线控悬架技术

所谓“悬架”，指的是车轮和车身之间连接装置的总称。常见悬挂的类型有扭力梁、麦弗逊、双叉臂、多连杆等，除了扭力梁是非独立悬挂，其他的都是独立悬挂。

但本次讨论的重点是悬架的力学模型，它其实就是一个二阶质量-弹簧-阻尼系统，学过《机械振动学》的读者应该会有映像。弹簧和阻尼器可以起到支撑车身、过滤路面震动的作用，可以达成更好的驾驶品质和NVH效果。

被动悬架：

对于大部分的中低端车型，多采用并联的螺旋弹簧和液压减振器，这种形式的减震装置相当常见，在摩托车、汽车、乃至火车上都会用到。其物理模型可以抽象为车身与轮胎之间存在一个弹簧和阻尼，然后车轮与地面间也存在一个“弹簧”（车轮也有一定的弹性）。此种悬架的弹簧刚度k2和减震阻尼特性C在出厂后都是无法更改的，悬架的高度也无法更改，因此我们称其为“被动式悬架”。

PS：所谓“悬挂调教”，更多的就是出厂前对弹簧刚度和阻尼曲线的设定：偏运动的车辆刚度和阻尼都更大，驾乘感受偏“硬”，弯道极限更高，而偏家用的车辆刚度和阻尼都更小，驾乘感受偏“软”，不适用于激烈驾驶。德系车的调教偏“韧”，日系车的调教偏“软”，这些都是通过悬架系统塑造的不同的风格。

主动悬架：

在ECU的控制下，弹簧刚度 2 、阻尼系数  、以及悬架高度  都是精确可调的，这也就是所谓的主动悬架，或者线控悬架，具体的实现方式后面会讲。一些文章还根据可调节对象的多少将其分为“半主动”和“主动”，这里我就一律将可调节的算作“主动”。

那么线控悬架又如何与自动驾驶扯上关系呢？简而言之——改变车辆的动力学特性。下面列举几个典型场景：

A. 熟悉汽车操控性评价的应该都听过绕锥桶的麋鹿测试（moose test），其目的是为了测试汽车在高速时作出S转向的性能。一般地，悬架刚度更高的车辆能够以更高的速度过弯，而刚度较低的车辆极限较低，甚至在速度过快时会导致翻车。

显然，当车辆行驶在弯道较多的道路上，或者需要紧急转向避让时，线控悬架可以提升其刚度，抬高外侧悬架，降低内侧悬架，这些措施都可以保障车辆不失控（在这种情况下，前面提到的ESC刹车系统也会发挥重要作用），这也与最终的决策高度相关。

B. 如果路面存在沟坎，那么通过激光雷达或者摄像头可进行感知。然后相应地调整悬架刚度，提升驾乘感受，保护悬架系统。

通过沟坎

C. 大油门起步会车辆会“抬头”，大脚刹车车辆又会“点头”，这些情况都可以通过控制悬架刚度和高度来解决。这都可以提升轮胎抓地力，起步时防止打滑，制动时缩短距离。

D. 由于车门的强度一般比较低，因此侧碰一般是碰撞事故中最为凶险的一种，奥迪A8就通过侧面摄像头感知来自侧面地碰撞，抬高碰撞一侧的悬架，让强度更高的底盘承受撞击，从而保障乘员安全。

E. 抬高悬架高度，可以提升车辆通过性，走一些烂路时候不会拖底。

F. 扯点更远的，奔驰的M-ABC系统可以极快的速度抬高/降低车身，使车辆在地上“跳舞”，这对于非铺装路面的脱困是一项利器，可以省一笔拖车费用。因此，线控悬架之于自动驾驶，绝非花拳绣腿，车辆动力学也是自动驾驶无法忽视的点。

下面来写线控悬架的实现方式：可变刚度弹簧、可变阻尼减震器以及可调稳定杆。

这部分内容相对简略，大体了解原理即可。

目前，可变刚度弹簧的实现方式主要是“空气弹簧”，有膜式和囊式两种结构，在密闭的压力缸内充入惰性气体或者油气混合物，通过空气泵打入气体即可实现对悬架刚度和高度的调节。

并不难看出空气弹簧的一些特点：由于采用空气介质，充气过程相对缓慢，因此刚度和高度的调节响应速度不快，很难做到瞬时响应；高压气体使得充放气口很容易失效，因此寿命一般也都比较短。我上学时特别爱看英国修车节目《Wheeler Dealer翻新老爷车》，他们维修的车辆里，只要带空悬的，几乎就没有不出问题的

当然，采用空气弹簧并不意味着完全弃用机械弹簧，很多空悬系统也都在内部集成了传统的弹簧。

另外，一般采用集中式的一套气泵和储气罐驱动四个气缸，通过阀体来分配充气量。给每个车轮单独分配气泵和储气罐体积上不允许，同时也不经济。

3.3.1 普通的液压减振器

首先介绍普通的液压减震器，其原理十分简单：当活塞向下运动时候活塞下方的液压油受到挤压，从活塞的开口流入活塞上方，从进油阀流入储油筒；活塞向上运动时，液压油从活塞上方流入活塞下方，同时储油筒中的液压油经进油阀流入活塞下方。

液压油通过小孔和进油阀时会产生阻力，将动能转化为内能耗散。流量一定时，通道截面积的大小与流体的阻力成反比。实际的阀体设计十分复杂，通过对多个阀体的人工调节，会构造出一条“阻尼曲线”，从而影响车辆的驾乘感受。

3.3.2 筒间流量调节减振器 CDC Continuous Damping Control

CDC的原理非常简单：使用电磁阀改变液压油通道的大小，就可以改变阻尼系数。这就像我们玩注射器时，带着针头推注射器阻力更大，不带针头阻力更小一样。

CDC的调节速度适中，成本不高，且寿命较长，因此使用非常广泛。最大的供应商一般是德国的采埃孚-萨克斯ZF-Sachs，比亚迪自研的FSD减震器原理基本类似。

3.3.3 主动电磁感应悬挂系统 MRC Magnetic Ride Control

MRC并不改变液压油通道的大小，而是通过改变液压油的粘度来控制其流动速度。MRC使用的液压油加入了磁性物质，并且减振器中安装了电磁线圈。当线圈通电时，液压油分子根据磁场方向规律排布，导致粘度增大，因此在缸体中的流速变低，减振器的阻尼增大；并且这个阻尼增大的程度是可以通过电流的大小来进行控制的。

与CDC相比，电磁液压油粘度变化的速度要远快于电磁阀的开闭速度，因此MRC的悬架刚度调节响应可以达到1ms以内，其调节范围也更大一些。MRC最显著的缺点就是贵，当然这不是MRC的问题，是我的问题。MRC主要的供应商是美国的德尔福Delphi，也因此MRC最先用在美系车上。

咬文嚼字：我们经常听到“空气悬挂”和“电磁悬挂”两个概念，其实这两个概念的类比并不合适。空气悬挂主要改变的是的是弹簧刚度，而电磁悬挂改变的是阻尼系数。很多文章还煞有介事的对比其不同点，事实上，空气弹簧和电磁悬挂完全可以结合起来使用。

3.3.4 奔驰的主动车身控制 ABC Active Body Control

奔驰采用的悬架方案与前面又不一样，其原理是通过电子液压泵，给阻尼器中泵入液压油，推动阻尼器活塞的上下移动。从而实现车身高度的调节。根据出现的时间，可以分为M-ABC和E-ABC系统。

其中M-ABC是通过一个中央泵+阀体来来控制四个车轮上的悬架，而E-ABC则是在四个车轮侧各配备一个电子液压泵驱动来阻尼器，其架构有点类似于之前讲过的电子机械刹车EMB。

M-ABC的特性与EMB也十分相似，首先由电机带动阻尼器，其响应时间十分快，可以在1秒内实现车身高度的升降，这要比空气弹簧迅速的多。因此，奔驰可以做出原地“起伏跳舞”这种匪夷所思的动作。

同时，四个液压泵需要支撑起上吨的重量，因此其需要很大的功率，且其位于车轮侧的工作环境非常恶劣，其面临的难题某种程度上与EMB电子机械刹车是类似的，实现难度都非常大。因此，目前E-ABC系统仅在旗舰级车型上配备。

工业产品的铁律就是：越是复杂的结构，其故障率就越高。可调刚度、阻尼的悬架已经出现了20多年，其故障率一直居高不下，寿命一直很难撑过汽车的整个生命周期。并且此类悬架在行车过程钟出现故障，很可能引发车身姿态的剧烈变化，从而导致重大事故。前些时的理想L8空悬在碰到地面凹坑时爆裂即是一个很好的案例。

线控悬架增加了电机液压泵、控制器、传感器、储气罐等配置，重量和能耗都会有所提升；

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