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空气悬挂式是什么?空气悬挂容易坏么?

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导读:空气悬挂式是什么,有什么好处?空气悬挂容易坏么?它的失效模式是什么?

▲图1.理想L9之前的宣传

一、空气悬挂

我们首先来说说空气悬架,首先我们来看一下悬挂的主要作用,是把路面作用于车轮上的各种反力及其力矩传递到车身和车架上,并缓冲路面的冲击。汽车的悬挂通常分为独立悬挂和非独立悬挂。

●独立悬挂是每一侧车轮都单独地通过弹性元件挂在车身或车架下面。

●非独立悬挂则是两侧的车轮都一根整体式的车桥连接。

独立悬挂和非独立悬挂的差别是当一侧车轮遇到突起的路面,独立悬挂只有遇到突起路面的车轮会跳动,另一侧的车轮不受影响;而非独立悬挂遇到突起的那一侧车轮会带动另一侧车轮跳动。因此悬挂是汽车底盘系统的核心模块,决定了一辆汽车的乘坐舒适感和驾驶掌控感。

▲图2.汽车悬挂系统的分类

从悬架系统基本构成有:

●弹性元件(各类弹簧,缓冲作用)

●减震元件(减震器,减震作用)

●导向机构(控制臂等,力的传导向作用)

●横向稳定器(横向防倾杆等,减少车身过大侧倾)

▲图3.汽车悬挂系统的构成

设计一套汽车悬挂系统,首先是要符合安全和寿命要求,从性能来看要解决舒适性和操稳性的矛盾,在这里需要平衡,让车的驾驶感觉要么偏向舒适性,要么偏向驾驶性(鱼和熊掌一样,难以兼得)。这里最大的差异在弹簧和减震器上。

●弹簧刚度大,减震器阻尼大,悬架系统就会偏“硬”,有利于车身姿态保持和整车弯道的支撑,就会提高整车操控性,但会牺牲舒适性。驾驶者舒服,乘坐者就会感受差一些。

●弹簧刚度小,减震器阻尼小,簧上的固有频率越接近1Hz,车辆行驶过程中路面冲击带来的共振越小,从感官上悬架系统就会偏“软”,整车舒适性就会提高,但是路面反馈的敏感度就降低了,整体操控稳定性就下降了。太小的刚度会使得车辆姿态难以保证,带来高速过弯侧倾严重等问题。

主动悬架系统可以让驾驶者自由调节刚度和阻尼,根据不同时间的需求来进行调节和取舍。空气悬挂采用空气弹簧替代了金属材质的螺旋弹簧,电子控制系统通过空气泵和电磁阀来调整空气弹簧气缸里的空气量和压力,改变空气弹簧的硬度和弹性系数(随意调节悬架的软和硬)。通过调节泵入的空气量,调节空气弹簧气缸活塞的行程和长度,可以实现车辆底盘的升高或降低,实现车身底盘高低可调,实现舒适性和操控性的鱼熊双得。我们看到在豪华车型,普遍采用了空气悬挂配置,有效提高了车辆的特性。

●空气弹簧内部充满空气,具备可压缩性,遇到不平路面冲击很多细小震动不易通过空气弹簧传递到车内,提升行驶舒适性。

●随着载荷的增加,空气弹簧内部空气不断被压缩,刚度不断变化,能够实现非线性的刚度曲线,从而提升乘坐的舒适性能。

因此被动悬挂系统参数固定,主动悬挂系统各参数可调。大部分家用车型都是采用了被动悬挂系统,车辆设计之时必须在舒适性和操控性之间取得一个平衡,不同品牌之间底盘悬挂在成本的考虑下会做取舍,以形成与自家品牌相匹配的风格。当弹簧的刚度和减振器的阻尼系数中的一个参数可调,则为半主动悬架(阻尼系数可调),有CDC阻尼连续可变系统和MRC电磁感应悬挂系统。

而弹簧刚度、阻尼系数和长度均可调则为主动悬挂,在可变阻尼减振器的基础上加上可变长度的空气弹簧,构成空气悬架。空气悬架将原有的机械螺旋弹簧和被动减振器升级为空气弹簧+电控阻尼器之外,增加空气供给系统和复杂的电子控制系统,使得空气弹簧能够通过簧内气压的充放有效改变车身的高度以及刚度,电控减振器可以通过阻尼系数的变化来调节悬架的软硬,两者共同作用提升驾乘的舒适性和操控性。

▲图5.空气悬挂系统

如上图所示,空气悬挂系统的主要部件由空气供给系统(压缩机、储气罐、分配阀)、ECU、空气弹簧、CDC减振器、各类传感器以及相关配套的管路构成。ECU接收各类传感器的信号,确定车身的运动状态(速度、加速度、路面冲击等),对底盘的状态进行调整。压缩机提供空气源,通过分配阀对于气囊进行充放气进而调整空气弹簧的刚度以及车身的高度,通过调整CDC减振器阻尼系数的大小,从而对悬架的参数进行实时调整。

▲图5.空气悬挂系统

空气弹簧根据结构不同,主要分为囊式和膜式两种。

●囊式空气弹簧:气囊中的封闭压缩气体和夹有帘部线的橡胶气囊组成了囊式空气弹簧(单个的或三或四节)。弹簧的弹性随着节点数的增加越来越好,相反的密封性就会变差,钢制的腰环围在节与节中间来使中间部分,不会径向的向外扩张。上下盖板密闭了气囊,在商用车上使用比较多。

●膜式空气弹簧:密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件组成,多用于乘用车上。

●袖筒式空气弹簧结构也比较简单,可以减少重量和装配的复杂性。

橡胶空气弹簧工作时,内腔充入压缩空气形成一个压缩空气气柱。随着振动载荷量的增加,弹簧的高度降低,内腔容积减小,橡胶弹簧的刚度增加,内腔空气柱的有效承载面积加大,此时橡胶弹簧的承载能力增加。当振动载荷量减小时,橡胶弹簧的高度升高,内腔容积增大,橡胶弹簧的刚度减小,内腔空气柱的有效承载面积减小,此时橡胶弹簧的承载能力减小。

▲图6.不同的空气弹簧

空气弹簧在有效的行程内的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递、振幅与振动载荷的高效控制;还可以用增、减充气量的方法,调整弹簧的刚度和承载力的大小,还可以附设辅助气室,实现自控调节。

二、空气悬挂容易坏么?

实际上空气悬挂随着高级感(满满的逼格)而来的是高额的成本,相比传统悬架,空气式可调悬架结构较为复杂,出现故障的几率和频率也会高于螺旋弹簧悬架系统。

▲图7.复杂的空气悬架系统

使用时间一长,空气中的水分就容易附着在橡胶层上并使橡胶层龟裂,这非常考验接头和橡胶膜等部件的耐磨损能力,而且外露的橡胶本来就容易受到环境影响,出现老化,这个时候整个空气悬挂系统就会失效,如果驾驶当中,出现碎石击穿气囊也可能会使系统失效,空气悬挂是容易坏的部件。如果系统出现失效,空气弹簧会出现漏气,那时车身会塌下来的糟糕体验会让消费者非常崩溃。

▲表1.空气悬挂的失效模式

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