悬架和电控悬架的基本概念


悬架(又称悬挂,英文为Suspension)是汽车的车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的一切传力连接装置的总称,其作用是传递作用在车轮与车架之间的力和力扭,并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力,并减少由此引起的震动,以保证汽车能平顺地行驶。

 

 

 

典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成,个别结构还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式,而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧,部分高级轿车则使用空气弹簧。弹性元件主要用来承受垂直力并转化为弹性势能,从而减缓汽车在凹凸路面行驶引起的冲击。

 

 

减震器用来吸收与释放弹性元件的弹性势能(通常通过热能形式排出),从而迅速衰减车架和车身的振动,防止车身因弹性元件伸缩造成的反复颠簸;减震器改变截面实现阻尼系数变化,根据行驶状态确定悬架软硬。电控减震器的主流产品为采埃孚的CDC(Continuous Damping Control,连续阻尼控制系统),每秒钟检验100次路面情况,根据传感器的数据改变内部阀门大小,从而改变流量大小,进而改变阻尼影响悬架的软硬,从而实现:

 

1)、转弯的时候防侧倾;

2)、制动的时候减少点头;

3)、提升乘坐舒适性等功能。

 

伴随电子控制水平发展,电控悬架应运而生。电控悬架是指通过电控系统控制悬架执行机构,调节阻尼、高度、刚度,以及施加主动力等,改善车辆舒适性和操控稳定性的系统。

 

来源:一汽研发总院,中国汽车工程学会

 

 

电控悬架控制器(ECU)通过传感器和CAN总线采集高度、速度、方向盘转角、制动轮缸压力、驾驶模式等作为输入信号,经过算法处理,得出使系统控制性能最佳的控制信号,经由驱动电路控制电磁阀通断电时间或电流大小,进而调节对空气弹簧的充气、放气,或调节减振器阻尼力,达到调节悬架刚度和阻尼的作用。

 

空气悬挂工作原理图

 

 

来源:保隆科技

 

目前,悬架行业重点推广的是空气悬架系统。通常,配置了空气弹簧的车型也同步配置MRC或CDC;而配置MRC、CDC的车型不一定配置空气弹簧。

 

发展趋势一:空气悬架在中国的渗透率还很低,国内乘用车市场渗透率只有0.7%

 

 

商用车方面,受法规强制安装要求,空气悬架在商用车中逐步推广。根据2017年《机动车运行安全技术条件》规定,自2020年1月1日起,总质量≥12000kg的危险货物运输货车的后轴、所有危险货物运输半挂车以及三轴栏板式、仓栅式半挂车配备应装备空气悬架。海外发达地区商用车空气悬架渗透率已达 85%左右,国内商用车渗透率还很低,还有很大发展空间。

 

乘用车方面,根据佐思汽研数据中心的统计,2022年1-4月,进口车市场空气悬挂渗透率约为24%,国内乘用车市场的空气悬挂渗透率约为0.7%。

 

中国乘用车市场空气悬挂装配率

 

 

来源:佐思汽研数据中心

 

发展趋势二:中国OEM和Tier1正快速拉低空气悬架的应用门槛

 

空气悬架对汽车操控性、舒适性提升明显,多配置于60万元以上的进口豪华汽车中,如奔驰、宝马、奥迪、沃尔沃、路虎、保时捷等高端车型;以蔚来、小鹏、理想为代表的造车新势力和以吉利、一汽红旗、长城为代表的的传统车企为了提升品牌,在高端智能汽车上配置空气悬架;他们或全栈自研,或与空气悬架供应商合作,引领空气悬架向下逐步渗透。

 

国内车企或逐步倾向于自研空气悬架控制单元及算法(最终集成至底盘域控制器中),并将硬件总成分拆成空气供给单元、空气弹簧、传感器等部件分别采购,最后再由主机厂主导集成,这为国内零部件供应商单点突破带来机遇,如保隆科技、中鼎股份、拓普集团、孔辉汽车等,已逐步实现空气悬架相关部件的量产和配套。

 

目前空气悬架的总体单车价值量约1.1-1.6万元,随着供应链国产化降本,以及产量的提升,预计国产化乘用车空气悬架整体价格有望降至8000元以内。

 

在消费升级及国产化降本推动下,空气悬架正从60万元以上的豪华车渗透至30万元区间造车新势力的选配甚至标配产品。2018 年起,蔚来 ES8、ES6 的上市将空气悬架配置下探至 40 万元以内。2021 年极氪001 与东风岚图FREE将空气悬架继续下探至30万元以内车型。

 

另外,我国汽车消费升级趋势显著,20万元以上车型销量占比明显提升,从2016年的17.3%增长到了2021年的30% 。汽车消费升级也加快了乘用车空气悬架的导入。

 

 

孔辉科技自有空气弹簧装配生产线,一期规划年产能15万套。拓普集团首个空气悬架系统工厂坐落于宁波滨海新区,总投资约6亿元,计划2022年6月正式投产。新工厂投产后可实现年产量200万只空气悬架,满足每年50万辆车的配套。

 

保隆科技投资10亿元在合肥园区打造了一条空气弹簧产线,具备年产10万台车空气弹簧的能力。2023年第二条线和第三条线将投入生产,未来规划再建6条产线,2025年实现年产超过50万台整车空气弹簧。

 

国内大批空气弹簧产线的达产,必将带动空气弹簧的大批量上车,为更高级别悬架功能的导入打下硬件基础——譬如魔毯悬架。

 

发展趋势三:魔毯悬架功能兴起

 

 

常见的空气悬架系统往往是手动选择驾驶模式,不同驾驶模式有不同的悬架设置。魔毯悬架则更进一步,通过摄像头雷达扫描车前方路面状况,以调节空气悬挂的阻尼、高度和刚度,达到平稳通过颠簸路段的效果。魔毯悬架比空气悬架一般多一套环境感知系统(视觉和雷达等)和更强大算力的控制器(也可能利用域控制器的算力)。

 

魔毯悬架系统采用最多的环境感知系统是双目视觉系统。奔驰的魔毯悬架系统叫做MAGIC BODY CONTROL智能车身控制系统,就采用的双目视觉系统。宝马也是利用了立体摄像头作为感知系统。

 

宝马魔毯悬架主要由以下几个系统组成:动态减震控制系统、整体主动转向系统、智能全轮驱动系统、4个车轮速度传感器、前后轴的电动主动稳定杆、12V蓄电池逆变器、前挡风玻璃立体摄像头等。

 

国内的双目视觉供应商中科慧眼和保隆科技都获得了魔毯悬架的定点项目。

 

岚图汽车首次将“魔毯”功能引入到MPV(梦想家)。岚图梦想家 “魔毯”功能主要由以下单元组成:四支CDC减振器、五个加速度传感器、摄像头和控制单元、前双叉臂+后五连杆+空气悬架。通过前置摄像头实时扫描车辆前方5~15米的路面数据,识别特殊路况如减速带、凸起等,同时传感器用来监控车辆运动情况,并将运动的信号传递到控制单元,控制单元用来计算传感器的信号,依据内部的控制算法向四支CDC减振器上的电磁阀输出控制电流,从而控制阻尼力的大小,使车辆获得更好的驾乘舒适性。

 

发展趋势四:悬架控制需和转向及制动控制结合,也将与ADAS功能融合

 

在豪华品牌的底盘控制中,电控悬架功能从来不是独立存在的,悬架控制往往和转向系统控制以及制动控制系统相结合的,譬如奔驰的E-Active Body Control系统。

 

 

奔驰的E-Active Body Control使用了五个多核心处理器、20多个传感器以及立体摄像头,可预测不同的驾驶情况。具体功能描述如下:

 

 

  • 基于48伏的全主动悬挂,在不同的驾驶模式下操纵特性差异比以往更大 ;E-ACTIVE BODY CONTROL分别调节每只避震器的阻尼力和弹簧力,可以抵消车身的侧倾、俯仰和升力;在COMFORT驾驶模式下,ROAD SURFACE SCAN使用SMPC立体多功能摄像头监视车辆前方的路面。然后启动弹簧撑杆,以大大减少穿越颠簸时的车身晃动与震动;在CURVE驾驶模式下,车辆会依状况主动倾斜。此倾斜功能和舒适的悬挂设置,极大地提高了乘坐舒适性,而对胃部较敏感的乘客感觉特别好(适用于吃饱的状态);E-ACTIVE BODY CONTROL主动车身控制系统,实现了新版PRE-SAFE主动安全功能,能降低侧面碰撞所造成的伤害;在全轮转向(选配)和后方大转向角(最高10度)的情况下,S级的转弯幅度最多可减少了2米。这使长轴距S级的转弯直径可小于11米;透过将后轮转向系统与更直接的前轮转向系统相结合,还可以实现高度的敏捷性与高速稳定性;转向和制动系统的集成,可使动态情况下的操控更加精确和稳定。

 

 

由于ADAS系统需要一套环境感知系统,魔毯悬挂也需要一套环境感知系统,因此两者可以复用部分传感器。国内企业中,中科慧眼、保隆科技分别和合作伙伴一起,推出了魔毯悬挂+ADAS的融合感知解决方案。