汽车主动悬架结构与工作原理

1.概述

传统悬架的结构一经确定，悬架的性能参数已固定，它的刚度和减振器阻尼在汽车行驶过程中无法改变，这种悬架称为被动悬架。

图4-72 奥迪A5的多连杆式独立悬架

a）奥迪A5的多连杆式悬架 b）奥迪A5的多连杆式后独立悬架

图4-73 F1赛车的多连杆式独立悬架示意图

a）前独立悬架 b）后独立悬架

汽车行驶的平顺性和操纵稳定性被认为是衡量悬架性能优劣的主要指标，但对于同一被动悬架是难以同时满足这两方面性能的要求，两者之间存在着此消彼长的相斥作用，只有在特定的道路条件和运动状态下才能获得最佳的折中效果。因而在使用上，为了使被动悬架能够对不同道路具有一定的适应性，通常将悬架的刚度和减振器阻尼设计成具有一定程度的非线性，例如采用变节距螺旋弹簧（或空气弹簧）和具有三级阻力控制的液压减振器。

图4-74 雷诺F1赛车的前独立悬架

人们的希望是：汽车在行驶过程中，载荷、车速、路况等工况会有较大变化，不同的工况对平顺性和操纵稳定性的要求应有所侧重，悬架的刚度和减振器阻尼应能对此作出相应的调节。例如，在好的路面上，应该使汽车的行驶平顺性得到优先保障，因而悬架刚度要变小一些，柔软一些，使乘员感到舒适；而在急转弯、急加速、高速行驶时，应该使汽车的操纵稳定性得到优先保障，因而悬架刚度要变大一些，以保持车身的姿势和轮胎的接地性。但这些视情而变的特性是被动悬架所做不到的，而只有主动悬架才能胜任。

图4-75给出了车身姿态与悬架刚度关系的示意图，借此来理解悬架刚度大小可以调节的原理。若悬架刚度变大，则车身姿态的变化将被抑制，乘坐舒适性差。若悬架刚度变小，则乘坐舒适性好，车身姿态变化大。因此，在汽车正常行驶时，悬架刚度越小，则乘坐舒适性越好（即平顺性越好）；但在加速、制动、转弯及凹凸不平路面上行驶时，悬架刚度越大，则行驶稳定性和操纵稳定性越好。对于悬架刚度变化的要求可以通过调节减振器的阻尼来实现。简言之，只要改变减振器的阻尼就可以改变悬架的刚度，因为减振器的阻尼变大（变硬）后，在垂直载荷作用下下沉量小了，悬架刚度就大了。

图4-75 车身姿态与悬架刚度关系

（1）主动悬架的组成与运作 主动悬架能够根据汽车的行驶工况，主动对悬架刚度、减振器阻尼系数和车身高度进行有级别的调节，以满足各种行驶状态下对悬架性能的需要。它之所以能够“主动调节”，除了自身结构的改进以外，还由于有电子控制系统和外界能量来实施控制，因此主动悬架亦可称为电控悬架。

主动悬架采用主动力发生器（执行器）取代被动悬架的简单弹性单元，而保留被动悬架的导向机构。主动悬架一般包括决策和执行两大部分。决策部分由电控单元（ECU）、传感器组成；执行部分由装在每个车轮上的主动力发生器、能量源等组成（如图4-76所示）。由加速度、转向盘转角、车速、车高、路况等传感器组成信号测量系统。目前液压力发生器是主动悬架较为理想的执行机构。主动悬架又分为慢主动悬架和全主动悬架：慢主动悬架的执行器通常与一只弹簧（如油气弹簧）串联，再与一支减振器并联，但这样的结构耗能较大，而且只能在振动频率5～6Hz以下实现有限带宽主动控制，控制范围较窄，高于此振动频率则控制阀不再响应，恢复为被动悬架特性，因为被动悬架在高频时隔振效果较好。全主动悬架的执行器通常与一只承受车身静载的弹簧并联，耗能较少，执行器带宽一般至少覆盖0～15Hz，能有效地跟踪力控制信号。

主动悬架的运作方法：传感器测量系统将运动状态和路况等信号传送给电控单元（ECU），电控单元经过计算处理后向作动器发出指令，执行器产生主动控制力并实施控制，从而使悬架的阻尼和刚度得到调节，以满足不同运动状态下对悬架系统特性参数变化的要求。

图4-76 主动悬架示意图

20世纪70年代开始推出半主动悬架，它通过控制阀来调节弹簧刚度和减振器阻尼力，耗能很小，结构比主动悬架相对简单。20世纪90年代以来，具有悬架刚度与阻尼有级调节以及车身高度调节的半主动悬架，在高档轿车上得到较广泛的应用，阻尼调节能在10～12ms的时间内对道路和行驶状况作出反应。进入21世纪，采用磁流变的可调阻尼减振器，反应时间缩小至1ms，逐步做到即时动态调节，可提供几乎连续变化、范围更宽的阻尼调节。

（2）主动悬架的具体控制方法

1）高速感应控制 当车速很高时，电控单元（电脑）根据速度传感器检测到的信号经过分析判断——与车速预设临界值相比较后（以下同），向悬架力发生器发出控制指令，使悬架的刚度相应增大，以保证汽车在高速下具有良好的操纵稳定性。

2）路况感应控制 当汽车行驶在凹凸不平路面时，电控单元根据速度传感器检测到的信号经过分析判断后，向有关悬架力发生器发出控制指令，使悬架的刚度相应增大，以抑制车身的振动幅度。

3）前、后车轮状态关联感应控制 如果前轮碰上障碍时，电控单元向后轮悬架的力发生器发出控制指令，使后轮的悬架刚度相应减小，以减小车身的振动和冲击。

4）车身姿态感应控制 转向时对车身倾斜的控制 当驾驶人急转转向盘转弯时，转向角传感器将转向盘转角及角速度信号输入悬架的ECU，经过ECU的处理判断后，向各个车轮悬架的力发生器发出控制指令，使各个车轮悬架刚度相应增加或相应减小，以抑制车身的倾斜，使车身处于平衡状态。

制动时对车身点头的控制 当紧急制动时，加速度感应器和制动灯开关感应器将信号输入ECU，经过ECU的处理判断后，向各悬架的力发生器发出控制指令，使悬架刚度相应增大，以抑制车身的“点头”。

5）车身高度感应控制 目前，比较先进的主动悬架都设有四种悬架模式——自动、舒适、运动、高位等模式。各模式旋钮开关设于驾驶室内，供驾驶人手动选择。每一种模式的运作都可以按各档的预设值来自动调节车身高度（即离地间隙），但如果驶过突起缘石路段，可刻意选择“高位”模式。例如，在车速低于80km/h（乡间道路）时选择“高位”模式，车身离地间隙自动调节升至145mm；当车速超过100km/h时，高位模式自动取消，驾驶人可另选其他模式。

2.主动液压悬架

这里主要介绍主动液压悬架的执行机构的工作原理。执行机构形式虽然各异，但它们终归是主动力的执行器。

图4-77 一般的主动液压悬架的液压调节器

图4-77是一种主动液压悬架的液压调节器（主动力发生器）。液压缸的活塞杆是空心杆，根据调压阀—滑阀实现油液的供给和排出。液压缸下部通过补偿阀与与储压室相通，储压室用浮动活塞将油液与气体（氮气）分开，构成油气弹簧。包含液压缸和储压室的液压调节器又称为液气压力调节器。

调压阀由滑阀和针阀组成，通过电流信号进行控制。液压调节器与液压泵、液压调节器与油箱之间的油液通路的开关是电控开关。在车身高度瞬时发生变化时，液压缸是密封的，只能通过活塞杆移动体积的变化来改变油液的体积。通过储压室可以实现油液量的大量变化。储压室内部油压可达10MPa。

图4-78 宝马7系主动液压悬架分布图

工作原理举例：路面为凹坑时，轮胎向下运动，液压油被泵入液压缸，活塞杆被抬升上行，保持车身高度（针阀关闭）。路面为凸起时，轮胎向上运动，液压缸内油液被排出，活塞下行，保持车身高度（针阀打开）。

图4-78为宝马7系主动液压悬架分布图。

[实例]法国PSA的主动液压悬架

说到主动悬架，法国PSA是最早涉足此领域的公司。而它的控制方式和原理跟德国奔驰完全不同。它使用了一套纯液压控制机构，而非空气控制机构，如图4-79a所示。这套主动悬架系统，拥有一个液压主缸和4个轮缸的动力源。主缸由发动机带动，产生液压力，然后由电脑控制的电磁阀控制这些液压与轮缸的通、断，其工作原理与液压千斤顶很类似，如图4-79b所示。

图4-79 法国PSA的主动液压悬架系统(https://www.xing528.com)

a）PSA主动液压悬架系统局部 b）PSA主动液压悬架各部件的关联

当电磁阀打开时，主缸与轮缸接通。此时来自主缸的压力源源不断的输送给轮缸，轮缸获得压力以后就能使减振器滑柱伸长，这样可以抬高整个车身的高速，使汽车的离地间隙变大，通过性增强；当电磁阀阻断高压油路和回油路时，整个液压系统中的液压油无法流动，此时处于平衡状态，也就是车子被调整到了合适的高度以后得以保持住这个高度行驶；当高压油路被电磁阀阻隔，回油路打开，此时整个液压系统就处于平衡状态，车身离地间隙减小，通过性降低，但重心也得到了降低，所以稳定性提高。有了这样的特性，当车辆在低速行驶时，可以提高离地间隙，增加减振器行程，更好地吸收振动能量；当车辆在高速行驶时，可以通过降低车身高度（重心）来达到提高稳定性的目的。

德国奔驰的主动空气悬架是靠调整悬架刚度来达到提高稳定性和舒适性的目的，而法国PSA的主动液压悬架，是靠调整重心，来达到控制车身稳定性目的的。因此它们在性能上有本质的区别。前者是在舒适性和稳定性的矛盾中寻求一种折中方案，后者是在离地间隙和稳定性中寻求一种折中方案，所以两种技术各有所长。在性能上，由于奔驰使用了可变体积的空气作为弹性元件，他不管是在舒适性还是稳定性方面都要超过PSA的液压系统。但由于奔驰新S系Airmatic主动空气悬架体积庞大，而且整个高压空气管路需要极强的气密性，因此无论是制造成本，还是维修成本都是相当高昂，不易普及，仅装配在奔驰S系列、CL系列和SL系列等高档车型上；而PSA的主动液压悬架的本成只有上述的一半左右，目前在旗下的雪铁龙C5、C6等车型得到推广，前景比较看好。

3.主动空气悬架

这里主要介绍主动空气悬架的执行机构的工作原理。执行机构形式虽然与主动液压悬架有区别，但它们终归还是主动力的执行器。

空气悬架系统是以空气弹簧为弹性元件，它利用气体的可压缩性来实现弹性作用。空气弹簧是内部装有压缩空气的密封橡胶容器，它具有负载能力可调、弹性系数随载荷变化、优化设计后负载对固有振动频率的影响小、固有振动频率低等特点，因此它具有乘坐舒适性好、行驶平顺性好、车身高度不随负荷变化等优点。一般的空气悬架的弹性机构主要包括空气弹簧、可变阻尼液压减振器和钢制螺旋弹簧等三部分。螺旋弹簧主要起着支承车身的作用；空气弹簧是一种气压室，可通过改变气压来进行伸缩和软硬变化；液压减振器与空气弹簧组合成调节阻尼力的弹性元件。

电控主动空气悬架可根据行驶工况的变化通过电控单元来改变空气弹簧里的气体容量和压力，以实现软硬和伸缩调节，即实现空气减振器阻尼的多级化，从而，使电控主动空气悬架兼有舒适性和运动性的特性；此外，它还可通过ECU和空气压缩机提供的气压实现车身的高度自动或手动调节。

图4-80为电控主动空气悬架框图。图4-81为电控主动空气悬架系统局部图，它标出了悬架各部件的所在位置。

图4-80 电控主动空气悬架的工作原理图

图4-81 电控主动空气悬架系统部局图

1—1号高度控制继电器 2—车身高度传感器 3—前悬架控制执行器 4—停车灯开关 5—转向传感器 6—高度控制开关 7—LRC开关 8—后车身位移传感器 9—2号高度控制阀和溢流阀 10—高度控制开关（ON/OFF） 11—高度控制连接器 12—后悬架控制执行器 13—2号高度控制继电器 14—悬架控制单元 15—门控灯开关 16—主节气门位置传感器 17—1号高度控制阀 18—空气压缩机 19—干燥器和排气阀 20—IC调节器

图4-82为一种主动空气悬架的阻尼力转化调节器。车速、车身倾角、车身高度等传感器的信号输入电控单元，并通过电控空气压缩机的工作来改变各空气室的气压，气体通过减振器内的旋转阀后转换成阻尼力。电控单元根据车高的预设值和即时汽车的行驶工况，自动调节车身高度。

控制车身高度，在中、低车速时，使汽车保持一定的车身高度（与乘客人数无关）；高速时，车身高度降低，使汽车具有良好的行驶稳定性。控制气压弹簧刚度和阻尼力，使汽车在起动、制动、转弯等工况时能保持车身姿势，从而得到良好的操纵稳定性和乘坐舒适性。

空气室分为主气室和副气室，改变副气室的空气量可以改变弹簧刚度，而主气室可以控制减振器滑柱的伸缩以调节车身高度。减振器的阻尼力大时悬架刚度大，阻尼力小时悬架刚度小。

附有钢制螺旋弹簧的空气悬架，在螺旋弹簧内侧设有膜片空气室，螺旋弹簧支撑着车身，空气室压力增大时螺旋弹簧刚度变大，可以抑制车身姿态的变化，空气室排气减压后螺旋弹簧刚度变小。中间部分为可变阻尼液压减振器。

图4-83为保时捷PASM主动空气悬架。

图4-82 主动空气悬架的阻尼力转化调节器

[实例]奔驰新S系Airmatic主动空气悬架

奔驰早在1998年就已经开始采用主动空气悬架系统。2002年，奔驰公司研发出了双重控制空气悬架系统（Airmatic DC Sys-tem）。Airmatic悬架系统不仅在电子控制方面有了更为明显的进步，更是把主动空气悬架系统和自适应阻尼悬架系统（ADS）整合到一起，实现了双重控制（Dual Control）。

图4-83 保时捷PASM主动空气悬架

图4-84 德国奔驰新S系Airmatic主动空气悬架系统

Airmatic悬架系统作为奔驰新S系车型的标准配备（见图4-84），它具有四种工作模式：第一模式是柔软舒适的设定，用于普通路面的行驶。这个时候，悬架系统是行车电脑自动控制的，通过测量系统、反馈控制系统的帮助，电脑自动调节悬架的阻尼，以保证车辆在不同路面情况下，始终具备最佳的舒适性和操控性。第二模式和第三模式减振器分别采取硬压缩、软回弹和软压缩、硬回弹两种方式，这两种方式适合两种特殊路况，第二模式适合高速路况，在高速下保证了车辆的稳定性，第三模式是偏重于路面复杂的慢速行驶状况，在颠簸路面能够过缓和颠簸。系统可以根据不同的道路情形在一、二、三模式之间自动调整弹簧的软硬度，驾驶人也可以根据自己的驾驶习惯手动选择某一种模式。第四种模式是纯粹忽略了舒适性的极端运动模式，这种模式需要驾驶人通过控制项目进行选择。这时，驾驶奔驰新S系轿车与驾驶一辆跑车相差无几。

主动空气悬架不仅在舒适性方面具有独特魅力，在安全性上，由于有电子系统的介入，主动悬架的极限控制能力要优于普通悬架：在高速过弯时，行车电脑控制外侧车轮的空气弹簧和减振器自动变硬，以减小车身的侧倾；在紧急制动时，电子模块也会对前轮的弹簧和减振器刚度进行加强以减小车身的惯性前倾。奔驰Airmatic空气悬架还将传统的底盘升降技术融入其中：车子高速行驶时，车身高度（离地间隙）会自动降低，从而提高贴地性能，以确保良好的高速行驶稳定性；而当汽车需要慢速通过颠簸路面时，底盘能够自动升高，以提高通过性能。

图4-85为奔驰CLS车型所采用的主动空气悬架。

图4-85 奔驰CLS车型所采用的主动空气悬架

4.主动电磁悬架（Magnetic Ride Control）

主动电磁悬架是采用德尔福磁流变减振器（Magne Ride TM）技术的一种新型独立悬架，其关键是运用了一种叫“磁流变体”的新材料。

主动电磁悬架可以针对路面情况，在1ms（毫秒）时间内作出反应，抑制振动，保持车身稳定，特别是在车速很高又突遇障碍时更能显出它的优势，即使是在很颠簸的路面上，也能保证车辆平稳行驶。

主动电磁悬架系统是由电控单元、车轮位移传感器、电磁液压杆和直筒减振器组成。在每个车轮和车身连接处都装有车轮位移传感器，电控单元分别与传感器、电磁液压杆、和直筒减振器相连。

直筒减振器有别于传统的液压减振器，它没有细小阻尼孔的阀门结构，也不是通过液体的流动阻力来实现减振效果。减振器中装有一种被称为磁流变的电磁减振液（Magneto-rheo-logical Fluid），它由合成的碳氢化合物和微小的金属粒子组成。平时，这些金属粒子杂乱无章地分布在液体里，不起什么作用。如果有了磁场作用，这些金属粒子就会排列成一定的结构，减振液就会变成近似塑料的状态体——“磁流变体”，使减振器的阻尼变大。减振液的密度可以通过控制电流流量来精确控制，实现适时地连续控制。

主动电磁悬架的工作原理：当路面不平引起车轮跳动时，传感器迅速将信号传至电控单元，电控单元经计算分析后，对各个减振器的电子线圈发出指令信号，电流通过电子线圈便产生了磁场，在磁场的作用下，减振器中的电磁液的密度发生改变，电磁液变成了“磁流变体”，减振器的阻尼变大（变硬），从而控制车身的振动，达到减振的目的。它的控制速度可达1ms/次，可谓瞬间完成，实现连续控制。磁流变减振器耗能小，每只最大功率只有20W。

图4-86为凯迪拉克SLS赛威轿车上装配的MRS主动电磁悬架。这种先进的悬架在法拉利599GTB和奥迪TT上也得到应用。

图4-86 凯迪拉克MRS主动电磁悬架