汽车减振器技术路线解析（下）电控篇

说到汽车底盘系统的黑科技，在基本功能和性能提升需求以及ADAS需求的驱动下，制动和转向系统方面的进步和市场化应用似乎在四兄弟中走得更加靠前，且更容易被用户体验到科技加持的优越感。而作为兄弟“手足”，几十年来悬架系统那些大大小小的创新常常被淹没在平稳车厢的静谧和秋名山下的欢呼中，借用BerndHeißing和MetinErsoy编著的ChassisHandbook中的一段话：

Althoughtheaveragevehiclebuyerexpectshisorhernewvehicletohandlecomfortablyandsafety,thedesigneffortthisrequiresishiddenfromview,asisthesuspensionitself.Forthisreason,vehiclebuyersaregenerallymorelikelytospendmoneyonexpensiveinteriororappearanceoptionsthanonaninnovative,well-handlingsuspensionthatmaybemoreexpensive.Thequalityofasuspensionsystemcanonlybeassessedafterdrivingthecarclosetoitslimits,somethingwhichtheaveragebuyerneverdoesintentionally.

可见，悬架新技术的应用逃不开一个话题：投入收益比。但这次不细说这个，如果真正清楚一个可控的悬架或智能悬架能做到什么，自然就会发现开发者和用户是否愿意买单，渐渐将不再是个问题。本文先具体聊聊悬架各种黑科技中的核心部件——减振器。

上篇中我们介绍了一般减振器的阀系技术要点，重点分享了非电控类的减振器都有哪些特殊技术曾经流行或正在流行，体会到了一个纯被动减振器目前所能达到的极限和前人无与伦比的智慧。但随着人们的追求越来越高，ECU算力的提升，硬件成本的降低，电控技术逐渐成为更优的选择，因为它真的可以让减振器做到“两手都要抓，两手都要硬”。接下来，我们就聊聊在电控技术的加持下，出现了哪些减振器黑科技。

按照对悬架的控制方式，电控减振器分为两类——半主动式阻尼可调和主动式执行机构。半主动式阻尼可调指通过改变减振器阀系参数或改变油液属性，使减振器阻尼变化，整个悬架机构仍要被动承受路面激励，减振器的液压物理规律不可违背，只不过该软时要软，该硬时要硬；而主动式执行机构是利用电机或液压泵，直接对车轮或车身施加控制力，突破减振器本身的物理属性，主动迎合路面激励的变化，归纳来说，是一种带有可控阻尼功能的液压缸或电缸。从外特性上，主动和半主动的区别可以用下图更清晰地示意控制能力的巨大差异。

半主动式阻尼可变减振器在实现方式上也分两种，一种是电液式(ElectroHydraulic)，依靠电磁阀控制，可两级或N级调节，也可以连续无极可控；另一种是油液属性可变式，磁流变(MagnetoRheological)和电流变(ElectroRheological)，方便归类就叫X流变吧。无论哪种方式，最终实现的结果都是使减振器阻尼特性随控制电流或电压变化，但是不同类型的减振器阻尼特性和变化方式就要取决于执行机构了，进一步也决定了一种技术在各个维度的优缺点：响应时间、可控范围、粘滑特性、失效管理、耐久寿命、成本、重量、体积、维修便利性、能耗等等。

本文重在介绍和理解各类技术，不做系统性比较，不做设计指导(本人还不具备这个能力)，多以自制示意图形式说明结构和原理，借用一些官方公开资料，更多细节若感兴趣可以共同探讨。

ElectroHydraulicDamper，核心部件电磁阀。即电流通过线圈绕阻产生电磁场使磁性材料构件受力运动，控制阀系开闭或通道大小，从而改变相同减振器行程速度下，油液流过阀系的阻力。如果电磁力仅能控制阀系通道的开关，则为双模两级可调，如果电磁力可以控制阀系的通道大小或进出口压差，那么就是连续可调。

虽说近些年连续阻尼可调减振器的热度大增，取代了很多双模可调的配置，但因双模的应用不必需搭配复杂的电控策略，可以不存在以单独ECU为核心的复杂电控系统，仍具有很高的应用价值，所以并未被淘汰，还算很常见。

双模减振器作为入门级电控减振器，没有所谓的控制逻辑，人机界面可选“软”或“硬”，电信号给到减振器阀系控制执行机构，执行机构来控制阀系部分通道的开关，这是一个恒定控制。

有人说不可以给双模减振器搭配开关式天棚阻尼控制吗(风拂峰上枫：开关式半主动悬架天棚(Skyhook)阻尼控制及ADAMS&MATLAB联合仿真)？开关式天棚阻尼控制在阻尼软硬两档实时切换，看起来就是给双模减振器量身定制的控制算法，理论上可行，然而局限性较大。首先，目前双模减振器的软硬切换大多对主通道直接控制，这种大流量控制的响应速度还达不到Skyhook的硬件要求；其次开关式天棚阻尼这种控制算法其自身对于整车驾评的改善也很有限，未必值得投入ECU、传感器等附件和控制开发的成本。因此市场上给双模减振器搭配复杂控制算法的应用不多，早些年Bilstein为奔驰S-Class配置的ADS(即双模)搭配了Skyhook控制算法，据官方宣传能达到60ms的响应时间，减振器压缩复原独立两档可调，但当下行业动辄几毫秒的响应要求和更宽更多样的阻尼特性要求压力下，不清楚现在是否还能存活。

回到技术原理上，为了实现两档阻尼可调，光是阀系通道的设计方案可以有三种，如示意图(仅用于解释原理和控制执行方式)：

从三种设计的结构示意图可以看出，双模减振通常都是需要内置附加阀系，实际阀系结构也确实比较臃肿，活塞杆内部油液通道的密封要求很高自不必说，额外的通道设计也应极其巧妙以优化油液流动特性，避免Cavitation风险，并尽量减小阀系长度和体积。

即业内简称的CDC(ContinuousDampingControl)，随着控制信号大小的连续变化，减振器阻尼特性也连续变化。

为了方便处理和保持控制信号稳定，一般以2kHz左右频率的PWM形式电流驱动电磁阀，调节PWM波占空比即可改变电流大小，控制电流较小，不超过2A。需要知道的是，2kHz左右恰好也是一个噪音敏感的频率段，根本的解决措施应该在电磁线圈和电磁阀本身结构和装配结构改善上，控制算法可以暂时性的优化，但治标不治本。

连续阻尼可调减振器按电磁阀安装位置可分为内置式和外置式，而由于外置式的减振器本体结构设计灵活性较大，结合更高的驾乘需求，还出现了双电磁阀结构，作为更先进技术的基础。

所谓先导控制，取主液流中的一小部分流量分流出去，用这一小部分的流量来控制主通道的开闭。先导通道用于提供主通道开启所必须的压差，而先导通道开启的大小和难易程度，决定了主通道油液流动的阻力，类似于电路中的继电器的功能。这样做的好处是，利用很小的电流就可以对这小部分流量进行直接、快速且精确的控制，从而使主通道的油液流动变化更加稳定，这种控制方式在外置电磁阀上的表现尤为明显。(更专业的解释可以参考各类液压原理资料中关于先导阀的介绍)

溢流控制，控制电流大小改变先导通道开启程度的大小；压力控制，电流大小控制先导通道开启的难易程度。两种控制方式得到的阻尼特性曲线有很大不同，一般溢流控制电磁阀的流量压力特性更加线性(Progressive/Linear)，建压慢，尤其是低频低速时的阻尼偏小；而压力控制在低速低频段建压更快，且具有开阀动作，会出现较明显的开阀点(Digressive/BlowOff)。两种控制方式的选取可以取决于车型定位，舒适倾向的可考虑溢流控制，而运动向车型可考虑压力控制(如VWGolf带电控减振器配置尤其强调压力控制)。

而两种控制特性若能结合到一起，使同一个电磁阀在不同电流下可以实现不同的液压特性，例如TennecoÖhlins的Ⅱ代电磁阀CES8700，便是这种混合控制结构(HybridControl)，仅需要不同的调校件搭配，可以得到其中单独一种的液压控制特性，也可以两种方式共存(通常为低电流溢流控制，高电流压力控制)。因此，这两种液压控制特性既可以是减振器或电磁阀的设计选型路线，也可以成为一款电磁阀的调校参数使电磁阀厂商获得更大的兼容性。

电磁阀内置于减振器工作缸内，跟主阀系同装于活塞杆，外观上类似电控双模减振器阀系，不同的是执行推杆不仅起到开关作用，也参与对阀系具体调校参数的控制，如阀片/弹簧预载。

以当年在AudiA8上很快取代了PDC的内置电磁阀CDC(ZFSachs)为例，借用官方原理图(内置阀本人研究颇少，所知信息可能有些过时)。要使阀体开阀，需要油液压力和电磁线圈对阀体的吸力达到并超过弹簧预紧力，如果电流越大，电磁力越强，则开阀所需的油液压力越小，那么阻尼力也越小；如果电流越小，开阀所需的油液压力越大，阻尼力也越大。所以最大电流对应最小阻尼力，0A电流对应最大阻尼。0A电流也意味着断电或电控系统失效，减振器将以最大阻尼状态作为被动减振器工作，此状态被称为失效安全模式(FailSafe)，以最大阻尼作为FailSafe模式可最大程度确保整车操控安全，以支持继续行驶直到失效诊断排查和维修。

电磁阀内置有着跟双模减振器类似的缺点：

不过，好处是减振器外部非常干净，线束布置容易，不影响周边零件运动。

外置电磁阀对于模块化开发和生产非常有利，各种类型电磁阀可以很方便地适配于一个传统减振器，仅需要部分零件结构调整即可，产品和产线升级相对简单，调校拆装方便，等等诸多原因，电磁阀外置式CDC是当下很多减振器厂商的主要技术路线，甚至存在有很多专门配套的电磁阀二级供应商。

跟被动的PDC减振器的液压回路类似，外置式电磁阀同样是只能单向流通，减振器内部需要中间浮动缸筒提供工作缸上腔-电磁阀-储液腔的油液流动通道(这也决定了单个的外置电磁阀将无法适配单筒减振器)，但整个减振器内部在复原和压缩行程的油液流向仍是遵循普通双筒减振器的基本规律：复原行程因活塞杆抽离工作缸而产生的额外空间，油液需补偿进入工作缸；压缩行程因活塞杆进入工作缸而侵占空间，油液需排出工作缸。

安装外置电磁阀后，原本工作缸和储液缸之间的油液交换都是通过底阀，现在由于新增了一条通路，这种油液交换就变成了基础阀系和电磁阀两路。那么进一步会引出一连串问题：

这只是初接触时会首先考虑到的一些问题，而随着认识和使用的深入，会有更多更多问题和细节，所以仅就所列的这几个被关注度较高的偏前期的问题说下个人见解。

电磁阀式电控减振器的很多问题都是具体问题具体分析，结构、功能、原理肯花时间的话都能弄得明白，可是真正的技术壁垒我觉得还不是设计，而是远高于普通传统减振器的质量控制要求。走捷径逆向也好，自主创新也好，再逆天的技术，如果没有针对电磁阀这种精密部件和减振器总装的高水平品控，是得不到市场认可的，质量和生产的投入远高过一款新产品的设计开发。

外置式电磁阀只允许油液单向流通，反向截止，那么在调试中会带来一个问题：复原行程和压缩行程会互相影响。而若采用双电磁阀，一个电磁阀接入工作缸上腔，另一个接入下腔，不仅可以实现复原和压缩行程的独立调节，还可以适配单筒减振器。参考TennecoCVSA2和SachsCDCrci。

如果了解一下液压互联悬架，可以发现被动减振器就已经可以用于这个技术，适用于极其强调运动的跑车和SUV。四轮减振器通过液压管路连接，在转向(加速/制动)时，通过中央储油罐，分配内外侧(前后)车轮减振器的上下腔油量，进而起到抗侧倾(俯仰)的作用，此时的减振器几乎是一个液压缸，横向稳定杆的必要性被降低。

若取消横向稳定杆，可以做到整车四个Coner垂向运动的完全解耦。而有了双电磁阀的加持，这套系统除了减振器本身的阻尼调节功能外，还可以实现对侧倾(俯仰)的控制更加灵活，使整车的动态性能更加符合操控预期。

前面讲的都是通过控制阀系结构来是油液流动变化产生阻尼可变的效果，高品质的电磁阀式减振器依赖于复杂的阀系设计、机械液压逻辑、精密的零部件。那么另一条技术路线，油液属性可变式减振器就对阀系的设计要求降低很多了，即磁流变减振器MR和电流变减振器ER。

ERDamper首次出现于1947年，略早于MR(1951)，而之后的40年的工程和学术研究重心也都在ER，MR几乎被忽略。直到1990年当人们发现MR所需的工作电压和能耗更低，能提供更大的油液剪切应力，更广泛的温度特性，以及对清洁度更低的敏感性，研究工作才逐渐往MR倾斜，至今几乎说到电控减振器就必提及MR。

磁流变减振器油液一般是硅油和细微铁粒子混合而成。无磁环境下，MR油液表现为普通牛顿流体，符合我们常见的一切牛顿流体力学特征；而在磁场环境下，MR油液变为Bingham流体特性(可简单理解为半液态半固态)。

磁流变中的阀系主要在于活塞上缠绕的电磁线圈，通电后可以在活塞节流孔中提供磁场，由于阻尼力的产生就来自于节流孔中的油液摩擦力，磁场强弱对油液粘度的改变就使得减振器阻尼可控了。

磁流变液有一个至今仍然是研究热点的问题——迟滞(Hysteresis)。这里的迟滞来源于两个方面：一个是机械液压本身具备的迟滞现象(HydraulicHysteric)，另一个是磁流变液的磁滞现象(MagneticHysteric)。研究的热点一方面是在控制策略中想办法补偿迟滞，另一方面为了使算法更有效，需要更加准确的迟滞衡量手段。

在控制方面由于磁流变液从牛顿流体到Bingham流体特性的转变，减振器速度特性具有高度非线性特征，可以实现极低的最小阻尼范围和更明显的流体摩擦力变化，即便提供较弱的磁场，F-v曲线就几乎水平，这是典型的磁流变减振器阻尼特性曲线。而这给减振器模型的准确建立带来的难度远超过基于牛顿流体特性的减振器，学术界和工程应用界都有不少研究，是个出论文的好话题。

磁流变减振器结构简单、高动态范围、低能耗、温度不敏感、响应迅速等等诸多好处也促成了它早早的就被推向市场了，不仅仅在汽车悬架上，工程机械、精密机械、桥梁等等需要精确的实时减振阻尼控制的行业都有广泛应用。有意思的是，虽说各行各业研究非常火热，乘用车市场上的应用却远不及电液式减振器。

为了使电场能更强，提供足够大的油液剪切力，活塞对着工作缸内壁的柱面面积要足够大。而这又带来了一个弊端，油液作用面积大，对温度过于敏感。

ERDamper的应用不如MR那样普及，这么多年来也一致处于研究阶段。由于电压作为控制信号直接控制电场，减振器的结构和能耗限值决定了控制能力的上限，无论是设计还是生产制造还是使用安全性上，在乘用车悬架上的应用似乎都还有很长的路要走。

正如开篇所说，主动“减振器”是一种待有可控阻尼功能的电缸或液压缸，阻尼的功能由原有的基础阀系或电磁阀(溢流阀)提供，而外的作动力由配备的外部电机或液压缸提供。因安全、能耗、可靠性等原因，当下仍大量处于DEMO和试用阶段，很多厂商拍了不少宣传视频，实装量产似乎还没到时机，这也给行业内更多时间来探索多种技术路线了。比如液压缸式、直线电机式，以及在这些基础上甚至可以做到悬架的能量回收。

液压式主动悬架是基于带阻尼的液压缸作为终端执行机构来实现悬架控制的。代表性技术E-ABC(Bilstein)、sMotion(ZFSachs)、AcoCar(Tenneco)、CM1(ClearMotion)。

这里不对各产品的优缺点做详细分析，系统性的知识还不具备，因此仅笔者了解到的一些内容做些归纳：

简单归纳，单从对主动悬架的功能性能期待上，液压式主动悬架可以满足基本的低频控制要求，但高频工况的应用仍有局限性，主动作用力范围受限。而相对低得多的“改造”“升级”成本，让这种技术未来一段时间内仍将是主流主动悬架技术，除非真正摆脱液压原理，电机直驱式的主动悬架可靠性得到质的提升，能耗问题也能得到解决。

作为电机直驱式主动悬架的代表性技术，专业音响公司BOSE于上世纪八十年代首创的主动悬架系统，作为一项跨界黑科技，它打破了悬架减振器的传统概念，使用了直线电机作为悬架垂向运动控制部件。作为专业音响玩家，对于电磁科技的处理自然是得心应手，比如大功率高效的电机、功率放大器、电机控制算法等等，电磁悬架可以作为其精准定义。目前该技术已经被ClearMotion收购，不过当下ClearMotion仍主要推广其自研的液压主动悬架。所以这个黑科技的真正面世还要很长时间。鄙人不才，别说系统性知识，连简单的归纳也做不到，以后看机缘能不能有更多了解吧。

AudiA8配置的主动悬架(在Bing或Google随处可以搜到视频看详细炫技)，旋转电机直驱。该套系统中，并没有舍弃弹簧减振器的悬架基本结构，而缺少了什么——横向稳定杆。但这可不能代表拿这套复杂的机构仅仅是为了取代主动横向稳定杆，从宣传视频和大致结构上，可以推测，液压式主动悬架的功能，这个超级主动横向稳定杆(姑且先这么叫吧)也能办得到，而且可能做得更好，控制频率会更高，剩下的难点-能耗和可靠性，还要靠整个行业的共同努力了。

另外各高校、研究机构中，直驱式的主动悬架是一项研究热点，包括轮边电机的集成方案，不一一列举，参考两篇文献综述，以及文末参考书籍：

来飞等.汽车主动悬架技术的研究现状.2019(8)

这个话题不属于主动“减振器”范畴，跟悬架控制也没什么关系，只是减振器的能量回收作为一种黑科技，近些年被越来越多人提及，毕竟普通液压减振器产生的阻尼转化为热量直接排放似乎略显浪费。ZF的概念GenShock在CDC的基础上用电控单元和电液马达取代了原本的电磁阀，这样使得油液流过时，驱动马达作为发电机转化为电能，另一方面也具备了阻尼的作用。

能量回收技术当下基本还是概念阶段，技术可行性似乎没什么问题，但考虑到市场应用，其真实的能量回收性价比还有待提高。

电控类减振器目前仍以半主动为主，是当前减振器行业的大力发展方向，不仅仅局限于车辆用途，包括轨道交通、航空航天、重型机械、精密机械，半导体等各行各业都有大量的半主动减振/震需求。三种主流技术路线技术路线：

每种路线都有其优缺点，但无法做到全维度的领先，受传统底盘架构的限制，减振器本体和执行机构方面的创新已接近极限。所以大量的研究开始集中于控制系统的设计和优化，比如精确的悬架/减振器模型、非线性问题处理、滞后问题等等，不过先进控制理论仍留在高校未推向市场应用，经典控制算法仍是主流，期待有识之士能让有意义的研究成果真正面世。

随着整车底盘概念和架构的变化，智能底盘、飞行汽车、底盘域控制等科技的发展，可以预见未来到对主动悬架的需求将会更加迫切。而就整个悬架系统而言，无论是机械部分还是控制部分都还会有划时代的巨大突破。

主要参考文献：

[2]殷珺等.汽车电磁式主动悬架技术综述.2020(2)

[3]来飞等.汽车主动悬架技术的研究现状.2019(8)

其实这个悬架减振技术路线的上篇和下篇早已于半年前就基本完稿，但是一直犹豫着要不要发出来。犹豫的原因是随着工作接触的东西越来越多，感觉自己的视野远远还不够，简单说感觉自己有些自以为是不自量力了。所以在深刻认识到自身不足的情况下，自然也就开始重新审视自己和自己的文章，担心误导别人。加上在新工作中也如干瘪的海绵一般吸收新知识新技能，忙得不可开交，对过去认知的复盘总结也本打算暂告一段落。

然而疫情在家偶然观察了下其他文章的互动情况，似乎这件事还是很有意义的，所以趁着有一点时间，把这本已封印的下篇重新拿出来梳理了一遍，确实纠正了过去一些错误的认知。不过部分内容比如主动悬架暂时还没有能力形成系统性的见解，表达的比较零碎，还望海涵。

希望全篇内容能成为一个引子，帮助感兴趣的人找到那条正确的道路，进一步研究下去。

谢谢。