经典的汽车悬架系统解析

2022年6月21日，理想L9发布，标配的自研自适应空气悬架系统，让车身高低调节范围达到了80毫米。这套空气悬架系统可以在高速行驶时自动降低车身来节省能耗，提升操控性。在停车的时候，可以更大幅度地降低车高，让老人和孩子便捷地上下车。李想本人在发布会上也是不吝赞美：“放心好了，L9的悬架表现在500万以内的全尺寸SUV里没对手。包含舒适性、稳定性、操控性全面胜出，甚至连解决晕车的能力都是最好的。”

2022年7月16日，理想L9全国试驾首日，一台重庆门店的试驾车在通过路面坑洞后，空气悬架系统内的气腔发生破裂泄漏，最终导致车辆空气悬挂系统故障，使得车辆无法正常行驶。理想的公关回应是：“车速90km/h的状态过了一个20厘米深度的坑，导致空气弹簧内的缓冲环破损；试驾车用的缓冲环不是量产状态的零件，量产版的强度是这个的2.5倍”。本来车辆上的各种“断”大家已习以为常，但是上述忽悠消费者、欺侮圈内人的公关言论迅速收获了一众质疑。

小米汽车胡峥楠亲自下场手撕：“现在做汽车行业公关的同学真的是要好好补补专业课，否则说出来的话不是在灭火，而是变向抹黑。20厘米什么概念，您的离地间隙也没这么大吧，正常人会对着20厘米的坑高速行进吗？”扯了这么多，其实就是想表达：空气悬挂作为线控悬挂的一种，虽然和自动驾驶没有直接的血缘关系，但是在线控制动和线控转向都悉数亮相后，最近又有这个热的话题傍身，我理应炒个冷饭，科普一下线控悬架，并为线控底盘三剑客系列文章做一个收尾。

定义及组成汽车悬架系统是连接车轮（或车桥）和车架（或车身）的一套传力连接机构的总称，是汽车底盘四大系统（传动、转向、制动和悬架）之一。一套经典的汽车悬架系统主要包括弹性元件、减震器、导向机构（纵拉杆、横拉杆等）和横向稳定器等组成，如图1所示。

图1 悬架系统组成（图片来源：TheMustangSource.com）

（1）弹性元件：作为一种储能元件，主要用来直接支撑车架以及缓冲来自路面的冲击。刚度是衡量悬架抵抗变形能力的一种量度，等于悬架承受的载荷与该载荷引起的悬架的变形的比值。形式上分为刚度不可变的被动式弹性元件（扭杆弹簧、螺旋弹簧等）以及刚度可实时改变的主动式弹性元件（空气弹簧等）。普通轿车最常用的为螺旋弹簧，部分高级轿车（比如最近上市的理想L9）开始使用空气弹簧。（2）减振器：作为一种耗能元件，通过抑制弹性元件的来回摆动，来迅速衰减车架或车身的振动，防止车架或车身因弹性元件的伸缩造成反复颠簸，从而提高乘坐舒适性。阻尼则是悬架能量消耗的一种量度，形式上分为阻尼不可调的被动式减振器（液压减振器、气压减振器）和主动式减振器（CDC减振器、MRD减振器等）。

普通轿车最常用的为液压减振器，部分高级轿车开始使用电磁减振器。（3）导向机构（纵拉杆、横拉杆等）：用于传递纵向载荷和横向载荷，保证车轮相对于车架或车身的运动。（4）横向稳定器：也叫防倾杆或平衡拉杆，防止车身在转向等情况下发生过大的横向摆动，简单讲就是防侧倾。悬架分类悬架按导向机构不同可以分为独立悬架（每一侧车轮都单独地通过弹性元件挂在车身或车架下面）与非独立悬架（两侧的车轮都与一根整体式的车桥连接），按控制形式不同可以分为被动式悬架、半主动式悬架和主动式悬架。

本文以后一种方式来展开介绍。半主动式悬架及主动式悬架均属于线控悬架（或电控悬架）范畴。一、被动式悬架乘用车领域，市面上最常见的被动式悬架多采用螺旋弹簧+液压减振器的结构形式，如图2所示。被动式悬架在汽车在行驶中无法依据路面状况随时调节悬架的刚度和阻尼，智商、情商、逆商从出生那一刻起就被写死，不具有可塑性和可造性。如果前期调教偏操控性，那么舒适性就会欠佳，如果前期调教偏舒适性，那么操控性能就会欠佳，是鱼和熊掌不可兼得的关系。

图2 被动式悬架结构（图片来源：《空气悬架，国内市场有望快速增长》，华泰证券）

但是被动式悬架的成本低、技术稳定、可靠性高特点而让其成为绝大多数平民车型的量产选择。二、半主动式悬架半主动式悬架，顾名思义，就是部分性能可调。可以是采用连续阻尼控制减振器（CDC）或磁流体变阻尼控制减振器（MRD）替代传统减振器而让悬架阻尼大小变得可调，也可以是采用空气弹簧替代传统螺旋弹簧让刚度变得可调，一种结构形式如图3所示。

图3 半主动式悬架结构（资料来源：《空气悬架，国内市场有望快速增长》，华泰证券）（1）CDC连续阻尼控制减振器（Continuous Damping Control，CDC），是萨克斯（SACHS）开发的一种阻尼力可调阻尼器。CDC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空隙流动。而当车轮在颠簸时，减震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。

在这个过程中，内外腔室间小孔的大小决定了减震器的阻尼特性。玩过针筒的人会深有体会，带针头和不带针头时，推动针筒所需的力是不一样的，以CDC为核心，辅以电子控制单元、电磁控制比例阀、车身加速度传感器、车轮加速度传感器等法器，便构成了一套完整的半主动式CDC悬架。CDC悬架阻尼大小的改变就是通过控制CDC两个腔室间小孔的大小来实现的。电子控制单元首先基于外部输入数据及内部算法算出控制信号，并向CDC悬架中的电磁控制比例阀发送控制信号，驱动电磁控制比例阀里的阀芯做上、下移动。上下移动过程中阀体的节流面积会发生改变，从而实现阻尼力的改变。工作原理如动图4所示

图4 CDC悬架工作原理（图片来源：https://mp.weixin.qq.com/s/8kIsiZCt66gtB20aWkboUg）

（2）MRD磁流体变阻尼控制减振器（Magneto-rheoloical damper，MRD），是通用和德尔福联姻生下的皇子，曾在1999获得世界一百大科技成果奖。这位皇子天生怪异，不爱耍刀、枪、剑、棒，只爱耍磁流变液（Magneto-rheological Fluid，MRF），读起来都拗口的玩意。磁流变液主要由磁性微粒悬浮体（直径3-10μm、高磁导率、低矫顽力）、母液（磁性微粒悬浮的载体，低粘度、高沸点、低凝固点和较高密度）、表面活性剂三部分组成。磁流变液有一种显著的特性，就是在外加磁场下，可在短时间内（10ms）由低粘度的牛顿流体变为粘度较高的Bingham半固体，外界称其为磁流变效应。磁流变效应如动图5所示。

图5 磁流变效应（图片来源：https://www.lord.com/products-and-solutions/active-vibration-control/industrial-suspension-systems/how-does-mr-damper-work）如图6所示，一种MRD结构示意图。图中MRD使用精密设计的电磁线圈作为活塞，没有传统的卸载阀和单向阀。

当活塞向下运动时，腔内磁流变液受到挤压后通过活塞的环形阻尼通道、常通孔和环形间隙由压缩腔流动到拉伸腔，活塞向上运动类似。当磁流变液在活塞中阻尼通道中流动时，通过改变活塞电磁线圈磁场的大小，可以控制磁流变液的流动特性（流速越快→减振器越软→悬架越舒适，反之类似），从而阻尼力大小的控制。

图6 一种MRD结构示意图（图片来源：https://mp.weixin.qq.com/s/jkjTBQxi_rYrICDncOiiHw）

在MRD的身边，再配上加速度传感器、控制器及配件等一众随从，便构成了一套完整的半主动式电磁悬架系统。通用率先应用，并起名为MRC（Magnetic Ride Control）系统，最可恨的居然还申请了名称商标专利，以至于后面法拉利和奥迪使用时只能叫做SCM和AMR，徒增了世人理解的难度。

MRC可以根据不同的驾驶需求和当前路况进行快速响应，响应时间高达1ms，响应速度大概是以CDC为核心的半主动式悬架（响应时间为10ms）的十倍。这样的特点既可以支撑起赛道上刷圈拿好成绩（迅速调整悬架阻尼值，增强过弯支撑的效率，减少车身侧倾并提升轮胎侧向的抓地力），也能兼顾日常驾驶时的操控性和舒适性。好的代价就是贵，MRC过万的价格，不仅远高于传统减振器的不到千元，也高于以CDC为核心的减振系统的大几千元价格。

贵带来的系统复杂，导致故障率居高不下。发热量大导致油封失效带来的漏液问题；磁流变液的颗粒物杂志堵塞活塞空隙导致性能下降的问题；磁流变液本身的环境问题……。（3）空气弹簧空气弹簧是在柔性密闭容器内充入惰性气体或者油气混合物，利用橡胶气囊内部压缩空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件，是空气悬架的核心部件。空气弹簧主要由气囊和滚动活塞组成，气囊内充满压缩空气，活塞连接车桥或集成在悬架支柱上。空气弹簧结构示意图如图7所示。

图7 空气弹簧结构示意图（图片来源：https://www.qcwxjs.com/qicheyuanli/222404.html）

空气弹簧工作时，气囊内冲入压缩空气，形成一个压缩空气柱。载荷量增加时，弹簧高度降低，气囊容积减小，有效承载面积加大，从而导致空气弹簧的刚度增加，承载能力增大；载荷量减小时，弹簧高度升高，气囊容积增大，有效承载面积减少，从而导致空气弹簧的刚度减少，承载能力减小。因此空气弹簧在其工作行程内具有优秀的非线性刚度特性，并且其刚度特性曲线可以根据整车需求，通过调整活塞截型设计成理想的刚度曲线。

首先可以保证空气弹簧在标准高度附近具有较低的刚度，提升车辆平稳行驶时驾乘舒适性；同时在车轮上跳、空气弹簧压缩过程中，空气弹簧刚度增大，又可以有效抑制路面通过车轮传递给车身的冲击，防止缓冲块被击穿，从而进一步提升乘坐舒适性和操纵稳定性。概括下来就是空气弹簧在压缩行程中所需的压力呈指数级增长。这就意味着需要更高的压力来压缩接近行程末端的空气弹簧，从而获得整体舒适的驾驶体验。

如果再加上可改变其内部冲气量的气泵和泄气阀，就可以实现车身高度不随载荷增减而变化，从而实现高度自我调节。但是空气弹簧昂贵的成本以及较高的故障率，让很多人望而却步。三、主动式悬架主动式悬架，人如其名，非常主动，支持刚度和阻尼同时可调。主动式悬架的优秀代表就是目前褒贬不一、处于舆论漩涡的空气悬架，一种结构形式如图8所示。

图8 一种主动式悬架结构（资料来源：《空气悬架，国内市场有望快速增长》，华泰证券）

空气悬架系统主要由空气泵、电磁阀、空气弹簧、减振器和电子控制单元构成，如图9所示。电子控制单元分析传感器的数据（车身高度和车身速度传感器等数据），输出对悬架的刚度及阻尼大小的控制需求。并通过空气泵和电磁阀来调整空气弹簧气缸里的空气量和压力，改变空气弹簧的硬度和弹性系数，实现车身底盘高度调节。

图9 空气悬架系统组成（图片来源：国海证券）

装配了主动式悬架的汽车，可以在如下典型行驶工况，改善汽车行驶平顺性和操作稳定性：（1）在坑洼路面的颠簸路况下，通过主动降低阻尼力，提升车辆乘坐舒适性；（2）在铺装路面的平顺路况下，通过主动增大阻尼力，提升行驶稳定性；（3）低摩擦路面，处于不稳定状态时，减小减震器的阻尼力输出，车辆侧向加速度和横摆速度减少，从而使车辆处于稳定；（4）紧急变线时，遇到前方突发情况紧急变线时，阻尼力增大，让车辆转向更灵活，驾驶更安全；（5）急加减速时，通过调整节流阀位置产生高阻尼力来控制车辆俯仰角度，给予最佳车辆驾驶感受。

空气悬架响应更快、 舒适性更高， 广泛应用于豪华品牌车型上。然而结构复杂的弊端就是寿命不长（通常只有五年），此外故障率也较高（传感器故障、气动减震器损坏、连接部件泄漏等），在现在看来是一种老司机头疼的配置。市场线控空气悬架，当前技术已经比较成熟，受限于成本目前绝大多数应用于高端车辆。行业格局稳定，且主要是大的零部件供应商巨头在此领域，对自动驾驶的意义不明显，属于非关键部件。国外Tier1线控悬架布局早，研发底蕴深，且已有量产经验和配套用户。

德国威巴克公司、 AMK公司和Continental公司是线控悬架领域全球前三。目前大陆已经研发进展到第二代，其集成度相对于第一代产品有了极大的提高，空间更小，该系统的技术壁垒比较大。自主供应商目前大多集中于线控悬架的零部件供应。中鼎股份收购AMK部分业务后，提升了汽车电子领域的技术水平，初步具备空气悬架总成的量产能力，目前已获得东风和蔚来的订单；保隆科技则主要供应减振器和空气弹簧，已有配套客户；天润工业和拓普集团尚未有乘用车配套车型。但是由于自主供应商技术快速追赶、响应速度较国外Tier 1更快，且更加符合自主品牌主机厂降成本的需要，自主供应商有望加速国产替代。

参考资料：

什么汽车有底盘MRC系统？

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

揭秘：CDC减振器

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

编辑：黄飞