车辆空气悬架的技术研究

摘要：悬架技术随着汽车工业的发展、工艺技术的进步而不断革新，如独立悬架、电磁悬架、液压悬架、空气悬架技术等，其中空气悬架具有刚度可变的优势，对提高汽车行驶稳定性效果很好，同时随着智能技术的发展和广泛应用，空气悬架也将为未来的智能汽车赋能。基于此，概述了空气悬架基本工作原理、技术特性及主要布置形式，介绍了空气悬架的发展历程、主要组成部件及技术发展趋势等。

关键词：乘用车；空气悬架；发展趋势

中图分类号：U463 收稿日期：2023-05-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.023

1 前言

汽车的整体性能，主要看其可操控性和操控的精准性与灵活性，以及车辆运行中的安全性与舒适性，而两者却始终保持对立，很难兼顾。柔软的悬架能够增强乘坐舒适性，但操控性就要大打折扣；较硬的悬架使车辆操控性能提高，却会导致乘坐舒适性的下降。如果能够人为改变悬架的阻尼，满足不同路况下的驾乘者实际体验，将成为汽车行业的一项重大进步。本文基于乘用车空气悬架进行分析和探究，介绍了其技术、发展历程和趋势，以供相关学习和参考。

2 乘用车空气悬架概述

悬架对行驶中的汽车而言有着重要作用，它能够将车辆垂直方向上的较大冲击力进行弱化。汽车悬架经历了一个较长发展阶段，最初的悬架是刚性连接的不可调整式钢板弹簧，由于弹簧的形变活动行程直接决定了车辆在行驶中的车身高度，也就是车身的离地间隙，但空载与满载情况下车身的离地间隙存在较大差距，车身的离地高度越高其对复杂路面的适应性更强，通过性也更好。然而实际上路况的复杂具有不可预测性，没有任何悬架能够做到对各种路面条件和驾乘人员需求的完全满足，很多时候在悬架配置上都会存在舒适性与操控性之间取舍矛盾，多数时候车辆工程人员及设计人员只能采用折中处理，尽可能地兼顾多方需求。

随着电子技术的不断发展，车辆工程师开始探索并研发出了电控悬架系统。相比以往的悬架而言，它的优势在于具有一定程度的可调整性，能够进一步提升悬架的性能，这就是电控空气悬架。它与传统悬架的最大差异在于弹性元件的升级，并新增电子控制系统及气泵等部件，赋予悬架智能自动调节功能。

3 空气悬架的工作原理及技术特性

3.1 空气悬架工作原理

传感器将收集到的信号传递给控制单元，控制单元判断出车身高度的变化，经过计算再发出指令来控制压缩机和排气阀，用空气压缩机形成压缩空气，并将压缩空气送到弹簧和减振器的空气室中，使弹簧压缩或者伸长，并调节空气弹簧硬度和减震器阻尼，改变车身高度并起到减震的效果。

电控悬架集合了电子技术功能和空气悬架原理，二者的优势整合实现了悬架系统的迭代更新。一般电控悬架主要包括电控元件（ECU）、空压机、各类传感器（车身、转角、加速、制动等）、空气弹簧元件等部件，其中空气弹簧元件包括阀门、电控减振器、双气室等。电控减振器中配置有小型电机，在它的转动作用下带动调整量孔控制杆实现阻尼的多级分层，进而实现对阻尼的有效控制；阀门的主要作用是气流大小调节，而双气室则是彼此连通的，它所构成的容积空间就是空气弹簧功能实现的基本支撑，此时的悬架比较柔软；如果需要较硬一定的悬架则，需要将双气室之间的阀门进行关闭，仅靠一个气室容量来支撑空气弹簧的作用，由此可见阀门具有调控悬架软硬变换的作用[1]。

工作状态下的电控悬架，阀门的相互作用可调控通向空气弹簧元件的气流量。通过传感器ECU可获得车辆行驶状态信息，随后对这些信息进行分析、整理和运算。最后向电动机和阀门发出调控指令，以此调整空气弹簧元件，使其可以根据实际路况条件作出软硬变换。车辆行驶状态下，路面平整、光滑时空气弹簧形变不大处于正常状态，而在坑洼崎岖的路面，空气弹簧则变软，阻尼变弱，使得车辆可以较平顺的通过，减轻车身震荡；当遇到急弯和突发情况时，急转弯或紧急制动则需要较高强度的悬架弹簧，产生较大阻尼，以保证操控精确，提高车辆行驶安全性。

3.2 空气悬架的技术特性

空气悬架的最大优势在于，其主要技术优势概括如下：

a.有效隔离高频振动：空气弹簧的簧载质量与空气压力直接相关，可以空气压力为信号对制动缸内的气压进行控制，实现车辆的有效制动，以此降低大幅度的震荡，保证车辆行驶平稳和安全。

b.举升车身：提升越野、通过能力。空气悬架可调节车身高度，可以减少行车中的路面冲撞振动和噪音，还能延长汽车零部件的使用寿命。在车辆行驶过程中。空气弹簧自行进行软件度转换，使得车身离地间隙灵活调控，以满足各种路况的行驶需求，使得车辆的路面通过性更好，也为驾乘人员带来更好的舒适度体验。

c.高速时降低车身：降能耗、更安全。空气悬架为刚度可变的非线性悬架，其悬架质量较轻，弹簧刚度较低，当汽车在高速行驶时，轮胎与地面之间的摩擦阻力加大，使得刹车制动更灵敏，有效缩短制动距离；在转向操作时，可以防止转向过度或转角过小，增强转向操控性；可以有效调节减振器阻尼，降低抗俯仰和侧倾，从而提升整车的操控性及安全性。

d.显著提升车辆品质感：智能空气悬挂可以在驾乘人员开启车门时降低车身高度，使得上下车更便捷；可以过滤高频噪音，改善车内声音品质，提升高级感，该技术主要作为中高端车型标配。

4 空气悬架的发展历程

空气弹簧的雏形出现在19世纪中期的西方工业国家，早期用于机械设备的隔振，首次使用是在1947年的美国普尔曼汽车中。到1964年，该技术被德国大量引入，主要用于大中型客车上。目前，空气悬架在欧美等发达国家的高级轿车、豪华客车，以及中型、重型货车等车型上都有较为广泛的应用。从国外空气悬架的发展历史来看，它经历了“钢板弹簧→气囊复合式悬架→被动全空气悬架→主动全空气悬架（即ECAS电控空气悬架系统）”的升级发展过程。ECAS作为较先进的悬架系统，极大地提升了悬架系统的整体性能，增强了汽车对各种复杂路面条件的自适应、自调控能力，实现了主动控制，并且它在众多电子辅助设备的加持下，具有了多种辅助功能（如故障诊断功能等）。目前在欧美国家的诸多高级汽车及重型客车上都配置有ECAS系统。

1958年我国首先研发出了具有自主知识产权的高度控制阀，1959年在此基础上研发设计出了适用于轿车的高度控制阀。在20世纪世纪50年代中，我国先后研究制成的空气弹簧气囊超过10种，另有3种性能不一的高度控制阀，但由于技术水平有限，我国自研的轿车高度控制阀存在密封性问题，使用中对汽车悬架的稳定性造成了一定影响。

20世纪80年代初，长春汽研所在总结以往的技术成果基础上，再次启动了空气悬架研究项目，研发设计的新型空气悬架装配到武汉客车厂所产大巴车上，新悬架的应用将客车自振频率降低为1.1～1.2 Hz，提高平均车速17%左右，此后相继开发了一系列客车用空气悬架。但是仍然没有有效解决空气悬架橡胶气囊使用寿命较短，高度阀泄漏严重的技术缺陷[2]。

随着我国机械制造工业技术的发展，汽车空气悬架也获得了很多新技术支持，发展较快，目前我国一些汽车制造企业已经具备了空气悬架的研发、生产及设计能力，但自主创新能力还比较弱，核心技术及设计方案仍然对外有着较大依赖性。同时由于成本高昂因而主要配置在高级客车、豪华轿车品牌上，整体来看汽车行业中空气悬架的配置率还不高。

5 空气悬架的关键部件及新技术应用

空气悬架主要由系列功能部件及管路组成的一个总成系统，其核心功能部件包括空气弹簧、减振器、空气压缩机、控制器、传感器等，具体构成如图1所示。

5.1 空气弹簧

空气悬架的空气弹簧结构形态可以分为嚢式、袖式、膜式空气弹簧。囊式空气弹簧多用于商用车，由于工作时橡胶膜曲率变化小，弹簧使用寿命长；袖式空气弹簧多用于商用车驾驶室悬置和驾驶员座椅；乘用车一般使用的是膜式空气弹簧，它通过改变活塞形状和尺寸控制其有效面积变化率，得到更为理想的反S形的弹性特性曲线，但使用寿命一般不如囊式长[3]。

随着技术的持续进步，汽车空气弹簧逐渐从以往的单腔向双腔、三腔方向升级。

相比单腔而言，双腔和三腔的气室增多，使得空气弹簧的弹性更好，更有助于乘用车使用过程中的刚度调节。其中双腔空气弹簧拥有两个气室，其刚度随位移成非线性变化，有两条刚度曲线，设计位置处的刚度比可以达到1.5。目前双腔空气弹簧已经被大量应用到高档量产车型中，如第二代保时捷卡宴、2020款宝马X5、保时捷2022款Macan系列等。

三腔空气弹簧，将原来的单腔气室分为三个不同容积的气室，刚度随位移成非线性变化，有四条刚度曲线，设计位置处的刚度比可以做到2.0。它在一定程度上可以取代被动稳定杆，由其气室能够通过一个阀门分隔或连通，能够根据实际路况需要，通过改变承载车辆的空气容积而调整空气弹簧的刚性，降低转弯时侧倾角，从而提高路面通过性和驾驶舒适度。但是由于结构更复杂，制造成本也更高，因此主要用于高端车辆的悬架系统。如在2018年款奔驰GLC的悬架系统中就配置有三腔空气弹簧，该弹簧同时配置了连续可调式减震器“AIR BODY CONTROL”。图2所示为2018款奔驰GLC中配置的三腔空气弹簧，其前轴和后轴汽轮控制机构中配有4个水平高度的传感器（图中序号5和序号8），车身上装有3个加速传感器（4、7）。

5.2 减震器

随着技术的不断迭代升级，减振器出现了多种产品形式，未来将由传统的被动减振器向半主动、主动减振器发展。以往的双模/四模减振器只能提供固定的两/四条阻尼曲线，且成本不低，已经被很多OEM所摒弃；磁流变减振器成本过高，且很多技术难点难以突破，市场上也没有推广开来，至少极少数的车型在应用；单阀减振器成本适中，现在中高级车辆上广泛应用。

减震器的最新技术和产品是双阀减震器，也就是带双阀控压技术的减振器机构。双阀减震器包括内、外两个筒体，两者之间形成型腔，内筒以过油孔与型腔相通，上连接座上设有压缩阀系、复原阀系、油管接口并以橡胶衬套经密封；共有四道油路，第一道油路位于压缩阀系与内筒之间，第二道油路位于压缩阀系与油管接口之间，第三道油路设计在油管接口与复原阀系之间，第四道油路则位于复原阀系与型腔之间。它主要通过利用双阀对油路流量进行调整，进而实现压缩、复原阻尼力的独立可调，从而实现更大的阻尼带宽，满足不同用户的多工况使用需求。

当今，汽车行业双阀减振器以更高的性能获得各大车企青睐，作为主动悬架最优的减振器解决方案，它成为奔驰、宝马等豪华品旗舰车型标配，是当今减振器发展的主流趋势，各大减振器供应商均投入大量人力在双阀减振器研发上，比如ZF、Bilstein和Tenneco。

5.3 压缩机

ECU空气供给单元通过调控气体进出量，实现对空气弹簧软硬程度及长度的调节。压缩机一般采用单级往复活塞式，实现对空气的压缩处理。为了避免压缩空气产生冷凝水导致相关部件发生锈蚀，需要对这些空气进行除湿干燥处理；为保证系统内有足够的剩余压力和限压，需要用到气动排气阀；为保证和进一步提高系统的可靠性，实现对空压机工作温度的实时监测，需要在其缸盖上配装温度传感器，将空压机运行时间与温度信号传输给悬架控制单元，以便计算出空气压缩机工作的极限温度，一旦其工作温度超过某个界限值，就要立即关停空压机，防治其过热损坏。

5.4 控制器（ECU）

ECU通过传感器获得车辆行驶中的各项信号，随即对车速、车身高度的状态进行判定和核算，最后对压缩机和排气阀发出调控指令，使用空压机产生压缩空气同时将其送到弹簧和减振器的空气室中，压缩和伸长弹簧，实现弹簧形变程度和减震器阻尼的调控，从而改变车身高度并起到减震的效果[4]。软件系统符合AUTOSAR框架，并采用自动代码生成技术，具有良好的稳定性和扩展性。硬件系统按照模块化、平台化开发，可以满足不同配置（电控空气弹簧系统、电控油气弹簧系统、电控减振器系统）的需要。

5.5 传感器

由于模拟传感器无法自行计算相对位置，且精度较低，目前主流的为PSI5传感器（数字式）。PSI5协议是由Bosch倡议发起的，针对主流安全件以外其他传感器的统一规范，因此，除高度传感器外，加速度传感器也可使用PSI5协议。使用PSI5传感器可以方便布线，也可以节约控制器芯片引脚。PSI5传感器电压范围较宽，适应性更强，必将成为今后的主流产品。

5.6 储气罐

储气罐属于空气压缩机配套部件，可以及时响应ECU信号。储气罐的工作压力为1.2 MPa，要求具有较强的耐压性、密封性和防腐性，其中耐压性是指储气罐在4倍额定工作气压下进行10 min静态液压试验后，不能有裂纹，且周向永久变形不能超过1%；密封性是指储气罐在1.5倍最大额定工作气压下，保压3 min不得漏气，接头处允许用密封剂；防腐性是指40 h盐雾试验后，允许有微小和分散的腐蚀点。样板边缘和焊缝、螺纹处的腐蚀可不考虑。随着人们对生活品质要求的不断提高，汽车产品也将走向更加高端、智能的发展道路，未来乘用车的悬架系统应满足更加复杂的路况需求，因此其技术也将不断升级发展。

6 结语

空气悬架是对传统悬架的升级发展，它进一步提高了驾乘舒适度和操控性和安全性，未来随着新能源逐步取代传统燃油汽车，空气悬架也将凭借自身的电控优势为智能汽车提供技术赋能，推动汽车行业的持续创新发展。

参考文献：

[1]郑丽萍，陈其生，陈明福.汽车空气悬架技术特征研究[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（11）：107-108.

[2]梁旭东.汽车空气悬架系统平顺性分析及控制策略研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2022.

[3]祝庭辉，刘福鹏，张争光，等.基于乘用车空气弹簧悬架系统的加注装置及应用研究[J].环境技术，2022，40（3）：45-48.

[4]王文林，侯之超，邹军.汽车空气悬架研究进展：零部件与系统[J].汽车安全与节能学报，2018，9（1）：11-24.

作者简介：

肖磊，男，1984年生，工程师，研究方向为汽车底盘零部件设计、汽车NVH。