥、空氣彈簧、減振器和電子控制單元構(gòu)成，如圖9所示。電子控制單元分析傳感器的數(shù)據(jù)（車身高度和車身速度傳感器等數(shù)據(jù)），輸出對懸架的剛度及阻尼大小的控制需求。并通過空氣泵和電磁閥來調(diào)整空氣彈簧氣缸里的空氣量和壓力，改變空氣彈簧的硬度和彈性系數(shù)，實(shí)現(xiàn)車身底盤高度調(diào)節(jié)。

圖9 空氣懸架系統(tǒng)組成（圖片來源：國海證券）

裝配了主動式懸架的汽車，可以在如下典型行駛工況，改善汽車行駛平順性和操作穩(wěn)定性：（1）在坑洼路面的顛簸路況下，通過主動降低阻尼力，提升車輛乘坐舒適性；（2）在鋪裝路面的平順路況下，通過主動增大阻尼力，提升行駛穩(wěn)定性；（3）低摩擦路面，處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，減小減震器的阻尼力輸出，車輛側(cè)向加速度和橫擺速度減少，從而使車輛處于穩(wěn)定；（4）緊急變線時，遇到前方突發(fā)情況緊急變線時，阻尼力增大，讓車輛轉(zhuǎn)向更靈活，駕駛更安全；（5）急加減速時，通過調(diào)整節(jié)流閥位置產(chǎn)生高阻尼力來控制車輛俯仰角度，給予最佳車輛駕駛感受。

空氣懸架響應(yīng)更快、 舒適性更高， 廣泛應(yīng)用于豪華品牌車型上。然而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的弊端就是壽命不長（通常只有五年），此外故障率也較高（傳感器故障、氣動減震器損壞、連接部件泄漏等），在現(xiàn)在看來是一種老司機(jī)頭疼的配置。市場線控空氣懸架，當(dāng)前技術(shù)已經(jīng)比較成熟，受限于成本目前絕大多數(shù)應(yīng)用于高端車輛。行業(yè)格局穩(wěn)定，且主要是大的零部件供應(yīng)商巨頭在此領(lǐng)域，對自動駕駛的意義不明顯，屬于非關(guān)鍵部件。國外Tier1線控懸架布局早，研發(fā)底蘊(yùn)深，且已有量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和配套用戶。

德國威巴克公司、 AMK公司和Continental公司是線控懸架領(lǐng)域全球前三。目前大陸已經(jīng)研發(fā)進(jìn)展到第二代，其集成度相對于第一代產(chǎn)品有了極大的提高，空間更小，該系統(tǒng)的技術(shù)壁壘比較大。自主供應(yīng)商目前大多集中于線控懸架的零部件供應(yīng)。中鼎股份收購AMK部分業(yè)務(wù)后，提升了汽車電子領(lǐng)域的技術(shù)水平，初步具備空氣懸架總成的量產(chǎn)能力，目前已獲得東風(fēng)和蔚來的訂單；保隆科技則主要供應(yīng)減振器和空氣彈簧，已有配套客戶；天潤工業(yè)和拓普集團(tuán)尚未有乘用車配套車型。但是由于自主供應(yīng)商技術(shù)快速追趕、響應(yīng)速度較國外Tier 1更快，且更加符合自主品牌主機(jī)廠降成本的需要，自主供應(yīng)商有望加速國產(chǎn)替代。

參考資料：

什么汽車有底盤MRC系統(tǒng)？

https://mp.weixin.qq.com/s/c12SRsiqVv-ba70mt7eNDQ

揭秘：CDC減振器

https://mp.weixin.qq.com/s/8kIsiZCt66gtB20aWkboUg

編輯：黃飛