一种集成式空气悬架及其关键参数的设计方法

本发明涉及车辆空气悬架，具体涉及一种集成式空气悬架及其关键参数设计方法。

背景技术：

1、空气悬架作为提升车辆驾乘体验与多场景适应性的核心部件，相比传统机械悬架具有显著的性能优势，已成为高端智能电动汽车的主流配置。其核心价值体现在：

2、第一，可根据车辆载重自动调节内部气压，无论满载还是空载均能保持稳定的离地间隙，避免重载时底盘塌陷、悬架刚度骤升的问题；

3、第二，具备车身高度动态调节能力，高速行驶时降低车身可减小风阻并降低重心，提升操控稳定性，越野路况时升高车身可增大离地间隙，提升复杂地形通过性；

4、第三，空气介质具有优良的弹性特性，能够更高效地过滤路面细碎颠簸与冲击，过弯时可通过调整悬架刚度抑制车身侧倾，兼顾乘坐舒适性与操纵稳定性。

5、然而，当前主流的囊皮式空气悬架系统存在难以克服的固有技术缺陷：

6、其一，空气弹簧作为唯一承载部件，无任何安全冗余机构，一旦发生漏气或破裂，整车悬架支撑能力瞬间丧失，存在极高的翻车风险；

7、其二，空气弹簧的核心承载部件为橡胶囊皮，在行驶过程中易被路面飞溅的异物划伤、被底盘部件异常磨损，尤其在戈壁、越野等恶劣工况下，囊皮破裂事故频发，严重威胁行车安全；

8、其三，随着电动汽车整车重量的大幅增加，对空气弹簧的承载能力提出了更高要求，导致空气弹簧的设计气压显著升高、体积大幅增大，不仅增加了底盘布置难度，还进一步加剧了囊皮失效的风险；

9、其四，橡胶囊皮存在自然老化问题，使用寿命有限，后期维修成本极高。

10、为解决传统囊皮式空气悬架的上述缺陷，业内的技术人员曾尝试引入采用直线电机作为核心作动器，来构建电磁主动悬架，彻底摒弃空气弹簧的传统架构。该类方案主要是通过直线电机输出主动力实现车身姿态控制与振动抑制，理论上具有响应速度快、控制精度高的优势。例如，公开号为cn119795823a的中国发明专利申请《一种可调车身高度的悬架系统》、公开号为cn119858411a的中国发明专利申请《一种集成式主动悬架》等等。

11、在实际运用过程中技术人员发现，尽管上述方案能够从一定程度上优化悬架性能，但是仍存在着难以突破的诸多固有技术瓶颈，例如：

12、第一，直线电机本身重量较大，且需安装在车轮附近，导致簧下质量显著增加，会大幅恶化车辆的行驶平顺性与轮胎接地性能；

13、第二，即使采用了机械锁定、磁流变协同等降能耗手段，直线电机在主动推力模式下仍需消耗大量电能，系统整体能耗依然较高，严重影响电动汽车的续航里程；

14、第三，直线电机的体积较大，对底盘空间要求苛刻，在多数量产车型上难以布置；

15、第四，直线电机结构复杂，对制造工艺与材料要求极高，导致系统成本居高不下，难以大规模推广应用。

16、为克服直线电机电磁主动悬架的缺陷，业内开展了大量研究与应用尝试，又逐渐转向了保留空气弹簧核心优势、通过集成化结构改进解决囊皮式缺陷的技术路线。例如，公开号为cn121539583a的中国发明专利申请公开了一种双腔式高度可调磁流变阻尼器，该方案将双腔空气弹簧的气腔直接集成在阻尼器的内外筒之间，试图在一定程度上提升结构可靠性。

17、但经长期试验发现，该方案仍存在以下难以解决的技术问题：

18、第一，磁流变减振器的励磁线圈在车辆行驶过程中需持续通电以调节阻尼力，会产生大量热量，热量传递至相邻的空气腔后会导致内部气体受热膨胀，引起车身姿态非预期升高，增加了高度控制的难度；同时，由于四个车轮悬架的散热条件存在差异，各气腔的温度与膨胀程度不一致，会导致整车悬架高度不均，大幅降低车辆的行驶稳定性与安全性；

19、第二，当车辆受到较大路面冲击时，空气腔内的气压会急剧上升，高压气体极易突破磁流变减振器的密封件进入磁流变液体中，导致磁流变减振器失效，进而使悬架的阻尼调节功能丧失，严重影响车辆的操纵稳定性、乘坐舒适性与行驶安全性；

20、第三，该方案需要同时控制磁流变减振器的励磁线圈与空气弹簧的刚度控制阀，两套电控系统不仅增加了结构复杂度与制造成本，还导致系统整体能耗显著升高。

21、由此可见，现有技术在解决传统囊皮式空气悬架缺陷的过程中，虽然经历了从直线电机电磁主动悬架到集成式双腔磁流变空气悬架的递进式发展，但两条技术路线均存在各自难以克服的技术缺陷，仍然无法同时满足当前智能电动汽车对悬架系统高安全性、高可靠性、低能耗、易布置和低成本的综合需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种集成式空气悬架及其关键参数设计方法，该悬架包括双筒液压减振器与同轴嵌套于其外部的环形气缸组件，减振器外缸筒与内缸筒之间的环形腔经油气分离活塞分隔为液压工作腔与气体补偿腔，气体补偿腔通过外缸筒壁的通气孔与环形气缸的气腔连通。本发明通过气门嘴充放气可改变减振器液压压强，利用活塞面积差实现车身高度主动调节，同时同步适配减振器容积补偿压力，保障全工况阻尼输出稳定。配套的参数设计方法通过量化计算与强度、疲劳、密封三重校核，实现结构参数精准匹配。本发明结构紧凑、安全冗余度高，兼具减振阻尼与主动高度调节功能。

2、本发明的目的是采用下述方案实现的：

3、一种集成式空气悬架，包括一双筒液压减振器，该双筒液压减振器的外缸筒与内缸筒之间的环形腔被一油气分离活塞分隔为液压工作腔与气体补偿腔，该气体补偿腔通过开设在外缸筒筒壁上的通气孔，与套设在双筒液压减振器外部的环形气缸组件的气腔连通，所述双筒液压减振器的活塞杆用于与车身钣金固定连接，且该双筒液压减振器的底部用于固定设置在车轮转向节上，使环形气缸组件能够通过气门嘴充/放气来改变减振器的液压压强，进而调节车身高度。

4、优选地，所述双筒液压减振器还包括减振器活塞阀和减振器底阀，所述减振器活塞阀固定于活塞杆的底端并滑动设置于内缸筒的内部，所述减振器底阀固定设置于内缸筒的底端，所述液压工作腔通过减振器底阀与内缸筒的内部腔室相连通；所述油气分离活塞为环形浮动活塞，套设在内缸筒的外壁。

5、优选地，所述环形气缸组件包括气缸外筒、气缸上盖、气缸下盖以及气缸活塞，所述气缸外筒通过气缸上盖、气缸下盖与双筒液压减振器的外缸筒同轴固定，使气缸上盖、气缸下盖以及气缸外筒，与双筒液压减振器的外缸筒共同围合形成密闭的气腔，所述气缸活塞设置在该气腔内，且套设在双筒液压减振器的外缸筒外壁。

6、优选地，所述双筒液压减振器的活塞杆顶端固定设置一弹簧上托盘，所述双筒液压减振器的外缸筒上部套设固定一弹簧下托盘，所述弹簧上托盘、弹簧下托盘之间设置一螺旋弹簧，该螺旋弹簧同轴轴套在活塞杆上，且螺旋弹簧的上端与弹簧上托盘抵接，螺旋弹簧的下端与弹簧下托盘抵接，使螺旋弹簧与环形气缸组件共同承担车身载荷。

7、优选地，所述弹簧上托盘中心固定安装有活塞杆连接衬套，所述活塞杆的上端与活塞杆连接衬套固定连接，且弹簧上托盘通过沿圆周均匀分布的托盘安装螺栓固定连接于车身钣金。

8、优选地，所述双筒液压减振器顶部设有导向套与双唇油封，二者共同构成密封组件，所述双筒液压减振器的活塞杆从密封组件中心穿过，且活塞杆与密封组件滑动密封配合。

9、上述集成式空气悬架的关键参数设计方法，包括以下步骤：

10、1）设定悬架下降至目标高度后气缸内的基础压强，根据悬架下降目标高度对应的作用力需求确定活塞杆直径和减振器活塞阀最大直径，并计算得到设计位置处气缸内的工作压强，以及悬架上升至目标高度后气缸内的工作压强；

11、2）根据常规减振器的设计经验，确定减振器内缸筒外径、减振器外缸筒内径、减振器外缸筒外径以及减振器气体腔长度；

12、3）根据悬架上升目标高度、气缸压强需求以及整车布置空间限制，确定气缸外筒内径、设计位置下的气缸上腔长度、气缸活塞厚度，以及设计位置下的气缸下腔长度；

13、4）将上述所有尺寸参数构建三维模型并进行强度耐久校核，校核合格后完成集成式空气悬架的关键参数设计。

14、优选地，步骤1）中，所述设计位置处气缸内的工作压强，以及悬架上升至目标高度后气缸内的工作压强的计算公式分别为：

15、

16、

17、式中，为设计位置处气缸内的工作压强，为悬架上升至目标高度后气缸内的工作压强，为悬架下降目标高度时集成悬架需要减少的作用力，为悬架上升目标高度时集成悬架需要额外提供的作用力，为活塞杆直径，为减振器活塞阀最大直径，为圆周率，为悬架下降至目标高度后气缸内的基础压强。

18、优选地，步骤3）中，所述设计位置下的气缸上腔长度和气缸下腔长度需满足以下边界条件：

19、

20、

21、式中，为悬架下降至目标高度后气缸内的基础压强，为设计位置处气缸内的工作压强，为悬架上升至目标高度后气缸内的工作压强，为设计位置下的气缸上腔长度，为设计位置下的气缸下腔长度，为减振器气体腔长度，为减振器内缸筒外径，为减振器外缸筒内径，为减振器外缸筒外径，为气缸外筒内径，为圆周率。

22、优选地，步骤4）中，所述强度耐久校核包括静强度校核、100万次疲劳强度校核和15mpa高压密封性能校核：若校核不合格，则返回步骤1）重新调整活塞杆直径、减振器活塞阀最大直径或悬架下降至目标高度后气缸内的基础压强，直至所有校核项目全部合格。

23、本发明的有益效果在于以下几点：

24、一种集成式空气悬架，包括一双筒液压减振器，该双筒液压减振器的外缸筒与内缸筒之间的环形腔被一油气分离活塞分隔为液压工作腔与气体补偿腔，该气体补偿腔通过开设在外缸筒筒壁上的通气孔，与套设在双筒液压减振器外部的环形气缸组件的气腔连通，所述双筒液压减振器的活塞杆用于与车身钣金固定连接，且该双筒液压减振器的底部用于固定设置在车轮转向节上，使环形气缸组件能够通过气门嘴充/放气来改变减振器的液压压强，进而调节车身高度。

25、这样一来，本发明就可以通过气门嘴对环形气缸组件充放气，可直接改变与气缸气腔连通的减振器气体补偿腔气压，进而同步改变减振器内部液压油的整体压强。由于减振器活塞阀上下端有效作用面积存在差异（下端大，上端小），所以在相同的液压压强作用下会产生向上的主动垂向力（即减振器活塞阀上下端同时受到相同的液压压强作用），利用充放气来改变这个主动垂向力的大小，从而驱动车身升高或降低。由此可见，本发明将高度调节动力与减振阻尼功能集成于同一同轴结构中，无需额外设置独立空气弹簧气囊，结构紧凑、占用空间小，可适配原车减振器的安装边界。

26、优选地，所述双筒液压减振器还包括减振器活塞阀和减振器底阀，所述减振器活塞阀固定于活塞杆的底端并滑动设置于内缸筒的内部，所述减振器底阀固定设置于内缸筒的底端，所述液压工作腔通过减振器底阀与内缸筒的内部腔室相连通；所述油气分离活塞为环形浮动活塞，同轴套设在内缸筒的外壁。

27、在本发明中，减振器活塞阀随活塞杆在内缸筒内部往复运动时，迫使液压油流经活塞阀的节流孔产生拉伸、压缩阻尼力，耗散路面振动能量的同时，配合底端的减振器底阀，可在压缩行程时将内缸中被排出的油液导入液压工作腔，实现油液的循环与容积补偿，保证减振器的基础减振功能稳定可靠。

28、优选地，所述环形气缸组件包括气缸外筒、气缸上盖、气缸下盖以及气缸活塞，所述气缸外筒通过气缸上盖、气缸下盖与双筒液压减振器的外缸筒同轴固定且密封，使气缸上盖、气缸下盖以及气缸外筒，与双筒液压减振器的外缸筒共同围合形成密闭的气腔，所述气缸活塞设置在该气腔内，且套设在双筒液压减振器的外缸筒外壁。

29、在本发明中，气缸外筒、气缸上下盖与减振器外缸筒同轴固定，直接复用减振器外缸筒作为气缸的内侧缸壁，无需额外设置独立的气缸内筒零件，减少了零部件数量与装配工序，降低了制造成本；同时从结构上保证了气缸与减振器的同轴度，避免偏磨问题。

30、最重要的是，由气缸外筒、气缸上下盖与减振器外缸共同围合形成密闭的环形气腔，结构刚性强、承压能力好；气缸活塞作为浮动活塞，套设于减振器外缸外壁并可沿其轴向滑动，将环形气腔分隔为独立的两部分，充放气过程中活塞平稳滑动，可精准调控连通侧气腔的容积与气压，稳定地将压力传递至减振器的气体补偿腔，保证高度调节的平顺性与精准度。

31、优选地，所述双筒液压减振器的活塞杆顶端固定设置一弹簧上托盘，所述双筒液压减振器的外缸筒上部套设固定一弹簧下托盘，所述弹簧上托盘、弹簧下托盘之间设置一螺旋弹簧，该螺旋弹簧同轴轴套在活塞杆上，且螺旋弹簧的上端与弹簧上托盘抵接，螺旋弹簧的下端与弹簧下托盘抵接，使螺旋弹簧与环形气缸组件共同承担车身载荷。

32、在本发明中，环形气缸组件本质是气压-液压转换部件，自身不直接承担机械载荷，承载的主动力由减振器内部液压面积差输出、通过活塞杆传递。从某种程度上，可以看作是螺旋弹簧与环形气缸组件提供的压力共同承担车身载荷；而且，螺旋弹簧同轴套设于活塞杆外侧，上下托盘分别固定于活塞杆顶端与减振器外缸上部，整体沿减振器中轴线布置，传力路径清晰同轴，可避免侧向力导致的弹簧偏磨、气缸密封偏磨问题，延长部件使用寿命。

33、更何况，螺旋弹簧在本发明中承担了大部分静态车身载荷，环形气缸主要用于承担高度调节所需的动态辅助载荷，无需长期承受高静载压力，可大幅降低气缸密封件的持续承压负荷，减少密封件蠕变与磨损，显著延长气缸组件的保压寿命与维护周期。

34、优选地，所述弹簧上托盘中心固定安装有活塞杆连接衬套，所述活塞杆的上端与活塞杆连接衬套配合连接，且弹簧上托盘通过沿圆周均匀分布的托盘安装螺栓固定连接于车身钣金。

35、在本发明中，弹簧上托盘通过活塞杆连接衬套与活塞杆配合连接，柔性衬套可补偿零件间的同轴度误差，同时有效衰减路面传递至车身的高频微振动，避免刚性连接产生的结构异响与振动传递，即利用柔性连接隔振降噪，提升nvh性能，提升整车乘坐舒适性，

36、而且，衬套与活塞杆的配合、螺栓的圆周分布，可共同保证弹簧上托盘、螺旋弹簧与减振器主体的同轴度，确保螺旋弹簧受力均匀，避免出现侧向窜动与异常磨损。

37、换句话说，本发明的弹簧上托盘通过沿圆周均匀分布的托盘安装螺栓与车身钣金固定，多点均匀受力可保证上托盘的安装稳定性，避免偏斜；同时螺栓连接的形式装配与拆卸方便，便于售后维修与部件更换。

38、优选地，所述双筒液压减振器顶部设有导向套与双唇油封，二者共同构成密封组件，所述双筒液压减振器的活塞杆从密封组件中心穿过，且活塞杆与密封组件滑动密封配合。

39、本发明密封组件中的导向套可为活塞杆提供稳定的径向支撑与运动导向，严格限制活塞杆往复运动时的径向跳动，保证减振器活塞与内缸的同轴配合精度，减少活塞与内缸的偏磨，延长减振器的使用寿命。

40、而且，导向套与双唇油封集成为一体化密封组件，结构紧凑，可整体压装至减振器顶端，装配工序简单，且能保证导向与密封结构的同轴精度，提升装配一致性。

41、值得注意的是，本发明采用双唇油封结构形成两道独立的液压密封防线，密封可靠性远高于单油封结构，可有效防止减振器内部液压油向外泄漏；同时可阻挡外部的灰尘、泥水、砂石等杂质进入减振器内部，保护内部阀系零件与液压油的清洁度，避免阀系堵塞与油液污染。

42、上述集成式空气悬架的关键参数设计方法，包括以下步骤：

43、1）设定悬架下降至目标高度后气缸内的基础压强，根据悬架下降目标高度对应的作用力需求确定活塞杆直径和减振器活塞阀最大直径，并计算得到设计位置处气缸内的工作压强，以及悬架上升至目标高度后气缸内的工作压强；

44、2）根据常规减振器的设计经验，确定减振器内缸筒外径、减振器外缸筒内径、减振器外缸筒外径以及减振器气体腔长度；

45、3）根据悬架上升目标高度、气缸压强需求以及整车布置空间限制，确定气缸外筒内径、设计位置下的气缸上腔长度、气缸活塞厚度，以及设计位置下的气缸下腔长度；

46、4）将上述所有尺寸参数构建三维模型并进行强度耐久校核，校核合格后完成集成式空气悬架的关键参数设计。

47、本发明从目标工况参数设定，到减振器基础参数确定，再到气缸结构参数设计，最后通过强度耐久校核验证，形成了完整的“需求-设计-验证”闭环设计流程，步骤明确、逻辑清晰，可直接指导工程设计人员完成集成式空气悬架的参数选型，避免盲目设计与反复试错，大幅提升设计效率。

48、本发明在设计过程中同时考虑了高度调节的作用力需求、常规减振器的成熟设计经验、整车布置的空间限制，既保证了高度调节性能与减振性能达标，又兼顾了产品的量产工艺性与整车适配性，降低了设计落地的风险。

49、值得强调的是，本发明在设计阶段即通过三维建模与强度耐久校核对方案进行验证，可提前发现强度不足、寿命不达标等问题，减少后期实物试验的迭代次数，降低研发成本与试错成本，保证最终方案的可靠性。

50、优选地，步骤1）中，所述设计位置处气缸内的工作压强，以及悬架上升至目标高度后气缸内的工作压强的计算公式分别为：

51、

52、

53、式中，为设计位置处气缸内的工作压强，为悬架上升至目标高度后气缸内的工作压强，为悬架下降目标高度时集成悬架需要减少的作用力，为悬架上升目标高度时集成悬架需要额外提供的作用力，为活塞杆直径，为减振器活塞阀最大直径，为圆周率，为悬架下降至目标高度后气缸内的基础压强。

54、本发明给出了气缸工作压强的明确计算公式，基于活塞杆与减振器活塞的面积差，结合高度调节所需的目标作用力，可精准计算出对应工况下的气缸压强，确保高度调节的主动垂向力能够精准匹配整车的升降需求，避免力不足无法升降或力过大冲击车身的问题。

55、上述公式基于气体状态变化规律，以基础压强为基准，叠加上作用力对应的压强增量，物理逻辑清晰，计算结果准确，可直接用于工程计算，为气缸与气路系统的设计提供明确的压力依据。

56、这样一来，本发明利用量化的计算公式可直接完成压强参数的定量计算，无需依靠经验反复试凑，显著提升了核心参数的设计效率，缩短研发周期。

57、优选地，步骤3）中，所述设计位置下的气缸上腔长度和气缸下腔长度需满足以下边界条件：

58、

59、

60、式中，为悬架下降至目标高度后气缸内的基础压强，为设计位置处气缸内的工作压强，为悬架上升至目标高度后气缸内的工作压强，为设计位置下的气缸上腔长度，为设计位置下的气缸下腔长度，为减振器气体腔长度，为减振器内缸筒外径，为减振器外缸筒内径，为减振器外缸筒外径，为气缸外筒内径，为圆周率。

61、本发明基于气体状态变化规律，给出了气缸上腔、下腔长度的量化边界条件，可保证在悬架高度调节范围内，气缸与减振器补偿腔的总气腔容积变化能够合理匹配压强变化需求。

62、上述两个边界条件分别对悬架上升和下降到目标高度后的气腔容积与压强关系进行约束，可有效避免悬架升降后的性能失效，提升设计方案的工况适应性与安全余量。

63、换句话说，本发明这种明确的不等式边界条件作为气腔尺寸设计的校验标准，能够便于设计人员快速验证气缸与减振器气腔尺寸的合理性，保证不同设计方案均能满足统一的性能底线，提升设计的一致性与可靠性。

64、优选地，步骤4）中，所述强度耐久校核包括静强度校核、100万次疲劳强度校核和15mpa高压密封性能校核：若校核不合格，则返回步骤1）重新调整活塞杆直径、减振器活塞阀最大直径或悬架下降至目标高度后气缸内的基础压强，直至所有校核项目全部合格。

65、本发明设置静强度、疲劳强度、高压密封三重校核维度，分别覆盖了极端载荷下的结构完整性、全生命周期的疲劳寿命、高压工况下的密封安全性三个核心失效风险点，可全面保障产品在全工况、全寿命周期内的可靠运行。

66、100万次疲劳强度校核匹配车辆全生命周期的使用频次，15mpa高压密封校核远高于常规工作压强，留有充足的安全余量，可有效应对突发的超载、冲击等极端工况，避免出现结构断裂、高压泄漏等安全故障。

67、这样一来，本发明建立出“校核-调整-再校核”的迭代机制，若校核不合格则返回调整核心参数，直至所有项目全部合格，可确保最终输出的设计方案完全满足性能与可靠性要求，降低量产阶段的质量风险。

68、名词解释

69、双筒液压减振器：在现有技术中，双筒液压减振器又称双筒式液力减振器，是汽车悬架系统中应用最广泛的阻尼耗能元件，依靠液压油流经节流孔产生的阻力耗散路面振动能量，用于抑制车身与车轮的往复弹跳，提升车辆行驶平顺性与操控稳定性，是绝大多数量产乘用车悬架的标配基础部件。

70、而本发明的双筒液压减振器，是在常规双筒液压减振器的结构基体上进行功能升级改造的一体化构件，既保留传统被动阻尼减振的基础功能，又可作为主动高度调节的液压作动载体，与外部同轴嵌套的环形气缸组件气压联动，是集成式空气悬架的核心功能基体。

71、值得强调的是，无论是在现有技术中的双筒液压减振器，还是本发明的双筒液压减振器中，减振器底阀、减振器活塞阀二者均非常通阀，静止时阀片常闭，仅在对应行程的油液压差超过开启阈值时自动打开，压力回落则自动复位，属于纯被动液压控制阀。

72、换句话说，本发明中的减振器底阀与减振器活塞阀，完全沿用常规双筒液压减振器的标准通用阀系结构，二者的官方定义、结构组成、工作原理与基础功能，和行业规范中的常规部件完全一致，本发明未对这两个阀系本身做任何结构改造。