现代汽车的脊梁———橡胶空气式可调悬架
摘要: 根据科技不断发展传统的弹簧悬架已经不能满足人们的需求这一背景，本文介绍了汽车空气式可调悬架的基本结构、工作原理，以及不同刚度状态和底盘状态的实现方法，同时还指出了橡胶空气弹簧现存的不足和它的发展趋势。
关键词: 汽车空气悬架；橡胶弹簧；底盘升降技术；发展趋势
一.概述
悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一，它的形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。
而作为考量汽车性能的两个标准，操控性与舒适性往往很难兼顾：柔软的悬架因为过滤了大量来自路面的冲击，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。
由于人们对于汽车操控性和舒适性的要求不断上升，普通螺旋弹簧很难做到两全其美。
于是，适应能力更强，感受更完美的可变悬挂系统（即主动悬架）就诞生了,而提到主动悬挂系统，我们首先想到的，并且应用最广泛的自然是空气式可调悬架。
空气悬架的基本布置如下图，其中传感器将收集到的信号传给控制单元，控制单元经过计算再发出指令来调节空气弹簧硬度和减震器阻尼，从而达到最理想的弹性状态。
这个看来十分复杂的过程在整个系统内的反映时间只有几十微秒。
因此，空气悬挂系统对车轮的每一个微小动作都能做出及时而且恰当的反应。
图1.空气悬架总体布置图
二.汽车空气悬架的基本特点
空气弹簧的悬架系统其实跟传统的悬架总体结构相差不是很大。
主动式空气悬架与传动的被动式悬架的主要区别在于他们使用的弹性元件，以及对弹性元件的软硬大小的控制方式。
传统被动式的悬架由弹性元件、导向机构、减振器和横向稳定杆组成。
弹性元件用来承受并传递垂直的载荷，即承受车身的重量，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。
减振器用来衰减由于弹性系统引起的振动，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。
导向机构用来传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，通常所谓的导向机构由控制摆臂式杆件组成。
空气悬架系统则包括空气弹簧、减振器、导向机构和车身高度控制系统，其基本技术方案主要包括内部装有压缩空气的空气弹簧和阻尼可变的减震器两部分。
与传统钢制汽车悬挂系统相比较，空气悬挂具有很多优势，最重要的一点就是弹簧的弹性系数也就是弹簧的软硬能根据需要自动调节。
例如，高速行驶时悬挂可以变硬，以提高车身稳定性，长时间低速行驶时，控制单元会认为正在经过颠簸路面，以悬挂变软来提高减震舒适性。
图2.橡胶空气弹簧悬架的基本组成
三.汽车空气悬架的技术分析
1.橡胶空气弹簧的结构特点
（1）悬架刚度调节基本原理
空气弹簧以囊式空气弹簧为弹性元件，囊式空气弹簧是在一个密封的容器内充入压缩空气（气压为0.5～1.OMPa）利用气体的可压缩性，实现其弹性作用的。
囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶制成的气囊和密闭在其中的压缩空气构成。
气囊层由耐油橡胶制成单节或多节，节数越多弹簧越软，节与节之间围有钢质腰环，防止两节之间摩擦。
气囊上下的盖板将空气密闭于囊内。
图3.囊式空气弹簧
这种弹簧的刚度是可变的，其原理是，当汽车的载荷增加时，空气囊的气压升高，气室2内的气压也随之升高，膜片向下移动与弹簧3产生的压力相平衡。
与此同时，膜片带动与它相连的柱塞杆4和柱塞5下移，因而使得柱塞相对空气连杆1上的节流孔6的位置发生变化，结果减小了节流孔的通道面积，也就是减少了油液流经节流孔的流量，从而增加了油液的流动阻力。
反之，当汽车载荷减小时，柱塞上移，增大了节流孔的通道截面积，从而减小了油液的阻力，达到了随着汽车载荷的变化而改变减震器阻力的目的。
对客车而言，使用空气悬架可以提高乘坐舒适性，对货车或挂车而言，使用空气悬架可以更好地保护货物。
图4. 阻力可调式减震器示意图
1-空心连杆 2-气室 3-弹簧 4-柱塞杆
5-柱塞 6-节流孔 7-活塞
（2）悬架刚度调节状态
在主气压腔与辅气压腔之间的气体阀体上设有两个通道，气阀控制杆由步进电动机驱动。
当控制杆转动时，阀芯随之转动，带动气体通道大小的变化，主、辅气压腔之间的气体流量就会改变，使刚度变化，刚度可分为低、中、高三个状态，具体如下。
1）高刚度状态：当气阀控制杆带动阀芯旋转到“高”位置时，阀芯的开口被封闭，主、辅气压腔之间的气体通道被切断，两气压腔之间气体不能流动;与此同时，高度控制电磁阀和压缩机继电器接通，空气充入主腔使其气压增高、密度增大。
由于悬架振动过程中缓冲任务主要由主气压腔承担，故悬架的刚度状态处于高刚度状态。
2）低刚度状态:当气阀控制杆带动阀芯转到图中所示“低”位置时，气体大通道被接通，主气压腔的气体经阀芯中央的气孔和阀体侧面的气孔通道与辅气压腔气体相连，两腔之间气体流量增大；与此同时，高度控制电磁阀和排气阀接通，部分空气从排气阀排出，主气压腔气体减少、密度降低，故悬架刚度处于低刚度状态。
3）中刚度状态：当气阀控制杆带动阀芯转到图中所示“低”位置时，气体小通道被接通，主、辅气压腔之间的气体流量很小；与此同时，高度控制电磁阀和压缩机继电器断电，故主气压腔气体变化量很小，故悬架的刚度状态处于中等刚度状态。
图5.悬架刚度调节原理
1-阻尼调节杆 2-空气阀控制杆 3-主、辅气压腔通道
4-辅气压腔 5-主气压腔 6-气体阀体
7-小通道 8-阀芯 9-大通道
另外，车轮受到地面冲击产生的加速度也是空气弹簧自动调节时考虑的参数之一。
例如高速过弯时，外侧车轮的空气弹簧和减震器就会自动变硬，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震器硬度进行加强以减小车身的惯性前倾。
因此，装有空气弹簧的车型比其它汽车拥有更高的操控极限和舒适度。
2.底盘升降技术
通常来讲，装备空气式可调悬挂的车型前轮和后轮的附近都会设有离地距离传感器，按离地距离传感器的输出信号，行车电脑会判断出车身高度变化，再控制空气压缩机和排气阀门，使弹簧自动压缩或伸长，从而降低或升高底盘离地间隙，以增加高速车身稳定性或复杂路况的通过性。
图6.底盘基本状态
空气悬挂还将传统的底盘升降技术融入其中。
高速行驶时，车身高度自动降低，从而提高贴地性能确保良好的高速行驶稳定性同时降低风阻和油耗。
慢速通过颠簸路面时，底盘自动升高，以提高通过性能。
另外，空气悬挂系统还能自动保持车身水平高度，无论空载满载，车身高度都能恒定不变，这样在任何载荷情况下，悬挂系统的弹簧行程都保持一定，从而使减震特性基本不会受到影响。
因此即便是满载情况下，车身也很容易控制。
这的确是平台技术的一个飞跃。
图7.日本富士汽车空气悬架的底盘升降控制系统
1、2-电磁阀 3-干燥剂 4-排气阀 5-空气压缩机 6-进气阀
7-储气罐 8-调压阀 9-ECU 10-减震器 11-伸缩膜 12-高度传感器
而在日常调节中，空气悬挂会有几个状态。
1、保持状态。
当车辆被举升器举起，离开地面时，空气悬挂系统将关闭相关的电磁阀，同时电脑记忆车身高度，使车辆落地后保持原来高度：2、正常状态，即发动机运转状态。
行车过程中，若车身高度变化超过一定范围，空气悬挂系统将每隔一段时间调整车身高度：3、唤醒状态。
当空气悬挂系统被遥控钥匙、车门开关或行李厢盖开关唤醒后，系统将通过车身水平传感器检查车身高度。
如果车身高度低于正常高度一定程度，储气罐将提供压力使车身升至正常高度。
同时，空气悬挂可以调节减震器软硬度，包括软态、正常及硬态3个状态（也有标注成舒适、普通、运动三个模式等），驾驶者可以通过车内的控制钮进行控制。
四．汽车空气悬架的不足和前景展望
空气悬挂系统是一种很先进实用的配置，但是却很“脆弱”。
由于系统结构较为复杂，其出现故障的几率和频率要远远高于螺旋弹簧悬挂系统，而用空气作为调整底盘高度的“推进动力”，减振器的密封性还需要进一步提高，倘若空气减振器出现漏气，那么整个系统就将处于“瘫痪”状态。
而且如果频繁地调整底盘高度，还有可能造成气泵系统局部过热，会大大缩短气泵的使用寿命，但随着技术的不断更新发展，相信这些问题也可以被一一克服。
空气悬架系统的小型化、刚度的可调整性以及智能控制是其发展的必然趋势。
伴随着计算机技术的迅猛发展，空气悬架系统的智能控制技术也将得到快速地发展。
在技术应用方面，主要体现在应用空气悬架以后对汽车的乘坐舒适性、安全性、动力性、经济性、环保性、可靠性等方面性能的不断改善；在市场推广方面，主要围绕客户不断细分的市场进行专业化应用车型的开发，产品品种不断增加。
我国是近年来国民经济生产总值增长最快的国家，随着经济水平的不断提高，由于空气悬架系统所具有的非线性、变刚度的特性，因此在对经济增长有着重要影响的交通运输领域，推广运用空气悬架系统具有广阔的发展空间。