【笔记】空气弹簧概述、刚度调节原理
参考链接：汽车底盘空气悬架关键零部件之空气弹簧
1.概述
汽车空气弹簧（Air Spring）是一种以“压缩空气”作为弹性介质的悬架元件，用来取代传统钢制螺旋弹簧或钢板弹簧。它在乘用车、客车、重卡及轨道交通上越来越普及，核心优势是：刚度非线性、高度可调、隔振好、寿命长。
一、结构与类型
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气囊本体
- 由内胶层+帘布增强层+外胶层硫化而成，承受气压并保证气密。
- 常见结构：
– 卷边式（Rolling Lobe）：活塞向上卷动，行程大，轿车/SUV主流。
– 袖筒式（Sleeve）：活塞外套筒滑动，尺寸短，重卡前悬多用。 - 气室数量：
– 单腔：刚度由气压唯一决定，成本低。
– 双/三腔：通过电磁阀切换主/副气室组合，实现3~4级刚度跳变，高端车型标配。
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附加元件
- 活塞（铝或复合材料）：决定气囊有效面积曲线，影响刚度非线性。
- 顶盖+底座密封面：带气压接口、高度传感器支架。
- 防尘护套：防止泥沙磨损帘布。
二、工作原理
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弹性力来源
F = P × A_eff
其中 P 为绝对气压，A_eff 为气囊有效面积（与行程呈非线性函数）。当车轮上跳，气囊被压缩→容积↓+A_eff↑→刚度“自然变硬”，抑制触底；车轮下落则相反，实现自适应刚度。 -
高度与刚度独立调节
– 充气：空压机→储气罐→高速电磁阀→气囊 → 车身抬高。
– 放气：电磁阀打开→簧上重量将空气排回大气 → 车身降低。
– 保持：阀关闭，气体质量恒定，高度锁定。
整个过程由高度传感器闭环反馈，调节精度±2 mm，响应<100 ms。 -
刚度微调（双腔示例）
阀1开：主+副气室连通 → 总容积↑ → 刚度↓（舒适模式）
阀1关：仅主气室工作 → 容积↓ → 刚度↑（运动模式）
切换时间约40 ms，可在行驶中动态完成。
三、性能优势
- 隔振好：气体压缩行程大，高频振动衰减比钢簧高10 dB以上；对电池、电机、乘员都更友好。
- 寿命更长：无金属疲劳，台架试验80万次循环无裂纹，等效50万 km。
- 轻量化：同载荷下比钢板弹簧减重30–50%。
- 能耗优化：高速降低车身→迎风面积↓→风阻↓≈-4 %，续航+2~3 %。
四、典型应用
- 豪华轿车：奔驰S、宝马7、蔚来ET7——三腔+CDC减振，0.1 s调刚/调阻。
- SUV/越野：路虎揽胜、比亚迪仰望U8——抬升+120 mm，涉水深度900 mm。
- 商用车：客车、重卡——单腔+高度阀，自动保持车身水平，防侧翻。
一句话总结
空气弹簧=“橡胶气囊+压缩空气”；通过充/放气改变气体质量，实现高度升降；通过气室切换/气压调节实现刚度非线性变化，从而兼顾舒适、操控、通过性与节能，是现代主动悬架的标志性部件。
2.刚度调节原理
空气弹簧的“刚度”并不是固定值，而是实时可调的——核心思路就是改变气囊内部的有效气体容积或压力。具体实现方式分为三大类，均已量产：
- 线性调压（单腔空簧）
原理：F = P × A_eff
- ECU 驱动空压机/高速电磁阀，往主气室充气或放气
- 气压 P 升高 → 刚度 ↑；气压 P 降低 → 刚度 ↓
- 调节范围 ≈ ±15%，响应 0.2~0.5 s
- 用于低成本方案（重卡后悬、客车）
- 气室容积切换（双/三腔空簧）——主流
结构：主气室 + 1~2 个副气室，中间用高速电磁阀连通
逻辑：
- 阀打开：总容积 V↑ → 刚度 软（舒适模式）
- 阀关闭：有效容积 V↓ → 刚度 硬（运动/防侧倾模式）
刚度跳变幅度：高/低差 40~50 %，切换时间 <40 ms
应用：
- 奔驰 S 级三腔空簧——软/标准/硬三档
- 比亚迪云辇-A 双腔——舒适/运动两档
- 动态孔径（连续可变容积）
在连通孔里加步进电机或旋转电磁阀，实时改变孔径 d
- 孔径 ↓ → 气体流动受限 → 等效容积 ↓ → 刚度 ↑
- 孔径 ↑ → 气体自由流动 → 等效容积 ↑ → 刚度 ↓
优点：无级调节，刚度比 1∶3
缺点：成本高，用于高端 CDC+空簧一体化系统
一句话总结
空气弹簧通过**“充气量”或“气室连通容积”两条路改变气体有效容积，从而非线性、毫秒级地改变刚度；单腔靠气压，双/三腔靠电磁阀切换，高端方案再叠加连续可变孔径**实现无级刚度。