魔毯的感觉　认识空气悬架系统

2022-03-21许晖

汽车之友 2022年6期

许晖

如果说汽车被发明出来最基本的诉求，是如何将所承载的人或者物体从A点运送到B 点，那么一个足以承载人或货物的桥箱外加四个轮子足矣。在轻松气氛且不那么严谨的氛围下，去讨论到底哪些汽车配件是不能缺少的，估计除了车轮与动力系统外，不会有太多的选项。没有车灯大不了晚上不开;没有车壳顶多沐浴风雨;没有座椅，又不是没见过站着开车。但是如果没有悬架系统，那么颠坏了车上的货物事小，估计等不到停车您就要提早预约脊椎按摩，并直接开去医院了。

各种路况需要悬架系统去逐一应对

讨论悬架系统对于车辆的重要性，我们要先从车辆所行驶的路面说起。根据牛顿运动定律可以知道，所有力都有大小和方向。如果车辆所行驶的道路是完全平坦没有任何起伏，那么可以说压根不需要悬架系统。但这终归是一个美好的愿望，即使是全新铺装的高速公路，也不可能做到完全平坦。这些高低起伏甚至明显颠簸的路面，都会导致车轮垂直于路面上下移动。也就是说车轮无时无刻都在经历着各式各样的垂直加速度。倘若没有悬架系统的参与，那么这是一台没有人愿意搭乘的车辆，也是一台因无法滤掉振动造成各部位金属疲劳，无法长久使用的车辆。悬架系统主要功能就是最大限度地，提高车辆在道路上行驶时的整体性能。作为车架和道路之间唯一接触的部分，悬架系统还负责吸收道路颠簸，提供更为安全舒适的乘坐体验。

车辆在运动之中始终受到来各方面力的影响

没有悬架车辆基本没有越野能力

1906年螺旋弹簧首次出现在BrushRunabout量產车上

悬架系统何时真正出现，似乎已经没有溯源的意义。大致可分为早期悬架以及现代悬架两个阶段。早期悬架有明确记载的大概是人类使用牛车的年代。当时的悬架系统是通过简单的铁链，将桥箱悬架于轮子上面，以铁链的摇摆减缓路面冲击。虽然17 世纪初期，铁链基本已被更为柔韧的皮带所取代，但时至今日世界各地不少地区仍然可以寻找到类似的使用案例。这些应用在畜力车辆上的悬架被统称为早期悬架系统。

现代悬架系统的出现，最大原因是因为用于原有畜力车辆的早期悬架，只能适应相对较慢的速度。而无法匹配上内燃机驱动车辆更高速的行驶需求。真要算起来，1750年在部分重型马车上出现并沿用至今的板簧减振设计，算是第一个现代悬架系统。区别仅仅在于当年重型马车所使用的是坚固木材制造的板簧，而如今重型车辆所使用的，则是低碳钢材所制造的多层板簧。

1901年，法国的Mors 汽车首先安装了带有弹簧的阻尼减振器，同年HenriFournier凭借这台具有阻尼悬架系统的“Mors Machine”，比次名获得者快了接近半小时赢得著名的巴黎到柏林比赛。螺旋弹簧诞生于1906 年Brush Motor Company制造的Brush Runabout量产车上。如今，螺旋弹簧作为除了板簧之外的悬架系统之中不可或缺的关键部件，仍被大多数汽车所采用。1920年扭力梁出现在LeylandMotors的悬架系统之中。至于被誉为被动式悬架系统之中效果最棒的独立悬架设计，其第一次登台亮相就是以独立前悬架的形式，被安装在1922年蓝旗亚Lambd上，并在1932年开始逐步普及到整个大众市场汽车之中。除了民用车辆对于悬架系统的需求，赛车领域其实同样讲究。2002年，MalcolmC.Smith发明了一种新的被动悬架组件，即惯性器。这种设计能够使用飞轮增加车辆悬架的有效惯性，但不会显著增加质量。它最初被秘密用于一级方程式赛车，后来扩展到更广泛的赛车运动之中。

悬架由轮胎、弹簧、减震器和连杆组成

柔性皮带作为悬架的马车

细心的读者可能会发现，上面所介绍的各种悬架系统，基本都是由弹簧、减振器（筒）以及导向机构等部件所组成。而它们的工作原理也无一例外，都是被动作用于那些来自行驶之中的各种外力，其中弹簧主要起到减缓冲击力的作用，减振器则负责衰减这些由冲击力而引起的承载系统振动，各种外力在经过逐级缓冲与衰减之后，真正传递到车身的冲击力被有效地抑制和抵消。最终达成提升车辆性能以及驾乘舒适度的目的。基于其工作原理，这些悬架系统通常被称为被动式悬架系统或者传统悬架系统。

与其被动接招不如主动出招，是不少有追求的人与生俱来的选择。目前占据悬架系统绝大部分市场份额的，依然是各种各样的被动悬架系统，可无法避免只有在感受到外力作用，系统才能被动去处理这些复杂情况，后知后觉的结果通常就是慢上半拍。举个简单的例子，倘若悬架系统仍在消化着头一个坑所带来的冲击力，瞬间迎来下一个更大的坑。那么接踵而至的将会是车体结结实实地砸向路面的一刻。毕竟此时弹簧以及减振筒仍在拼了老命尝试回弹到行程原位，就算已经回弹了一半，那么减振效果也同样只具有原本的一半而已。更别提若还没回弹，那么悬架系统和桥箱直接等于一个硬链接整体，别说被动悬架系统举手投降，换谁都没辙。这也解释了为什么对于越野路段等较为颠簸的行驶状况，只能通过减慢车速来应对。不是车速不想快，而是真的没办法快起来，被动悬架系统此时所遭遇的车速瓶颈与当年早期悬架系统无法应对内燃机车速所面临的窘境如出一辙。

椭圆型弹簧其实是板簧的变种

扭力梁一直是重型坦克的理想悬架譬如德国豹

豹2内部的扭力梁悬架

商用卡车空气弹簧波纹管剖面示意

奔驰AMG一级方程式赛车后悬架

奔驰

具有自适应阻尼调节的悬架系统

科技发展的好处就是当问题出现，总会有人尝试解决。聪明的汽车工程师又岂会放任这种情况的发生？其实在现代悬架系统之中，还存在着与被动悬架系统相对应，更为先进的主动悬架系统。值得一提的是，主动悬架分为真正的主动悬架，以及自适应或半主动悬架两类。半自适应悬架仅改变减振器的硬度以适应不断变化的道路或动态条件，譬如许多改装发烧友所热衷于的绞牙避震。而主动悬架则通过执行器让每个车轮可以独立地升高和降低应对路况。空气悬架、液压悬架、电磁悬架等等均可视为主动悬架系统。

主动悬架系统工作原理看似与被动悬架系统有所类似，其运动依然由路面所决定。但最大区别在于其不依赖于被动悬架系统那些大弹簧，而是通过车载计算机，从车辆传感器监测车身运动，并参照这些数据控制悬架系统迅速主动或半主动给出相应动作，控制车轮相对于底盘或车身的垂直运动。主动悬架系统不但可以让汽车在弯道中保持轮胎与道路垂直，从而实现更好的牵引力和控制力，还有助于消除许多包括转弯、加速和制动等驾驶情况下的车身侧倾和俯仰变化，进而实现更高程度的行驶质量和汽车操控性。

被动悬架;电磁主动悬架;液压电磁主动悬架

Archibald Sharp申請的密封套件专利

具有前后空气悬架的ASL摩托车

目前大部分悬架系统都是被动悬架系统

作为主动悬架系统之中认知度最高、普及率最高、应用领域最广的一员，空气悬挂不但是主动悬挂系统之中，更是整个悬挂系统之中的明星贵族。不要因为其被分类至现代悬架类别下的主动悬架系统，就认为它是一个新兴事物。实际上空气悬挂设计甚至比公认最早装车的“MorsMachine”阻尼悬架系统还要早上半年时间。只不过当年这套设计所瞄准的是当时保有量更大……摩托车。1901年1月7日，英国工程师Archibald Sharp为一种制造密封件的方法申请了专利，并于四天后申请了使用该设备的另外一项专利，专为自行车提供空气悬架。随后更以此成立了AirSprings Ltd公司，并于1909年开始生产以伸缩式空气装置取代弹簧的ASL摩托车。这别说当年摩托车设计观念，就算放在今天也是极不寻常的做法。聪明的发明家似乎都喜欢戏剧性地扎堆在一起。就在Archibald Sharp开始为自行车提供空气悬架的两周后，1901年1月22日，远在美国William W. Humphreys为也申请了一个“车辆气动弹簧”的专利。该设计包括一个左右空气弹簧，其纵向贯穿整个车体。通道凹入处放入两个长气动垫。每个都在一端封闭，在另一端设有空气阀。

真正让空气悬架发扬光大的是二战期间，美国为重型飞机与卡车开发了专门的空气悬架，以通过紧凑的结构减轻重量。借助可调节的气压，即使桥箱重载，只要悬架部件具有足够的强度，那么轮轴高度再也不会被压低。随后的10年里，空气悬架系统在全球逐步得到认可，并且几乎每一到两年都会有新的专利或者发明被公布于众。1957年，美国通用汽车以其二战期间为卡车和飞机提供空气悬架方面的经验为基础。为自家全新凯迪拉克Eldorado Brougham引入了空气悬架作为标准配置。这套系统在每个车轮上的“Air Dome”组件之中都包括传感器，以补偿不平整的路面所带来的冲击力，并自动保持汽车的高度。1958 年和1959 年，该系统在EldoradoBrougham 上继续使用，并作为其他凯迪拉克车型的付费选配部件。

通用汽车对于空气悬架系统的使用，让其他汽车品牌纷纷效仿，特别是德国品牌。第一款配备自动调平空气悬架的德国汽车并不是大家所熟悉的BBA，而是1960年款的Borgward P100（没错，就是宝沃）。两年后奔驰W112平台的300SE车型才开始采用空气悬架。该系统使用博世主阀，前部有两个轴阀，后部有一个。控制每个轮轴上的锥形空气弹簧。该系统利用由发动机驱动的单缸空气压缩机填充的储气罐保持恒定的行驶高度。1964年，梅赛德斯-奔驰600使用了更大的空气弹簧，压缩空气系统也为制动助力器提供动力。如今使用空气悬架的车辆数不胜数，其中不乏迈巴赫、劳斯莱斯、保时捷、林肯等等一众豪车，甚至在如今的新能源汽车如特斯拉、岚图、蔚来上都能看到空气悬架系统的身影。比被动悬架系统更为舒适、更为先进的空气悬架系统果然无愧于其“贵族”称号。

空气悬架在二战期间被应用在许多重型飞机

配备空气悬架的Eldorado Brougham

Eldorado Brougham的Air Dome

William W.Humphr eys申请的气动弹簧专利

宝沃P 100安装了首套自动配平空气悬架

奔驰300 SE的空气悬架系统

很早納斯卡赛车上就有空气悬架赞助商涂装

空气悬挂改装套件

为汽车配备空气悬架的大多数优点都与这套系统的高低可调性有关。通过增加或减少空气弹簧中的空气量，空气悬架系统可以在几秒钟内提高或降低车辆的行驶高度或离地间隙。这有很多好处，一是提高越野能力。从梅赛德斯-奔驰GLS到兰博基尼Urus和捷豹I-Pace，无数SUV都利用空气悬架来增加离地间隙并改善接近角、突破角和离去角。提高悬架可减少车辆在越野中因被卡住或因道路上的危险而受到车身底部损坏的可能性。降低悬架同样也有好处。更低的车体重心让那些原本离地间隙较高的车辆在高速行驶之中更为舒适。不妨想象一下，一辆贴地飞行的公交车，会让驾乘者有着怎样的感受。更别提降低车身会减少其正向迎风面积，这将对整体风阻产生积极影响。更少的阻力意味着更为省油。

退一万步说，车身姿态所带来的美感与实用性也足以值回票价。当年通用汽车在二战中开发的负载均衡空气悬架，正是为了重载之中的卡车保持水平车身不至于被重压下垂。这种做法在今天依然有效，VolvoV90 CrossCounty顶配车型所配置的4C自适应底盘之中，就包含了一套后空气悬架，作为一台实用型的休旅车，肯定少不了装载重物的情况出现。有了这套后空气悬架装置，车主再也不用担心被误认为是包工头拉了一车水泥了。因为车辆始终保持着该有的优雅姿态而不是耷拉着屁股在跑。当然更为极致的就是改装界自成风格体系的HellaFlush改装文化。也就是大家所常说的“低趴姿态”。人有“一白遮百丑”的说法，而汽车也有“一低遮百丑”的说法，甚至在改装圈内一直流传着“百改降为先”的不成文规矩。喜欢HellaFlush风格的车迷都将自己戏称为“恐高症患者”。这里面同样少不了空气悬架所提供的有力帮助。

配备了空气悬架可让SUV有更好的路况应对能力

空气悬架升降前后对比

空气悬架是Hella Flush文化之中的利器

坏了一边只是难看而已

两边都坏估计只能拖

Volvo V90cc的4c自适应底盘包含可自动配平的后空悬

有了贵族的命，自然少不了贵族的病。说了这么多空气悬架系统的优点，有必要吐槽一下它的缺点了。正如大家所看到的一样，空气悬架装置所涉及技术之复杂，零部件之多以及精度要求之高，绝非被动悬架系统直观地以坚固金属或复合材料工作所能相比。这也意味着空气悬架系统有着更为高昂的成本，要不众多汽车生产厂商也不会仅在顶配车型上使用，或者以选配形式提供而不是通配选项。再者更复杂的技术也代表空气悬架系统存在更多容易发生故障的部件。这时候就该轮到传统悬架系统出来嘚瑟了。虽然任何弹簧过载都会因为金属疲劳导致其突然失效，但金属或复合弹簧最坏的情况是随着老化和疲劳而下垂，顶多舒适度降低对行驶并无大碍。可一旦空气悬架系统所严重依赖的橡胶波纹管因为磨损或破裂导致漏气，那么下一步将会是“一次性”的“拖地飞行”。所以善意提醒那些喜欢玩二手车的朋友，不要过于迷恋空气悬架系统，或者购买之前好好检查，要不修复一套“犯病”的空气悬架系统很有可能比买来的二手车还贵。

采埃孚CDC持续阻尼控制

保隆科技合肥园区空簧减振工厂产线

孔辉科技交付岚图10000套空悬

大陆集团的空气悬架零部件

大陸集团的空气悬架已经进入售后市场

空气悬架系统被视为“贵族”的另外一个重要原因，就是该领域之中为各大车企提供空气悬架系统配套的厂商，大多为排名靠前，起步早，技术先进，积累深厚的海外厂商，如大陆、采埃孚、威巴克等为代表的空气悬架供应商，多年的技术沉淀与配套经验让其具备ECU（电子控制单元）、空气弹簧、减振器等部件较全面的供应能力，成为宝马、奥迪、奔驰、路虎等海外高端车型的长期合作伙伴。而商用车空气悬架系统领域则是威伯科等天下，甚至还配套中国重汽等国产重型商用车。

估计不曾有人想到，让空气悬架系统的贵族身段逐步降低的，是国内零部件企业不懈的努力。譬如保隆科技、孔辉汽车、中鼎股份三家自主厂商，已经实现空悬产品的乘用车量产落地。保隆科技在空气弹簧方面有着较为深厚的积累，2021年12月18日保隆科技自研的乘用车空气弹簧减振器支柱总成及独立式空气弹簧量产下线，目前已配套蔚来ET7等车型。孔辉汽车则具备空悬电控等方面能力，2022年1月18日孔辉科技供货岚图FREE第10000套空气悬架系统量产交付。中鼎股份作为国产空悬空气供给单元的主要供应商，在收购国外的空悬龙头AMK后，具备了较高技术壁垒优势，产品业已配套蔚来、东风等车型。天润工业则在商用车空悬领域展开布局。