汽车悬挂设计浅谈:这些冷知识真有趣,要是你看得懂的话
在很多人眼里,悬挂就是吸收路面起伏的装置,让车坐起来更舒适。虽然这么说也算不上错,但毕竟还是太肤浅,当中很多有趣的东西值得一说。
首先看汽车的轮毂:如果轮毂不受任何限制,也即是说,它完全独立于车身,将会如何动作?
答案是,轮毂将有六种基本运动模式,我们称之为6个自由度。
在三维空间中,可以用XYZ轴精准定位任何坐标,所以6个自由度可被描述为:①沿X轴的运动;②沿Y轴的运动;③沿Z轴的运动;④X-Y平面内的转动;⑤X-Z平面内的转动;⑥Y-Z平面内的转动。
对轮毂来讲,我们希望它只有1个自由度。为什么?
假设轮毂有两个自由度,这车就没法开了,因为轮毂会朝着两个不同的方向独立运动。举个例子,当你经过减速带,车身不止上下弹跳(这是正常的),还会前后肆意晃动,你想开这样的车吗?
所以必须控制自由度。说到“控制”,并不是让5个自由度完全固定,这里讲的控制,是利用控制臂,将轮毂与车架连接起来,这样一来,轮毂在各个方向上的运动就能相互影响。自由度依然会变化,但不再各自为阵了,一个自由度的改变会迫使另一个自由度紧跟着改变。
简单的例子:两个数值变量P和Q,他们加起来是两个自由度。现在我们引入一个“限制”:P+Q=10,在此之下,P和Q的数值并不固定,但只要P值一变,Q值就必然跟着变。于是,该体系现在只剩下1个自由度了。
一般来说,一个独立的控制臂可以限制1个自由度;因此要让轮毂只剩下1个自由度,我们需要总计5个控制臂。这就是为什么某些车型标榜自己有多连杆或者五连杆的原因。以双叉臂悬挂为例,通过5个控制臂的限制,使得整个系统只有1个自由度。
为什么我们不干脆固定6个自由度?
这就等于把轮毂直接装在车架上,路面所有的颠簸都硬生生传递到车厢,那样开起来就过于硬核了,是吧?这就是为什么没人见过六连杆悬挂。
下面我们简要介绍一下拖拽臂悬挂
这套悬挂采用实心控制臂,一端与底盘有两个铰接点(因此只能在二维平面中“摇曳”),另一端固定在轮毂上。
由于控制臂与车架之间有两个铰接点,因此施加了两个限制,被控制臂固定的轮毂相当于限制了3个旋转自由度。因此整套系统的自由度等于6-2-3=1。
这是最原始的悬架,20年前应用广泛,90年代之前很多保时捷跑车(最高到964)都用这类型的后悬。这方面最骚气的要数雪铁龙2CV,看看它的前后悬,都是拖拽臂。
它过弯时侧倾非常明显,注意看车轮的外倾角。
拖拽臂悬挂最大的优势是它的极简设计和低廉成本。但是缺点也很明显:当遇到颠簸时,车轮后倾角就会改变,你不会想要这样的操控特性(后倾角决定直线行驶稳定性和转向回正力度)。此外,行驶过程中,车轮外倾角也没法自行优化。因此自上世纪90年代起,车企们纷纷对其进行了改进,研发出了许多变种。
最初的拖拽臂悬挂只有一个单臂,它的变种就不一样了。所有变种都有一个相似的改动:从单臂上释放几个自由度,转移到新增的控制臂上。通过增加更多的控制臂,悬挂性能会有所提升。
以宝马E36 3系为例,它移除了纵臂与车架的一个铰接点,释放了两个自由度(一个横向平移,一个横截面旋转),再新增两根水平控制臂恢复对两个自由度的限制。
我们可以玩些花样。比如在初始版本中,轮毂是完全固定无法旋转的,在E36的基础上,我们可以进一步释放轮毂的1个自由度,让它与拖拽臂只有两个铰接点,然后我们引入第三根水平控制臂,连接轮毂和车架——现在,悬挂就有了3根水平臂和1根纵臂,这就是目前最流行的多连杆悬挂中的一种。
你可以在许多一流车型上看到它,比如雷克萨斯RX的后悬——雷克萨斯官网说RX采用的是双叉臂,这与本文说法并不矛盾,因为双叉臂并没有严格的定义。同时悬挂的命名往往是模棱两可的,所以不要听风就是雨,你需要看清它的几何结构,才能了解它的内在原理。
接下来聊聊双叉臂
这类悬挂采用上下两个A形臂。一个A形臂能限制2个自由度,因此我们还需要一根额外的控制臂控制余下的1个自由度。
在前轮,额外的控制臂是一根转向臂,在后轮,通常是一根前束控制臂。
下图中标有“Variation 1”的是高位双叉臂,通常用于前悬。上摆臂安装在车架支座上,可以节省空间,有利于动力总成的封装。
在后悬的A形臂上可以玩出更多的花样。例如“Variation 2”,将下摆臂分解成两个独立的控制臂,这种设计在日产GT-R和凯迪拉克CTS上可以看到。有些车型将上摆臂一分为二,比如保时捷的Panamera。
要是把上下摆臂都一分为二会怎么样?你可以这干,实际上很多车企都这么干过,而且它有一个你非常熟悉的名字——多连杆,或者五连杆。现在你明白了吧,多连杆其实就是双叉臂的变种。
再来讲下麦弗逊
你可以把它当做上摆臂被一根垂直撑杆(防侧倾连杆)替代的双叉臂,撑杆上端刚性固定于车体支座。
下图中,标记“Original”的就是麦弗逊初始版本。当然它有许多变种。比如你可以将下摆臂分解成两个控制臂,这在宝马和奔驰的一些低端车型上比较常见,像E90 3系(宝马称之为双枢轴)和C/E级(奔驰叫它三连杆)。
图中的Variation 2与上述车型的悬挂比较相似,只不过分解后的控制臂是平行的。这种结构主要用于后悬,在许多主流车型,甚至跑车上比较常见。这方面,丰田凯美瑞和保时捷Boxster/Cayman算个中翘楚。
麦弗逊的优势在于结构简单和低成本。但也有代价,它不能很好地限制车轮外倾角变化和车身侧向运动(刹车点头,侧倾大)。同级别相比,麦弗逊的操控性能往往比双叉臂和多连杆要差。
最后我们来谈谈H-arm悬挂
它一端与车架有两个铰接点,另一端与轮毂有两个铰接点。一根H臂可以限制4个自由度,因此还需要加入一根水平控制臂,来使得整个系统只有1个自由度。
不过如此设计还得不到最佳的车轮运动轨迹,大部分车企都会做改进,让这套悬挂的动态表现更加卓越。一些豪华车和高端跑车就采用这样的设计。
比如奥迪将轮毂与H臂的一个铰接点改为柔性接头,释放了一个自由度(让H臂只限制了3个自由度),然后新增一根控制臂以弥补限制。参看下图。
宝马另辟蹊径。通过一根中央控制臂连接车架和轮毂,释放了一个自由度,与此同时,加入另一根控制臂以恢复控制。下图是2012款宝马M5后悬。
法拉利采用了相似的设计,看看FF的后悬是如何构造的:
不仅豪华车采用H-arm悬挂,福特的蒙迪欧和新款野马同样采用了这样的后悬。
驾仕总结:
本文简单讲解了4款主流独立悬挂。当然,还有很多没有讨论到,比如半独立以及活轴悬挂,但不管怎样,他们都有一个共性——限制6个自由度中的5个。希望本文能帮助你更了解汽车。
文|休不眠
图|网络
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