图5 磁流变效应(图片来源:https://www.lord.com/products-and-solutions/active-vibration-control/industrial-suspension-systems/how-does-mr-damper-work)
如图6所示,一种MRD结构示意图。图中MRD使用精密设计的电磁线圈作为活塞,没有传统的卸载阀和单向阀。当活塞向下运动时,腔内磁流变液受到挤压后通过活塞的环形阻尼通道、常通孔和环形间隙由压缩腔流动到拉伸腔,活塞向上运动类似。当磁流变液在活塞中阻尼通道中流动时,通过改变活塞电磁线圈磁场的大小,可以控制磁流变液的流动特性(流速越快→减振器越软→悬架越舒适,反之类似),从而阻尼力大小的控制。
图6 一种MRD结构示意图(图片来源:https://mp.weixin.qq.com/s/jkjTBQxi_rYrICDncOiiHw)
在MRD的身边,再配上加速度传感器、控制器及配件等一众随从,便构成了一套完整的半主动式电磁悬架系统。通用率先应用,并起名为MRC(Magnetic Ride Control)系统,最可恨的居然还申请了名称商标专利,以至于后面法拉利和奥迪使用时只能叫做SCM和AMR,徒增了世人理解的难度。
MRC可以根据不同的驾驶需求和当前路况进行快速响应,响应时间高达1ms,响应速度大概是以CDC为核心的半主动式悬架(响应时间为10ms)的十倍。这样的特点既可以支撑起赛道上刷圈拿好成绩(迅速调整悬架阻尼值,增强过弯支撑的效率,减少车身侧倾并提升轮胎侧向的抓地力),也能兼顾日常驾驶时的操控性和舒适性。
好的代价就是贵,MRC过万的价格,不仅远高于传统减振器的不到千元,也高于以CDC为核心的减振系统的大几千元价格。贵带来的系统复杂,导致故障率居高不下。发热量大导致油封失效带来的漏液问题;磁流变液的颗粒物杂志堵塞活塞空隙导致性能下降的问题;磁流变液本身的环境问题……。
(3)空气弹簧
空气弹簧是在柔性密闭容器内充入惰性气体或者油气混合物,利用橡胶气囊内部压缩空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件,是空气悬架的核心部件。空气弹簧主要由气囊和滚动活塞组成,气囊内充满压缩空气,活塞连接车桥或集成在悬架支柱上。空气弹簧结构示意图如图7所示。
图7 空气弹簧结构示意图(图片来源:https://www.qcwxjs.com/qicheyuanli/222404.html)
空气弹簧工作时,气囊内冲入压缩空气,形成一个压缩空气柱。载荷量增加时,弹簧高度降低,气囊容积减小,有效承载面积加大,从而导致空气弹簧的刚度增加,承载能力增大;载荷量减小时,弹簧高度升高,气囊容积增大,有效承载面积减少,从而导致空气弹簧的刚度减少,承载能力减小。
因此空气弹簧在其工作行程内具有优秀的非线性刚度特性,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。
概括下来就是空气弹簧在压缩行程中所需的压力呈指数级增长。这就意味着需要更高的压力来压缩接近行程末端的空气弹簧,从而获得整体舒适的驾驶体验。如果再加上可改变其内部冲气量的气泵和泄气阀,就可以实现车身高度不随载荷增减而变化,从而实现高度自我调节。
但是空气弹簧昂贵的成本以及较高的故障率,让很多人望而却步。
三、主动式悬架
主动式悬架,人如其名,非常主动,支持刚度和阻尼同时可调。主动式悬架的优秀代表就是目前褒贬不一、处于舆论漩涡的空气悬架,一种结构形式如图8所示。
图8 一种主动式悬架结构(资料来源:《空气悬架,国内市场有望快速增长》,华泰证券)
空气悬架系统主要由空气泵、电磁阀、空气弹簧、减振器和电子控制单元构成,如图9所示。电子控制单元分析传感器的数据(车身高度和车身速度传感器等数据),输出对悬架的刚度及阻尼大小的控制需求。并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,实现车身底盘高度调节。