当软件定义汽车成为趋势，未来汽车是否可以理解为四个轮子上的超级计算机？
我来一个，念书时候与企业合作过一个课题，其中一项子课题就是研究这个玩意，不研究不知道，原来粗犷的外表下，有着如此精妙的设计。 汽车减振器，它是汽车悬架中最重要的阻尼零件，没有之一，也是改车一族最喜欢动的一个零件。我们都知道，汽车在行驶过程中主要有两大振动源，一是路面引起的，学术点儿叫路面高程，别小看这个路面，光研究路面不平度就可以整几本博士论文了，这里不展开，咱没那能耐；二是发动机引起，这个主要靠匹配合适的悬置、车身安装点刚度去解决。所以，为了有效解决路面引起的振动，工程师们设计出了减振器，让车内乘客感觉舒适，同时，还要兼顾一点操控稳定性。 减振器基本知识 减振器从构造上大体可以分为双筒减振器、单筒减振器，区别是内部的缸筒数目不同。单筒减振器就只有一个缸，价格贵一些，目前仅一些中高端车型配置；双筒减振器有两个缸，一个工作缸，一个储油缸，这个是绝大多数在售车型配置的减振器。单筒减振器这里留个印象，后面再提起它，现在主要说应用更加广泛的双筒减振器。 减振器主要由油封、储油缸、工作缸、活塞杆、活塞阀、底阀、限位块等子零件组成。这里面每一个零件的设计，又分别有各自的讲究，不赘述。典型的减振器工作状态分为压缩行程与伸张行程，分别对应了汽车悬架的上跳与下跳，白话点就是汽车过坎就是压缩，过坑就是伸张。压缩时，工作缸的油液被活塞阀向下压，油液经过底阀流进储油缸产生阻尼力，同时，由于活塞阀常通孔的存在，使得部分油液还会经过活塞阀中的流通孔隙回到有杆腔室，才能使得油液体积平衡，这一部分回流的油液通过阀片时也参与阻尼力建立；伸张时，工作缸的油液被活塞阀往上拉，油液经过活塞阀流入下腔，也就是无杆腔，油液流经阀片时产生阻尼力，同时，也是由于活塞杆的存在，下腔空间大，需要一部分油液从储油缸通过底阀补偿阀回流至工作缸进行补偿，这一过程中也参与阻尼力建立。说的有点拗口，配着下面图片好理解一点。 从工作原理可以明显看出，阻尼力的建立主要与活塞阀、底阀这哥俩强关联。这俩哥们形成一定空隙，当油液经过时产生阻尼力，阻尼力建立的过程就是耗散能量的过程，上下往复运动的机械能转化为油液的热能，热再经缸筒、活塞杆向外部传导，由行驶过程中的风冷效应散发掉。由下面的公式也可以看出，节流面积是阻尼力建立的重要因素，而改变阀系组合，也就是改变节流面积，从而改变阻尼力，记住这个概念。至于更详细的阀系分析，诸如均布载荷作用的环形薄板阀片挠曲变形建模这些鬼，不纠结下去了，纠结下去又是一篇博士论文，咱没到那水平。 减振器调校 既然俩阀系老哥那么重要，自然，调校工程师在进行底盘调校时也会重点关照这哥俩。针对减振器部分的调校主要也就是调这哥俩。不客气地说，这哥俩的调校结果，在一台车的舒适性&操控性的表现里，占有非常重要的位置。活塞阀与底阀分别都是由许多不同厚度、外形的阀片组成的一串阀系，调校工程师就是通过排列不同的组合，改变了油液经过阀系时的流通面积，改变阻尼力，实现车辆的驾乘感受。 不同减振器的供应商，都有自己专用的阀系结构。而每一种阀系结构里面，每一个阀片又有不同规格。这样千变万化的组合，非常考验调校工程师的功力，举个例子，有些敏感位置的阀片，仅仅改变0.1mm厚度，可能在阻尼力曲线上完全没有差别，但是特定路面的主观评分能有0.25~0.5分的差距。调校工程师需要有丰富的经验判断阀系组合，不然短暂的调校周期绝对不允许将所有阀片试过一遍。与此同时，阀片组合也应遵循一些设计规范，兼顾减振器本身的耐久特性。 在调校工程师眼中，每一个位置的阀片，都对应了调校场地里面每一种特定道路，哪条道上用哪种阀片舒适性好，他们门清。是不是经常在某某车广告片里听到XX车经过X百组调校方案，巴拉巴拉，觉得几百组调校夸张？一点儿都不夸张，就看看上面这个典型的CL阀系，不算阀座就有30多张片子，每张片子再来个3~5种规格，排列组合算一算能有多少种搭配，另外还没把弹簧、稳定杆、橡胶件的搭配调校算进去。所以啊，这也就是经验丰富的调校工程师为什么那么抢手的原因。 每一次调校确定下一组阀片的组合，阻尼力也随之冻结下来，一组阀系对应一条阻尼力曲线。 然而，汽车的操控性与舒适性天然是一个矛盾体，调校工程师把车调的操控好了，乘坐舒适性打点折扣，舒适性调的好了，操控似乎又总差那么点意思。怎么办呢？所以，产品规划的作用就出来了，咱开发之前说好了是主打操控的，那么调校工程师就把减振器调“硬”一点，咱开发之前说好了主打家用舒适的，那么调校工程师就把减振器调“软”一点（当然，这里面还需要配合转向调校，此处且按下不表），始终难以两全。 为什么不能兼顾两个性能呢？我们尝试从理论上给感兴趣的朋友解释一下，举个例子，一般我们做悬架平顺性研究时，会将悬架简化为一个二自由度模型，下图是一个典型的简化悬架模型，左侧是被动悬架，右侧是阻尼可调节的半主动悬架。图里的M、m分别表示簧上、簧下质量，k表示悬架刚度，也可以简单理解为就是弹簧刚度，kt表示轮胎刚度，c就表示阻尼，代表了减振器。 又臭又长的公式跟解算过程咱不列了，一般这个模型，可以设置三个指标参数，引用的书本里设置的是这三个：车身动位移、悬架动行程、车轮动行程，车身动位移是直接的舒适性相关项，车轮动行程是操控相关项。直接给答案，通过上面的简化模型，根据牛二定律可以列写方程式，解方程式可以得到指标的幅频特性图如下： 从指标的频域图可以看到，对于前两个指标而言，增大减振器阻尼力，也就是c值增大时，虽然一阶共振峰振动得到改善，但是一阶共振峰与二阶共振峰之间的过渡频带振动发生了恶化；同时，在二阶共振峰处，车身动行程对阻尼并不敏感，悬架动行程则得到了改善；车轮动行程则在大部分频段内，通过增加阻尼，能够得到有效改善。 简单点说，可以认为不同频带对应到不同类型的道路，固定一组阻尼曲线难以满足不同路况的要求，这条路改善了，那条路说不定就恶化了。这也就是调校过程经常反复的原因，来来回回的找那个平衡点。 主动减振系统 可是工程师们总在想，难道没有一两全其美的方法吗？红玫瑰好看，但白玫瑰也香啊，咱都想要，于是，一种新型减振器被发明了出来。如果上面所述的只有固定阻尼力的减振器叫做传统减振器，那么，这种新型减振器就叫做阻尼可调减振器，可以对应多条阻尼曲线，以适应不同的道路及驾驶操作，目前一般配置高端车型，不过也逐步有下探趋势。 下面先以ZF-Sachs的CDC系统为例展示一下主动减振器系统的优势，视频里也对萨克斯CDC系统进行了较为详细的说明。 相比传统减振器，阻尼可调减振器自成一个小系统，一般由执行器（减振器）、传感器、控制器及附件组成。根据不同的执行器又可以有电磁阀外置减振器、电磁阀内置减振器、磁流变减振器，我们暂时只说这三种最主流的。 阻尼可调减振器系统最关键的就是有了眼睛（传感器）可以实时监测车辆运动状态，有了大脑（控制器）根据传感器信号，结合控制算法对减振器发送指令，以达到让车辆在不同路况、操纵动作下都能有较好的操控性&舒适性的目的。 说到这里想必各位也能知道，这套系统的核心就是那个控制器了，而内嵌的控制算法则是核心的灵魂。无论是由哪种执行器构成的半主动悬架系统，其灵魂都是1974年由Karnopp.D提出的天棚控制算法。当然，基于天棚控制方法，研究人员后面还提出过地棚控制、天-地混合棚。后续更有学者们将模糊、滑模、神经网络、LQG等控制方法放到系统里进行研究，理论上都能取得较好效果。但是，在工程应用上，仍然还是以天棚控制为主流。 好了，回到控制算法上，配置阻尼可调减振器的车辆，针对舒适性主要就是上述的以天棚控制理论为基础。通过配置在簧上、簧下的加速度传感器实时获取加速度信号，通过信号处理、计算判断悬架运动状态，当车身速度与悬架动速度同向时施加适当的阻尼，异向时施加小阻尼，经控制器判断后向执行器发送信号，执行器作动，实现阻尼力的调节。 采用天棚控制后，在悬架控制指标的幅频特性图中可以看到，半主动控制下的指标幅值在大部分频段下均优于被动悬架系统指标。如果继续优化，结果可以更好一些。图例中只需要看SH-linear这个结果就好，Passive（cmin)取固定的小阻尼值计算结果，Passive（cmax)取固定的大阻尼值计算结果。 针对操控性，也就是纵向、侧向的动态性能，主要以门限值开关控制为主，通过综合评估can上发来的转向、制动、加速信号，标定一个合适的门限值，达到触发就执行，否则不执行即可。 接下来我们唠唠执行器，如果说控制算法万变不离其宗，那么，执行器可就各有各的门道。 ①先说电磁阀外置减振器，这一款是最基础，也是应用较广的一款，由萨克斯首次发明出来，萨克斯将它取名为连续阻尼控制减振器（continous damping control，简称CDC），更详细的CDC小知识，请没有看上面视频的童靴翻回去仔细看看视频，信息量比较大，值得一阅。 相比传统的双筒减振器，CDC减振器有三个缸，从内至外依次是：工作缸、中间缸、储油缸，同时还多了一个电磁阀。因为有上面的小视频，这里就不写长篇大论介绍工作原理了，如果不是从业者，也没有必要了解这么详细，我来简化一下知识点，记住以下一个点就好了： ②电磁阀内置减振器，这个基本原理跟外置类似，不同的是电磁阀做到了缸筒内部，优势是节省了外部空间，易于整车布置。 ③磁流变减振器（Magneto-rheoloical damper, MRD）跟前面所有减振器都有非常大的区别。现有的磁流变减振器多为单筒减振器结构，内部注入的不是通常减振器使用的矿物油，而是磁流变液。磁流变液有关简介引用彭友湘博士、李春梅博士学位论文绪论部分。 因为MRF在军工、重工等领域具有非常高的应用价值，目前为美国Lord公司垄断。而后，美国德尔福公司与通用汽车联合攻关，在Lord公司的磁流变阻尼器基础之上，研发了汽车用的MRD系统，被称为MagnerideTM，这项技术获得了1999年度世界一百大科技成果奖。并且，通用汽车将这项技术应用在了凯迪拉克Seville STS（2002款）上，是汽车领域首次应用MRD。 MRD活塞也不再是片阀组合起来的阀系，而是一团精密设计的电磁线圈。当活塞处于压缩行程时（即向下运动），压缩腔中磁流变液受到挤压，通过活塞的环形阻尼通道，常通孔和环形间隙从压缩腔流动到拉伸腔；反之，当活塞处于拉伸行程时（即向上运动），磁流变液从拉伸腔流动到压缩腔。当磁流变液在阻尼通道中流动时，其流动特性将受到励磁线圈产生的磁场的控制，从而控制阻尼力的大小。活塞在压缩行程时，活塞杆进入密闭的缸筒内，使得缸筒内的总体积变小，由于磁流变液的不可压缩性，压缩腔和拉伸腔的总体积不变，则高压气密腔的体积减小，浮动活塞向上运动进行体积补偿；反之在拉伸行程时，高压气密腔的体积增加，浮动活塞向下运动进行体积补偿。 MRD工作机理引用冯志敏教授论文如下： MRD在作动频率远高于CDC，所以，MRD配合控制算法能够取得更好的性能表现。但是，MRD造价昂贵，且高故障率，应用范围不及CDC，每年CDC的销售量是MRD的30多倍。 典型的减振器上文基本介绍到了，对于黑科技格外感兴趣的童靴们想必都知道看过奔驰GLE搭载的48V主动悬架系统E-Active Body Control，这个技术虽然执行器也是一种阻尼器，但是由于增加了液压泵、电机等，已经很难将其归为减振器。因此，一般我们把它归为主动悬架技术范畴。 其基本原理是根据传感器信号，由控制算法（这里控制算法肯定区别于上文的天棚）驱动电机进行作动，电机带动液压泵，液压泵通过液路推动阻尼器活塞上、下移动，从而实现车身的动作。 最后，安利我一直在引用的这本半主动悬架控制领域好书，悬架动力学研究必备神器之一，基本上照着上面的算法做，支持个硕士毕业是没问题的了，再做点深入的优化，支持个博士也没问题。企业做研发，也非常推荐参考这本书，加强理论知识。 建议看英文原版，但是网上实物本800多一本，我有PDF版，推荐看电子书，需要的可以问我要，乐意分享。下面这本是清华大学汽车工程系危银涛教授出的中文版，同样强烈推荐，英文看着吃力的童靴们可以考虑中译本。  汽车研发工程师一枚，机械博士文凭，没事写点硬到磕牙的技术干货，也写点汽车保养维修小姿势 对车感兴趣的新、老司机们可以关注一波，没事咱凑一起聊聊车 为什么车子开久了底盘会变得松散？ 汽车的各种异响真的没办法避免吗？ 汽车上的减振器和弹簧有啥区别？ 保时捷卡宴的三腔空气悬挂和动态底盘控制还有主动防侧倾技术，真的有那么厉害吗，还是说只是个噱头？ 汽车上有哪些看着不起眼但是技术含量特别高的零部件？ 文章有点多，关注了慢慢看多好。