高性能乘用车空气弹簧简介

高性能乘用车空气弹簧简介

原创 前瞻技术部 孔辉科技 

引言

       乘用车悬架系统，与车辆安全性、舒适性（平顺性）、操控性、通过性、乘坐便捷性等息息相关。过往传统机械悬架很难满足较高的车辆舒适性和操控性要求，为此欧美汽车工程师在这一领域不断探索创新，最终研发出极具里程碑意义的产品——空气悬架。近些年，汽车电动化为国内自主乘用车品牌高端向上打开大门，越来越多的品质乘用车型开始应用空气悬架。

      国内汽车空气悬架的开发起步较晚，最早的尝试可追溯到1957年，在当时还是长春汽车研究所助理工程师的郭孔辉（院士）的主持下，长春汽车研究所和化工部橡胶工业研究所联合研制出国内第一款重型汽车空气悬架，开发过程中以极简陋的试验条件进行了大量的试验测试，得到了空气弹簧的力学特性曲线等，之后又相继设计了用于公共汽车、汽车和列车的空气悬架。在那个经济欠发达的年代，造价较高的空气悬架很难被当时的国情和市场环境所接受。

      20世纪90年代，国内汽车产业不断见证产销量方面的突飞猛进，但自主乘用车长期徘徊在中低端，难以跨域15~20万元的售价。这使自主乘用车对空气悬架的应用长期处于空白，因此国内乘用车空气悬架产业也一直得不到萌芽和发展。期间国产合资高端车型的空气悬架系统，均由欧美日供应商开发和提供。

      进入21世纪，汽车电动化带来自主乘用车品牌高端向上机遇，空气悬架技术开始在售价40万元以上自主车型上应用和推广。2021年6月，由郭孔辉院士、郭川及团队创办的浙江孔辉汽车科技有限公司（孔辉科技）完成了对东风岚图FREE的空气悬架系统的开发并开始量产交付，至2022年4月，交付量已达17000台套。此举打破了国外企业技术垄断，填补了国内产业空白，使孔辉科技成为中国首家实现乘用车空气悬架系统量产的企业。2022年5月，孔辉科技又开始了岚图梦想家空气悬架系统的量产交付。

一、乘用车空气弹簧概述

      空气弹簧是乘用车空气悬架系统中直接影响车辆性能的关键零部件，以下就目前市场上最主流的单腔（气室）空气弹簧的性能原理和基本结构做概括性介绍。

      单腔空气弹簧只有一个气室，由于其结构、工艺简单，成本较低，被空悬车辆广泛使用，目前国内乘用车空气悬架车型采用的大部分是单腔空气弹簧。对单腔空气弹簧在静载荷状态下充放气时可使车身升高或降低，但充放气时空簧内部受力面积并没有太大变化，故充放气不会引起刚度的大范围变化。实车上的前后空气弹簧结构存在差异。

      前（单腔）空气弹簧滑柱总成主要由上顶座总成、扣压环、气囊、铝护筒、防尘罩、活塞、缓冲块、密封盖、减振器等部件组成，其中前空气弹簧与减振器进行合装。

       后（单腔）空气弹簧总成主要由轴承座、上座、活塞、扣压环、铝护筒、下座、气囊、防尘罩等部件组成，其中后空气弹簧与减振器通常分开布置，也有少数车型采用后空气弹簧滑柱总成形式。

       空气弹簧是一个充满压缩空气的橡胶气囊，可以通过控制充气量来调整车身高度。相较于传统螺旋弹簧的线性刚度，空气弹簧具有非线性刚度特性，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。

      随着高端车型对性能的不断追求，部分国内外车企已不满足于单腔（气室）空气弹簧的性能表现，已有国外高端乘用车开始配备双腔和三腔空气弹簧以及空气阻尼式空气弹簧。2023年下半年，也将有配置孔辉科技双腔甚至三腔空气弹簧的国产车型面世。下面以部分在售国外车型为例，介绍更高性能空气弹簧的基本结构和工作原理。

二、双腔和三腔空气弹簧

      鉴于单腔空气弹簧在刚度变化方面的局限性，双腔、三腔甚至更多气室的空气弹簧应运而生，以下依次简述。

1. 双腔空气弹簧

     双腔空气弹簧将单腔的气室用电磁阀分隔为两个气室，相比于单腔空气弹簧，双腔空气弹簧性能更好，可以在车辆的使用过程中进行刚度的调节。

     目前量产车型中装配双腔空气弹簧的车型有：第二代保时捷卡宴、2020款宝马X5（选装）、保时捷2022款Macan系列等。

2. 三腔空气弹簧

     三腔空气弹簧将单腔的气室分为三个气室，获得更多不同容积的气室，其结构更复杂，成本更高，但具有优越的综合性能。

     目前市场上应用三腔空气弹簧的乘用车并不多，分别是2018款保时捷Cayenne和2018年款奔驰GLC。下面就这两款车型的三腔空气弹簧进行介绍。

a)  2018款保时捷Cayenne

     2018款保时捷Cayenne（卡宴）是该车型改款的全新第三代，新一代卡宴的空气悬架系统为开放式的，在降低悬架时，空气从气室排放到大气（周围环境）中。空气悬架负责在任何负载条件下保持恒定的行车高度，并根据指定的设置保持特定的振动舒适性。空气悬架可减少车辆的上升、俯仰和侧倾运动。前、后轴均使用新的三腔空气弹簧（老款为两腔）。前空气弹簧由三腔空气弹簧（带有两个用于各腔室容积切断的整合式转换阀）和双筒减振器（可连续调节压缩和回弹阻尼）构成。转换阀转换三个气室控制系统中的所有单独的空气弹簧容积。空气弹簧和减振器构成一个结构单元。后空气弹簧是一种三腔空气悬架，带有两个用于切断容积的整合式转换阀。转换阀转换和控制三个气室中的所有单独的空气弹簧容积。

       三腔空气弹簧的刚度调节范围更大，具有更优秀的底盘性能。

     上图为附加容积控制阀电路，附加容积整合在弹簧滑柱中，可通过电动阀开启和关闭。附加容积的切换可以显著改变空气弹簧刚度系数，从而对车辆实现从舒适性到运动性的多变操控。当使用附加容积时，空气弹簧的整体容积变大，刚度系数变小，驾乘体验会更加柔软舒适；当关闭附加容积时，空气弹簧整体容积变小，刚度系数变大，可以满足运动性驾驶的需要。

大气室刚度系数约为37N/mm，

 小气室刚度系数约为69N/mm

附加容积对弹簧刚度的影响

b) 2018年款奔驰GLC

      全新2018年款奔驰E级可选装三腔（气室）空气弹簧，这种空气弹簧还配备了连续可调式减振器，命名为“AIR BODY CONTROL”，该车型前轴和后轴上装有4个水平高度传感器以及3个加速度传感器，水平高度传感器位于车轮控制机构上，加速度传感器则布置在车身上。

      装备AIR BODY CONTROL在全新GLC中首次提供位于全部４个车轮上的三腔空气弹簧，如上图所示。该系统将空气弹簧与连续可调节减振器结合在一起，后者能够根据路面状况调整减振器阻尼。三腔空气弹簧系统的不同点在于承载车辆的空气容积可以改变。它的气室能够通过一个阀门分隔或连通。由此三腔空气弹簧的刚性便可发生变化并根据驾驶状况进行调整。转弯行驶时侧倾减弱就是这一特性的体现。空气弹簧内的高压空气由电动压缩机提供。

三、空气阻尼式空气弹簧

      随着科技进步和新技术的推广应用，出现了分段阻尼可调液压减振器、连续阻尼可调减振器和磁流变液减振器等，其特点是减振器阻尼能根据车辆行驶工况的不同进行调节，改善车辆在不同工况下的综合性能，但其具有价格高、质量重、易漏油的缺点。因此，以空气弹簧为主气室，增加节流阻尼元件（节流孔或节流管）和附加气室组成的空气阻尼式空气弹簧应运而生。

     车身振动引起空气弹簧拉伸或压缩时，压缩空气在压差作用下在空气弹簧、附加气室之间往复流动，气体流经节流元件时产生空气阻尼，从而达到衰减振动的目的。

     空气阻尼式空气弹簧既是替代金属弹簧的弹性元件，又是衰减振动的阻尼元件，具有重量轻、节能环保等诸多优点，有利于汽车底盘和整车轻量化，具有良好的应用前景，是汽车悬架发展的热点方向之一。