Aktiv fjädring: från adaptiv dämpning till fullständig karosskontroll

”Aktiv fjädring” används om system med mycket olika styrförmåga: vissa varierar dämparmotståndet, ändrar körhöjden långsamt eller applicerar ett krängningsmotverkande moment, medan en mindre grupp kan generera en styrd kraft vid varje hjul. Den meningsfulla frågan är inte om elektronik finns, utan vilken kraft systemet kan styra, i vilken riktning och över vilket slag och frekvensområde.

En exakt taxonomi

Passiv hjulupphängning

Ett passivt system har fasta mekaniska egenskaper under körningen. Fjädrar och dämpare kan vara olinjära, frekvensselektiva eller lägeskänsliga, men ingen styrenhet reglerar dem i realtid.

Manuell dämparjustering förblir passiv när inställningen väl har valts. Ett ”sportläge” på instrumentpanelen som endast ändrar styrning och gasrespons gör inte hjulupphängningen adaptiv.

Nivåreglering och körhöjdsstyrning

Luft- eller hydraulsystem kan tillföra eller avlägsna fluid för att återställa en önskad statisk höjd, höja karossen för markfrigång eller sänka den i hög hastighet. Det är en aktiv höjdfunktion, men den är ofta för långsam för att styra varje ojämnhet. Den bör inte förväxlas med helaktiv vertikal fjädring.

Semiaktiv hjulupphängning

Ett semiaktivt system ändrar en dissipativ egenskap, vanligen dämpningen. I den ideala definitionen kan det variera den kraft som motverkar den relativa fjädringsrörelsen, men inte styra en godtycklig kraft som tillför mekanisk energi. Proportionella hydraulventiler och magnetoreologisk vätska är två sätt att förändra detta kraftområde.

Semiaktiv styrning kan göra fjädringen mjuk för isolering i ett ögonblick och tillföra dämpning för karosskontroll i nästa. Den begränsas fortfarande av kolvstångens aktuella hastighet: när kaross och hjul saknar relativ hastighet har en idealisk dämpare ingen användbar dämpkraft att variera. suspension dampers

Aktiv krängningskontroll

Ett aktivt krängningshämmande system applicerar ett styrt moment mellan vänster och höger sida av en axel. Elektromekaniska ställdon, hydraulkretsar eller delade krängningshämmare kan motverka karosskrängning och samtidigt minska den passiva tvärkopplingen över en ojämnhet vid ett enda hjul.

Detta är verklig aktiv styrning i krängningens frihetsgrad, men den styr inte nödvändigtvis hävning eller nickning och kanske inte genererar en oberoende vertikalkraft vid alla fyra hjul. Att kalla den ”helaktiv fjädring” skulle överdriva dess styrförmåga.

Helaktiv hjulupphängning

Ett helaktivt system använder drivna ställdon för att skapa styrd kraft mellan kaross och hjul vid enskilda hjulpositioner. Beroende på hårdvaran kan det motverka eller avsiktligt framkalla hävning, nickning och krängning, och det kan förflytta hjulupphängningen även utan någon föregående relativ rörelse.

Fjädrar behålls normalt för att bära den statiska lasten energieffektivt och ge en mekanisk grundnivå. Det aktiva systemet tillför sedan dynamisk kraft. ZF:s sMOTION tillför exempelvis en eldriven hydraulpump till en tvåventilsdämpare, så att enheten kan förflytta hjulupphängningen i stället för att enbart motverka rörelse. ZF: sMOTION active chassis dampers

Förutseende styrning

Förutseende styrning beskriver information, inte typen av ställdon. En kamera, lidar, lagrad karta eller det uppmätta svaret från ett framhjul kan informera styrenheten om en störning innan ett bakhjul når den. Signalen kan förbereda en adaptiv dämpare, luftventil eller ett aktivt ställdon. En förutseende sensor skapar inte i sig någon fjädringskraft.

Styrproblemet

Styrenheten uppskattar karossens och hjulens tillstånd utifrån accelerometrar, höjdsensorer, hjulhastighetsgivare, styrvinkel, broms- och drivbegäran, girhastighet och andra fordonsdata. Därefter väljer den kraftmål inom de fysiska begränsningarna.

Typiska mål står i konflikt:

minska karossaccelerationen för bättre komfort;
minska hävning, nickning och krängning för att styra karossens hållning;
hålla fjädringsrörelsen borta från kompressions- och utfjädringsgränserna;
begränsa variationer i däckbelastningen för bättre grepp;
upprätthålla mål för körhöjd och aerodynamik;
minimera ställdonens energi, buller och värme.

En styrenhet kan inte minimera varje mål vid varje frekvens. ”Skyhook”-strategier dämpar konceptuellt karossen i förhållande till en tröghetsreferens; ”groundhook”-strategier prioriterar den ofjädrade massans rörelse och däckbelastningen. Produktionsstyrning blandar mål och ändrar deras viktning med hastighet, körläge, last, grepp och tillgänglig ställdonskraft.

Programvara kan inte upphäva de mekaniska begränsningar som fastställs i suspension construction and geometry och suspension springs. Däcket har fortfarande ändlig styvhet och begränsat grepp, länkarna definierar fortfarande en hjulbana och ställdonet har fortfarande begränsad kraft, hastighet och slaglängd.

Vad aktiv kraft kan förändra

Vid kurvtagning orsakas utåtriktad krängning av att sidoaccelerationskraften verkar vid karossens tyngdpunkt i förhållande till dess kraftvägar för krängning. Ett aktivt system kan tillföra ett motverkande krängningsmoment eller till och med luta karossen inåt. Under bromsning och acceleration kan det tillföra krafter som motverkar nickning. Över en ojämnhet kan det förflytta hjulet i förhållande till karossen eller förflytta karossen för att hantera de åkandes acceleration.

Samma ställdon kan även omfördela de vertikala hjulbelastningarna. Det kan hjälpa till att hålla ett belastat däck inom ett användbart arbetsområde, men kan inte skapa grepp oberoende av väg, däck och total normalkraft. Att aggressivt hålla karossen horisontell är inte automatiskt den inställning som ger bäst åkkomfort eller transienta köregenskaper.

Helaktiv styrning möjliggör också ovanliga karossrörelser. Instegshöjning, avsiktlig lutning i kurvor, ”dans” och hopp är olika kommandon som bygger på samma övergripande förmåga att generera vertikalkraft. En spektakulär demonstration bekräftar ställdonens kapacitet; den fastställer inte självständigt åkkomfort, hållbarhet, energianvändning eller beteende i en nödsituation.

Dagens produktionslösningar

Porsche Active Ride och Audis aktiva hjulupphängning

Standardchassit i dagens Porsche Taycan använder tvåkammarluftfjädrar och kontinuerligt styrda tvåventilsdämpare. Porsche Active Ride tillför en eldriven hydraulpump till varje aktiv dämpare och genererar vid behov volymflöde och hjulspecifik kraft. Porsche uppger att systemet styr nickning och krängning och kan luta karossen för att minska den acceleration de åkande känner. Porsche: Taycan Active Ride

ZF anger sin sMOTION-teknik med dämpare och ventiler som grund för denna aktiva funktion. Separata externa ventiler reglerar kompression och retur, medan pumpen förflyttar kolvstången aktivt. Denna skillnad i hårdvara är mer informativ än det gemensamma ordet ”adaptiv”. ZF: sMOTION active chassis dampers

Audi använder det närbesläktade konceptet i e-tron GT-familjen. Dess tvåkammar-/tvåventilsluftfjädring som standard och den valbara aktiva hjulupphängningen är separata konfigurationer; Audi beskriver fördelning av hjulbelastning, kompensation för nickning och krängning samt en stillastående komforthöjning för insteg på 55–77 mm beroende på utgångshöjd. Audi: e-tron GT active suspension

Mercedes-Benz E-ACTIVE BODY CONTROL

Mercedes-Benz E-ACTIVE BODY CONTROL kombinerar en luftfjäder som bär grundlasten med 48-volts hydraulisk aktivering vid varje hjul. Mercedes uppger att systemet reglerar fjäder- och dämpkrafter individuellt för att motverka hävning, nickning och krängning. ROAD SURFACE SCAN använder en stereokamera för att förbereda fjäderbenen för upptäckta ojämnheter i vägbanan, och läget CURVE lutar karossen inåt. Mercedes-Benz: E-ACTIVE BODY CONTROL and ROAD SURFACE SCAN

Arkitekturen visar varför förutseende styrning och full aktivitet är separata egenskaper. Kameran förbättrar förutseendet när den kan identifiera vägpåverkan; det hydrauliska ställdonet levererar kraften. Hjulupphängningen kan fortsätta reagera utifrån inbyggda rörelsesensorer när den förutseende informationen är ofullständig.

NIO SkyRide

NIO beskriver ET9:s SkyRide som en integrerad hydraulisk helaktiv hjulupphängning. Företaget hävdar att systemet kan reagera på information inom 1 ms och justera styvhet, dämpning och höjd. Detta är tillverkarens uppgifter om produktionssystemet, inte en oberoende mätning av varje driftsförhållande. NIO: ET9 SkyRide full active suspension

Demonstrationen med glastornet är användbar för att åskådliggöra lågfrekvent karosskontroll över en förberedd sekvens. Den visar inte variation i däckbelastning, ställdonseffekt, beteende på slumpmässigt sönderkörda ytor, termiska gränser eller långtidshållbarhet. Det kräver instrumenterade prov.

BYD DiSus och Yangwang U9

BYD använder DiSus som ett samlingsnamn för flera nivåer av karosskontroll: DiSus-C för dämpningsstyrning, DiSus-A för pneumatisk karosskontroll och DiSus-P för hydraulisk karosskontroll. Det är ett tydligt exempel på att ett varumärkesnamn omfattar både semiaktiv och mer aktiv hårdvara. BYD: DiSus body-control system taxonomy

Yangwang U9:s DiSus-X-demonstrationer visar att fordonet kan kommendera stora, snabba kaross- och fjädringsrörelser, däribland ett hopp. Hukningen, starten och landningen gör förekomsten av driven vertikal aktivering synlig.

Hoppet bevisar inte att däcken håller bättre kontakt med en vanlig väg, och det bör inte beskrivas som hinderdetektering om inte en specifik demonstration dokumenterar avkänning och autonom tidsstyrning. Den försvarbara tekniska innebörden är snävare: systemet har tillräcklig styrbar kraft och slaglängd för att tillföra fordonet betydande vertikal energi.

Förutseende styrning är användbar men villkorad

Reaktiv styrning börjar efter att sensorer har registrerat hjul- eller karossrörelse. Förutseende styrning kan minska denna fördröjning, men perception skapar nya begränsningar:

En kamera måste skilja vägens form från markeringar, skuggor, stående vatten, snö och ytor med låg kontrast.
Styrenheten måste omvandla en uppmätt egenskap till varje däcks färdväg.
Fordonshastighet, styrning och karossrörelse avgör när hjulet når fram.
Ställdonet måste ha tillräcklig slaglängd, kraft och respons för att utföra kommandot.
En störning utanför sensorns synfält, exempelvis ett nytt potthål dolt av ett annat fordon, kräver fortfarande reaktiv styrning.

Hjulbasförutseende undviker vissa synproblem genom att använda framhjulets respons för att förbereda bakaxeln, men det kan inte hjälpa den första axeln. Höjfunktioner med lagrade positioner är användbara för kända ramper; de är körhöjdsautomatik, inte högbandbreddsstyrning med vägförutseende.

Effekt, värme och felsäkert beteende

Aktiv kraft är inte gratis. Elektrisk inmatning blir hydrauliskt arbete, mekaniskt arbete och värme. Pumpar, motorer, ackumulatorer, ventiler och kylning tillför massa och kräver utrymme. Kontinuerlig drift med hög kraft kan begränsas av elektrisk effekt, vätsketemperatur, ställdonshastighet eller arbetscykel.

En elbils högspännings- eller 48-voltssystem kan leverera betydande chassieffekt, men eventuell räckviddsförlust eller aerodynamisk vinst är fordons- och ruttspecifik. Sänkning i hög hastighet kan minska luftmotståndet; aktiv karosskontroll förbrukar energi. Ingen av effekterna bör generaliseras utan uppmätta data.

Säkerheten beror också på det degraderade tillståndet. En sensor, pump, ventil, kommunikationsbuss eller strömförsörjning kan sluta fungera. Fjädern och den mekaniska hjulstyrningen måste fortsätta bära och lokalisera fordonet, medan styrenheten upptäcker fel och övergår till ett definierat läge. Ett aktivt chassi bör därför bedömas efter varningar, limp-home-beteende, serviceprocedurer och utbyteskostnad såväl som efter sin bästa demonstration.

Vad köpare bör kontrollera

Fråga vad tillvalet faktiskt innehåller:

fasta, frekvensselektiva, manuellt justerbara eller elektroniskt variabla dämpare;
stål- eller luftfjädrar och om luftsystemet ändrar höjd, volym eller båda;
enbart aktiv krängningskontroll eller oberoende kraft vid varje hjul;
reaktiv avkänning, kameraförutseende, hjulbasförutseende eller höjning vid lagrade positioner;
valbara lägen och om vart och ett ändrar fjäder, dämpare eller ställdon, eller bara styrning och drivlinerespons;
begränsningar beroende på hjulstorlek, drivlina, temperatur, släpläge eller batteritillstånd;
garantitäckning och kostnaden för en dämpare, luftfjäder, kompressor, pump och kalibrering.

Se mer än plan kurvtagning under provkörningen. Kontrollera isolering av skarpa kanter, karosskontroll över långa vågor, påverkan på ett hjul, nickning vid bromsning, upprepade ojämnheter, buller och övergången mellan lägen. Ett bra aktivt system utökar området av användbart beteende och förblir samtidigt förutsägbart. Komplexitet utan en välutvecklad mekanisk grund och styrkalibrering åstadkommer inte detta.