汽车构造-主动悬架

老式汽车上普通的悬架系统，其性能是预先设定好的，在汽车行驶过程中不能根据实际路况对悬架的性能（刚度、阻尼、车身角度和高度等）进行调整，无法做到在多种工况下都实现最佳的行驶平顺性和操纵稳定性。这种性能无法调整的悬架系统称为被动悬架。如果悬架系统的刚度、阻尼和车身位置能根据汽车的行驶条件（车辆的运动状态和路面状况等）进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳缓冲减振状态，这种悬架就称为主动悬架。

主动悬架能够根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使悬架系统处于最佳缓冲和减振状态，让汽车对于各种路面状况下都会有良好的适应性。由于汽车行驶的路面条件是复杂多变的，且具有非常大的随机性，所以这种调节实际上是非常复杂的。传统的机械式调节方法只能实现部分性能调节，随着计算机技术的发展，现代汽车普遍采用计算机系统来实现比传统主动悬架的更为复杂的高性能调节。这种新的主动悬架系统通常也称为电子控制式主动悬架。

主动悬架系统按照是否包含动力源，可分为半主动悬架（无源主动悬架）和全主动悬架（有源主动悬架）两大类。

一、半主动悬架

半主动悬架不考虑改变悬架的刚度，只考虑改变阻尼来调节的悬架的减振性能，因此其调节装置主要由无动力源的可控的阻尼元件（如图22-10所示的阻力可调式减振器）组成。半主动悬架在被动悬架基础上增加的部件不多，工作时几乎不需要额外消耗车辆动力，但对汽车悬架的性能有明显的提高，因此这种系统具有较好的应用前景。

图22-59  别克君越采用的半主动悬架-CDC全时主动式稳定系统

图22-59所示为别克君越汽车采用的半主动悬架系统，通用别克公司称其为CDC全时主动式稳定系统。该系统采用计算机系统来实现对悬架功能的控制，属于电子控制式主动悬架。系统中通过车身加速度传感器3和车轮加速度传感器4来采集汽车行驶状态的信息，并将信息传递给控制单元1（也称为汽车电脑，ECU）。控制单元分析这些信息后作出调节指令，输出给CDC减振器上的CDC控制阀（参见图22-11），控制阀通过其中的电磁阀控制减振器中流通孔的大小，从而改变了减振液的阻尼值，实现对悬架状态的调节。车身加速度传感器主要感知汽车在加速、制动和横摆时惯性力对车身稳定状态的影响；车轮加速度传感器主要感知悬架的伸张和压缩状态。传感器以100次/秒的速度读取路况信息，控制单元适时对减振器作出调整，控制车身的侧倾、俯仰、横摆等动作幅度，可以提高汽车高速行驶和过弯的稳定性。这套系统不仅可以调节悬架的性能，而且由于高速调节使得轮胎能够始终与地面保持良好接触，还可以提高转向操纵稳定性和制动效能。

图22-12所示的奥迪轿车采用的电磁减振器也是用于半主动悬架的可变阻尼减振器。和CDC减振器不同的是，电磁减振器是用改变减振液本身的黏度的方法来调节阻尼力的大小。奥迪的这种半主动悬架系统还可以提供“常规”和“运动”两个阶段的阻尼调整模式，可调的阻尼模式能够适应不同驾驶风格及多种路况要求。相比传统的减震器，奥迪磁性减震器动作要快得多。在基本的舒适模式下，减震器油较黏稠，吸震效果较显著。这种模式特别适合长距离驾驶或者行驶在不平道路上行驶。在运动模式下，减震器油较稀薄，可以展现奥迪跑车极致的动感特性，直率地传递道路表面的状况。一般设在常规模式，驾驶员也可通过中控板上的按钮激活运动模式。这两种模式能给驾者带来迥然不同的驾驶感受。

图22-60  三级阻尼可调式减振器

CDC减振器和电磁减振器采用的都是无级的连续调节方式。早期的阻尼可调式减振器多采用有级式调节方式。图22-60所示为三级阻尼可调式减振器。在减振器的活塞中装有可以调节的旁路控制阀，其阀芯和控制阀孔可以组成三组大小不同的减振液流通通道。调节电动机在系统的控制下带动阀芯旋转，使控制阀孔具有关闭、小开和大开三个位置，产生三个阻尼值来对悬架性能进行调节。

二、全主动悬架

1-轮胎  2-弹性元件  3-减振器

图22-61  全主动悬架工作原理

全主动悬架可以根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。阻尼调节可以采用和半主动悬架相同的方法，而刚度调节则必须利用额外的能源来实现。主动悬架（图22-61）是在被动悬架系统（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控制作用力的装置，通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁阀等）。测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是汽车电脑（ECU）。能源系统的作用是为以上各部分的动作提供能量。全主动悬架最主要的控制目标是簧载质量的各个方向的振动，使之振幅最小，达到车身最平稳的状态。所以大部分传感器都是装在车身或车架上的。虽然非簧载质量不是主要控制对象，但几乎所有的振动能量都是通过非簧载质量（轮胎）传递给簧载质量的，所以全主动悬架带来的一个附加好处就是使得轮胎和路面可以始终保持良好接触（几乎不会发生因冲击而使车轮被弹离路面的情况），从而保证了驱动力、制动力和转向力，提高了汽车的操纵稳定性。

根据采用的可调节刚度的弹性元件种类，全主动悬架分为主动油气悬架、主动空气悬架和主动液力悬架。

主动空气悬架的典型工作原理: 改变主副气室之间通路的大小来调节刚度，用步进电机驱动阻尼力调节杆来调节阻尼力，另可通过向主气室充放气来调整车高。

主动油气悬架的典型工作原理: 调节空气体积实现弹簧刚度特性的变化，通过改变油液管路中的节流孔的数量或改变减振液的黏度完成减振器阻尼特性调节。

主动液力悬架的典型工作原理: 执行器(液压缸)中所采用的介质是不可压缩的油液，故其响应的灵敏度较高。当执行器(液压缸)发生作用时，液压缸中的活塞从上、下两侧接受油

图22-62  奔驰公司的Airmatic主动悬架系统的液压控制装置的工作原理图

a-进  b-工作压力  c-控制压力  d-回流管

1-径向柱塞泵  2-储液罐  2a-机油滤清器  4-后轴储压器 9-机油冷却器  14-前轴储压器  40-前悬挂滑柱  41-后悬挂滑柱  52-压力供应阀装置 52a-脉动缓冲器  52b-压力阀  53-储压器回流管 56-前放气螺钉  57-后放气螺钉  B4/5-ABC 压力传感器  B22/1-左后柱塞行程传感器  B22/4-左前柱塞行程传感器  B22/5-右前柱塞行程传感器  B22/6-右后柱塞行程传感器  B40/1-主动悬挂控制系统油温传感器

Y36/1- ABC前轴阀装置  Y36/1y1-左前悬挂滑柱控制阀  Y36/1y2-左前悬挂滑柱切断阀  

Y36/1y3-右前悬挂滑柱控制阀  Y36/1y4-右前悬挂滑柱切断阀  Y36/2- ABC后轴阀装置  

Y36/2y1-左后悬挂滑柱控制阀  Y36/2y2-左后悬挂滑柱切断阀  Y36/2y3-右后悬挂滑柱控制阀  

Y36/2y4-右后悬挂滑柱切断阀  Y86/1- ABC泵油限流阀

压，一侧油压上升，另一侧油压下降，从而使活塞产生往复伸缩运动，以主动适应路面的凸凹，保持车身的平稳。

图22-62所示为奔驰公司的Airmatic主动悬架系统（奔驰公司简称其为ABC）的液压控制装置的原理图。ABC主动悬架作为一种主动式的悬架和减振系统，所有静态及动态支撑都由车轮上的四个悬挂滑柱（图22-63）提供。在每个悬挂滑柱中有一个可动态调节的液压缸g，它与一个螺旋弹簧串联，与减振器并联。液压缸可以产生与车轮运动相反的力，从而在车轮剧烈跳动时，可以主动提供反向作用力来保持车身的稳定。同时液压缸也可以调节车身的高度。图22-62中用四种颜色表示液压控制装置的工作路径。a颜色表示进，从能源系统接收高压油。b颜色表示工作压力管路，该管路系统储存能量并由压力供应阀装置52保持工作压力的稳定性。c颜色表示控制压力管路，其压力在前轴阀装置Y36/1和后轴阀装置Y36/2的控制下根据需要分别给4个悬挂滑柱的液压缸提供高低适合的控制压力，从而实时不间断地调节4个悬架的动态性能。d颜色表示回流管路，用于将多余的控制油液送回储液罐。在车身多处装有各种传感器，包括转向角传感器、车身垂直加速度传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、悬挂柱塞传感器和水平高度传感器。汽车电脑ECU通过分析计算这些传感器提供的信息，发出指令给前、后轴阀装置，控制悬挂滑柱的刚度、阻尼和高度位置。

图22-63  奔驰主动悬架系统后轴悬挂结构

a-减震橡胶挡块  b-上刮油环  c-上弹簧片  d-活塞杆管  e-活塞杆  f-定位磁铁  g-液压缸  h-下导套  i-下刮油环  j-内侧止动缓冲器  k-外侧止动缓冲器 l-阀门弹簧座 m-回弹橡胶挡块  n-悬挂塔型连接板  o-液压管路  p-上导套  q-高压密封件  r-钢质弹簧  s-防尘罩  

t-下液压缸挡块  u-活塞杆减震器  v-减震器  w-球形节  B22/1-左后悬挂滑柱运动传感器  B22/6-右后悬挂滑柱运动传感器

全主动悬架可以调节车身的高低，非常有利于控制汽车行驶状态的稳定性。图22-所示为奔驰220车型的车身高度调节范围表。A曲线为车身标准水平高度曲线，在车速低于60Km/h时，车身维持正常高度。当车速逐渐提高时，为保持车身的稳定，主动悬架会自动降低车身高度，使车身更贴近地面，以获得更好的高速稳定性。当车速高于140Km/h时，车身自动降到最低位置B点：低于标准车高15毫米。当汽车行驶于凹凸路面时，驾驶者可以手动提高车身，加大离地间隙，提高汽车的通过性。提高车身的同时可以降低悬架的刚度，给车轮更大的跳动空间来适应和缓冲路面的高低变化。奔驰220车型提供了2级车高调节。第一级为C曲线，可比标准车身高度最大提高25毫米。第二级为D曲线，可比标准车身高度最大提高50毫米。随着车速的变化，悬架会自动调节车身至相应的高度。当汽车驶出凹凸路面，车速提高时，悬架会自动降低车身来保持行驶稳定性。

图22-  奔驰220车型车身高度调节范围

主动悬架的主要优点如下：

1.乘坐舒适性的控制：被动悬架设计时要兼顾各种路况，只能取折中的性能；而主动悬架则不必在稳态直行时对乘适性折中，可在操控性能不降低的情况下调整悬架参数获得更好的乘坐舒适性，大幅度缓解因路面凹凸不平所造成的冲击。也可基于设定的驾驶风格进行调整。

2.车身高度的控制：当乘员人数和载重量发生变化时，车身的离地高度可保持在一个选定高度上，保证车轮全行程跳动，消除在非设计行驶高度下引起的操控性变化现象，同时解决了被动悬架针对载荷变化通常将刚度设计偏高而造成舒适性损失的问题。在粗糙路面上可增加离地间隙提高通过性，高速行驶时可适当减少离地间隙以减少阻力，同时降低重心利于提高操控性和舒适性。在上下乘客、装卸货物等不同情况下，可实现车身高度的自由调节。

3.侧倾及纵摆的控制。转向时的车身侧倾、加速、制动时车身的纵摆都可以通过调整有关车轮的悬架参数来解决，提高了舒适性，同时消除或减少了由于车身运动而带来的车轮定位参数变化和制动跑偏等问题， 提高了操控性，也减轻了对转向传动机构、悬架杆系设计时的过高要求。例如德国奔驰2000款CL型跑车，当车辆拐弯时悬架传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度，电脑根据传感器的信息，与预先设定的临界值进行比较计算，立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到最小。

4.车轮接地性。通过调节悬架参数可降低车轮载荷波动，提高附着效果，有利于操控性，同时也减轻了轮胎磨损。延长轮胎和制动系统的使用寿命。

5.能有效克服多轴车的轴荷转移问题。

全主动悬架结构及控制策略复杂，其硬件要求高、耗能大、成本高，并且会增加整车重量，也给整车空间布置带来了一定的困难。这些是目前主动悬架普及的主要原因。目前全主动悬架主要用于高级车辆，半主动悬架主要用于中高级车辆。