汽车悬挂二三事上篇-基础知识

悬挂-悬架-底盘

理论上来说，悬挂=suspension，底盘灯chassis，这两个并不是一个东西，广义上的底盘应该包括悬挂系统，刹车系统，转向系统等，而悬架这个翻译似乎是受副车架的影响。

早期的汽车，以及延续到现在的很多重型车辆，硬派越野车，一些复古跑车，还沿用着非承载式车身的设计。这种设计是有传统意义上的底盘的，也就是通过松开塔顶和一些固定螺丝，整个车身可以和底盘分开。

而底盘有完整贯通的大梁设计，这种车型的结构强度是很高的，你甚至可以只开一个底盘。

也有一些电动，混动车型，将电池设置在前后副车架中间，组合成一个完整的车架，我也不是很懂这种道东要不要分到body on chassis里面，应该也算吧。

现代车辆更多的是采用承载式车身的设计，如果是带传动轴的车型，一般会把前后副车架和传动轴组装在一起，形成一个类似底盘的东西

生产线上一般白车身和”底盘“部分是分开总装的，这车身和”底盘“合体的部分叫做marriage，结婚过后就是整车总装了，比如把各种电线管线连好，车内饰，方向盘，玻璃，等等。

如果没有传动轴，一般也会有一根排气管的，都需要用工装固定好，然后和车身结合，这个是还没装排气管的样子。

而本篇所说的悬挂，单独指suspension这一块内容。对一般人来说，无非是几根杆子几个弹簧的事，然而事实上我个人认为悬挂系统甚至比动力总成更加影响一个车的驾驶感受。而悬挂系统的设计又是最易于上手难于精通的，高端设计领域甚至会产生一些“玄学"的效应。一般用的比较多的是msc的adams car。

我本来想本期讲解案例用adams car做一些图出来，奈何这软件即使跟着教程做个最简单的麦佛逊都要俩小时，随便找个悬挂受力分析仿真的教程都能有一两百页，所以我还是惯例网图讲解了。

几何概念

说起来有点反直觉，普通大众认为悬挂应该是让汽车更舒适更柔软，然而事实上悬挂的设计的终极目的是为了让车轮时刻接地，并在各种工况下保持车轮定位尽可能准确，车身尽可能平行，为了实现这些目的，有一些几何参数我们首先需要了解一些概念

外倾(Camber) :从汽车正前方看，汽车车轮的顶端向内或向外倾斜一个角度，称为车轮的外倾。早期的老式汽车通常有较大的正的外倾角，这样做的目的是适应当时的路面，让车轮能够垂直于那是中拱较大的单车道路面。而现代汽车上，前轮外倾角通常为0、或者+1度以下的角度，较小的正的前轮外倾角有助于提高车辆直线行驶的稳定性。

前束(Toe): 从汽车的正上方向下看，由轮胎的中心线与汽车的纵向轴线之间的夹角称为前束角。轮胎中心线前端向 内收束的角度为正前束角，反之为负前束角。总前束值等于两个车轮的前束值之和，即两个车轮轴线之间的夹角。前束的作用 是消除车轮外倾造成的不良后果车轮外倾使前轮有向两侧张开的趋势。

主销（kingpin）：车轮转向（如果他需要转向）的旋转轴，称之为主销，现在的悬挂除了整体桥，基本已经没有实主销了。

所以回转轴线并不存在于一个实际的部件上就会被称为虚拟主销，visual kingpin。

主销后倾角(Kingpin caster angle) : 从汽车的侧面看，主销轴线从垂直方向向后或向前倾斜一个角度称为主销后倾或前倾。在纵向垂直平面内，主销轴线与垂线之间的夹角，称为主销后倾角。向垂线后面倾斜的角度称为正 后倾角，向前倾斜的角度称为负后倾角。通常汽车行驶过程中，主销后倾角应为正值。图中γ就是主销后倾角，AB称为拖距，在拖距和车轮在转向时受到的侧向力的矢量积即为车轮回正力矩（机械拖距，轮胎拖距另计）这种回正力矩只有在车辆行驶时才会产生。在出现侧风或地面不平时，主销后倾角的存在也会使车辆转向系统受到影响，引起车轮和方向盘的摆动。

主销内倾角(Kingpin inclination angle) : 从汽车的正前方看，主销(或转向轴线)的上端略向内倾斜的角度,称为主销内倾角

而视主销内倾角的不同，会导致主销延长线和轮胎中心线的交点有可能不在地面上，那么这段距离就叫做主销偏移距，主销内倾角以及主销偏移距存在会使车轮转向时，产生一个抬起车身的效果，辅助低速回正，另一方面负的主销偏移距设置可以有效平衡制动跑偏效果，提高车辆稳定性。

当然，悬挂的参数不止以上，如果大家有空可以找一个adams car做一次悬挂设计和仿真试试，参数真是多到爆。在么有计算机辅助设计以前悬挂非常简单也是因为计算量实在太大了，而开发一种新的悬挂形式，验证他的K&C（Kinematics&Compliance)特性，如果没有计算机帮助，那真是太贵了。比如用这种台架，如果需要修改悬挂，又是一套加工费。

约束系统

以上知识悬挂的几何参数，几何参数决定了悬挂的”上下限"或者说可标定范围，而实际悬挂开起来感受的不同，和避震器，胶套，角度的调教等等也有很大的关系，这里有很多新技术的内容，下期我再讲。

这期我们还是先专注于悬挂的基本构型，通过了解以上知识，让我们先回到悬挂本身，之前说了悬挂是为了让轮子保持接地。假如我们的轮子是一个自由的轮子，那么他是有6个自由度的，即XYZ轴三个方向的直线运动，和XYZ轴三个方向的旋转运动。

而我们希望轮子在保持接地的同时能尽可能的保持各种参数不变，不要内倾外倾，或者各种扭转，这就需要我们限制（或固定）其中5个自由度，只保留轮子上下运动的自由度。（图中属于日本暴力改装案例，不是故障）

因为目的很单纯，所以结构也简单，现代悬挂翻出花来也逃不出这5种设计，约束1自由度的连杆，约束2自由度的双叉臂（a-arm，wishbone arm），麦佛逊滑管，约束3自由度的拖曳杆，约束4自由度的H臂和约束5自由度的拖曳臂。

大部分悬挂，都是基于这几种基础的构建，凑在一起凑够5个自由度约束而成。需要注意的是，在前轮的悬挂，转向拉杆也算一杆约束

总结下来，独立类的可以分为3大类，即使用了麦佛逊滑管的麦佛逊系，使用了双叉臂，H臂，或将双叉臂或H臂解耦替换为连杆的多连杆系，使用了拖曳臂，拖曳杆的拖曳臂系，非独立类有古典的整体桥门式桥等桥系，还有H臂变形而以来的扭力梁系。

悬挂分类

下面我们简单的分别介绍一下这些悬挂的形式和特点。

整体桥和悬挂

首先说非常古典的整体桥+叶簧。这种脱胎于马车的设计，现在还有很多车在用。也叫做霍其凯斯传动。这应该是最最最便宜的悬挂了，连三轮车都有用这种悬挂的，不过缺点也很明显，整体桥不允许轮距的变化，前束的变化，外倾的变化，只能平跳，簧下质量巨大，且设计时要为整体桥的位移留出空间。

然后为了提高对中性和增加一些操控稳定性，整体桥上可以增加各种连杆，比如潘哈连杆

比如增加两拖曳杆

福特喜欢加瓦特连杆

瓦特连杆，马自达rx7

但是杆子加的再多，也是个整体桥，轮距，前束等永远无法发生变化

扭力梁

所以如果不是后桥驱动，干脆就直接用一个H粱连接两个车轮，扭转粱（扭力梁）悬挂就诞生了。对于买菜车来说，这是一个极其优秀的悬挂方案，首先没有副车架，成本低，然后除了两根弹簧占用垂直空间外，没有零零碎碎的空间占用，可以为后排和后备箱提供极大的空间。

但是扭力梁的问题在于粱前的两个衬套要吃两个方向的力，这个部件极其重要且负担大，所以福特最先开发了一种带瓦特连杆的扭力梁，用瓦特连杆分担衬套一个方向的力，增加一些驾驶乐趣。

当然还可以做的更便宜，比如奔驰老a级b级，用一个抛物线型扭力梁，又省了一个衬套。要知道一个衬套可是不便宜。

扭力梁的主要问题是两个轮子非独立，受路面影响比较大，不过买菜车要求不要太高，正常驾驶问题不大。扭转粱方面psa应该是非常专业的，可能要归功于出色的变截面梁设计能力，板车悬挂做出独立悬挂的感觉，psa这点还是值得肯定的。

甚至psa还做过基于衬套技术的后轮随动转向，这在之前一期曾经介绍过。

拖曳臂及变种（刀锋臂，H臂）

拖曳臂是汽车早期采用的一种独立悬挂方式，并且一直被改进至今，原始版本拖曳臂和羊角是死的，直接约束5个自由度，这也导致转弯时外倾非常严重，比如经典的雪铁龙2cv。

所以针对拖曳臂的改进集中在释放自由度上，原始的拖曳臂与车架有两个铰接点，如果改为一个，就可以释放2个自由度，宝马e36就是这样增加两根控制臂，这种拖曳臂也可以叫做拖曳杆。（上面那张进化图里拖曳臂那项第二个）

那张图里第三个，再释放一个拖曳臂和wheel hub的铰接点，改为3横臂1纵臂（不完整的拖曳杆),就成为了一种可以叫做多连杆但实际上仍然是拖曳臂的悬挂，比如雷克萨斯rx就用这种

拖曳臂再进化就是现在比较流行的刀锋控制臂了，也叫E型多连杆，4连杆，也就是进化图上的第四种。一个纵臂控制两个自由度，3个横臂控制3个自由度。

比如奥迪tt直接就叫4连杆，但是本质上应该还是基于拖曳臂改进的，不然4个连杆咋约束5个自由度呢。刀锋臂主要问题是横杆和纵臂都有约束XZ面轮心运动的功能，轮心前后位移明显，X向的冲击也有部分会直接通过纵臂传到车身上，NVH也会受此影响；刀锋臂还会扭转，对操稳有影响，后续演进成H臂来解决这一问题。

所以后来会产生一种H臂约束的系统，因为一个H臂会约束4个自由度，所以只用在后轮上，加一个控制杆组成。

不过H臂轮距变化比较大，内外倾控制不好，再加上H臂体积大一般要用铝合金，所以高端跑车喜欢使用这种设计的改进型，比如宝马

这个后桥的H臂断开一脚用活动导杆连接或用大衬套释放一个自由度+2个连杆约束2个自由度

老a8的后悬挂，保留的外倾控制，轮胎和地面接触佳，操稳极限性能好，没有刀锋臂的缺点，轮心不会在上下跳的时候前后位移很多，同时相对双叉臂来说可以省一些乘员舱空间。缺点是这种布置H臂的前衬套如合布置，非常讲究。

法拉利也喜欢采用这种设计，不过法拉利应该是处于悬挂系统强度的考虑。

双叉臂及其变种（5连杆)

与拖曳臂差不多时候出现的另一种悬挂形式是双叉臂，因为A臂形状像鸡骨头，所以老外也叫wishbone型，两个a臂各约束2个自由度，如果放在前轮的话转向拉杆再约束一个，如果放在后轮就加一根前束杆约束一个自由度即可。如果需要后轮转向，那么把后轮的前束杆换成分体转向机即可。

双叉臂的运动轨迹非常简单，控制性也很好，而且转向拉杆布置自由，减震方面推杆拉杆也都可以布置，但是上A臂还是比较占空间的，再加上对a臂强度要求，球铰和衬套多，现在一般豪华一点的车才会用双叉臂。如果将上球铰点延申到高位，就是之前我们看到的演进图中的第一个变化高位双叉，这种布置稍微省一点空间。

正如上面的悬挂可以拆一样，双叉臂也可以拆分，如果我们把下a臂拆开成两根控制臂，那么就得到了第一种3球铰双叉臂，一些性能跑车把它用在后轮。因为传统双叉臂没有虚拟主销，将下臂替换后提供了一些调整的空间

奔驰宝马的一些豪华车型也将这种结构放在前轮，提供更好的抗点头特性，而且平台化非常方便，坏了也不用大换零件，坏哪根换哪根。目前最高级的双叉臂应该就是这种了

那么有人要问了，为啥没人拆上A臂呢？也是有的，拆上A臂一般都在运动型车的前轮，和运动型车拆后轮的下A臂比较类似，

拆后轮上A臂的似乎很少见，我搜了搜好像就找到一个奥迪这个电动概念车。可能是为了带后轮转向，前后悬挂零件通用，所以搞了这么个奇怪的设计。

那么如果上面和下面的a臂都解耦会怎样呢？恭喜你，这就是5连杆了，可以说是悬挂系统皇冠上的明珠了，全虚主销，各种可调，一个动全跟着动，因为设计难度实在是高

前轮基本只有高端豪华车才会用，比如a8

放在后轮上的车倒是不少，不过5连杆衬套多，球铰多，连特斯拉都因为太贵把连杆换成了钢的。

而且5连杆一旦动起来，轮距和轴距都会跟着有变化，不光设计困难，调教也很困难。

即使现在有仿真软件，也需要经验老道的设计师，毕竟光能实现悬挂功能还不行，空间占用也是个大问题，俩部门为了2公分空间打起来也是常有的事

麦佛逊及其变种

麦佛逊悬挂发展至今大致可以分为5种，传统麦佛逊，下臂解耦麦佛逊，福特的revok，下摆臂改为平行连杆的麦佛逊，和低位避震麦佛逊。关于麦佛逊的传奇下篇文章我们再讲，这里先说一下麦佛逊，麦佛逊是悬挂轻量化的一个重大进步，可以看作用一个麦佛逊滑柱替代双叉臂的上A臂，再加一根连杆或者转向拉杆就可以约束5个自由度了。

麦佛逊的有点非常明显，就是省地方，侵占横向的空间十分小，非常好布置，舱体内可以省下大量空间，适合紧凑型车型.另外下摆臂可以用冲压钢板，避震弹簧一体，只有两个衬套，非常便宜。当然缺点也是有的，比如下摆臂受力复杂，上塔顶横向力大需要加横把等。

第一种变种下摆臂解耦，最常见的比如e90宝马3系（宝马喜欢叫双枢轴），奔驰C/E级（三连杆),宝马的一根控制臂喜欢扭成大肠型来绕转向拉杆也是很有特色的，这种麦佛逊因为下摆臂解耦，抗点头性能提高，而且半虚主销，轮外倾可略微调整，缺点就是两个下摆臂要开两个模，一般要用铝合金，多了两个球铰，贵。

福特的revok，通过内移转向轴，降低了扭矩效应，这是一种注重性能，重视簧下质量的麦佛逊，大部分部件一般都会用铝制，而且转向节分体成两个了，多了球铰，还多了一根抗扭杆，成本很高，钢炮必备，比如福克斯st等。

下摆臂改为平行连杆，一般常见于后轮，不过这种到底算不算麦佛逊还是有点争议，有人把它归到多连杆里一般叫做筷子3连杆，不过我觉得用了麦佛逊滑柱了，算麦佛逊也没毛病，比如老凯美瑞的这种。

这种后悬杠杆比很高，设计简单成本低，不过轮外倾在轮心上跳时的补偿不够，纵臂会吸收一些震动传导到车身上，nvh会差一些。丰田还是比较喜欢这种设计的，比如老celica

保时捷的老boxter和老Cayman也是用的这种后悬挂。跑车上会优化一些簧下质量，不过保时捷可能是因为发动机后置，所以才这样布置，毕竟麦佛逊省了很多横向空间。

最后一种避震柱下探的麦佛逊，多用于跑车上，适应低矮的车身，比如911

高级一点的gt2rs也没用双叉臂，也是这种麦佛逊，因为不用布传动轴，其实这个前轮悬挂相当于前驱车的后轮，因为跑车不用考虑舒适性问题，所以抗点头也不用太在意，这个分体下摆臂主要还是为了在不改变弹簧刚度的情况下进行调整。

gt3也是这样，当然这种前悬还是只能后驱车用，因为避震底座太低了所以下摆臂一般都是一根连在另一根上，所以对材料，衬套要求很高，而且无形中又多了两个衬套，贵。

以上就是常见悬挂类型的总结了，下一期我将介绍一下悬挂系统的发展史，麦佛逊的发明史，和先进悬挂系统的介绍。

不过通过这一期的介绍，相信大家也能明白悬挂（或者说底盘）调教是一个多么麻烦的事情，参数多不说还牵一发而动全身，想调成单一取向（运动，舒适，竞技等)不算很难，想要调整的均衡就需要功力了，而调整还要基于优良设计的基础，这也不难理解为什么很多国产车还在用二三十年前的老地盘了