讀懂懸架結構(上篇):麥弗遜并非低級貨

2021-08-01 00:10:56 作者:黃恒樂

讀懂懸架結構(上篇):麥弗遜并非低級貨

 
何為懸架?

  隨著中國經濟這20多年來的迅猛發展,汽車已然進入千家萬戶,汽車基礎知識也逐漸得到普及。老一輩的購車者特別關注品牌,再是發動機、變速箱、油耗等;新世代購車者會關注底盤操控、移動互聯、環保形象、經銷商服務等更深層次或更新穎的因素。

  懸架作為底盤的一部分,對于普通消費者而言往往只可意會不可言傳,很多人只能依靠“懸架結構”來判斷車輛底盤運動性能的優劣。大錯特錯!這與“通過軸距判斷后座空間”一樣是偽科學。

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  一來,結構并不直接決定操控,只決定了物理性能的上限和下限,后期調校的功勞也很大;二來,不少消費者混淆了懸架的諸多概念,最常見的錯誤是把彈性元件和導向機構進行對比,比如問空氣懸架和多連桿懸架誰更高級;亦或將彈性元件和減振器進行對比,比如問空懸和MRC電磁懸架誰更牛。這是不會有結論的。

  筆者用圖文形式將內容“濃縮”至一萬字左右,分上下篇發布,希望可以幫助讀者們徹底讀透懸架方面的基礎知識,更精準地選車購車,以及少鬧笑話。

 
解構懸架的結構

  Suspension,中文譯作“懸架”、“懸掛”、“懸吊”、“懸載”等詞匯,都指的是同一種用于連接車輛和車輪的總成。

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  因為要維持車與輪的動態幾何關系,也要進行減振等工作,因此懸架是必不可少的。有些人會說“卡丁車是沒有懸架的”,這并不甚精準,卡丁車只是沒有彈性元件和減振器,不代表沒有導向結構,不然車輪怎么掛在底盤上呢?又如何轉向呢?

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  進入主題。我們將懸架結構分為以下四大部分,有些課本會分為三大部分(取消第四“橫向”穩定器):

1
 
導向機構/結構部件

  平時提到的麥弗遜、雙A臂、五連桿、扭力梁、鋼板彈簧(兩重身份)等等,都屬于懸架結構的導向機構,或者叫結構部件,負責傳遞力和力矩,維持幾何關系。

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  全車間英文最好的張全蛋,視頻中的中英文翻譯都是錯的。 張全蛋說的“底大杠”其實不是扭力梁,而是非承載車身中用到的車身大梁。

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2
 
彈性元件/支撐媒介/彈簧

  空氣彈簧、螺旋彈簧、鋼板彈簧、氣液聯動彈簧等部件分為這一類,屬于彈性元件,也可稱為支撐媒介,與本車是否“獨立懸架”無關。

  從上世紀70年代開始,主流汽車品牌開始研發主動懸架,率先運用在80年代初的F1賽車之上。現在我們能見到空氣彈簧和氣液聯動聯動彈簧都是主動懸架,其余多數都是鐵腦袋不會思考的被動懸架。

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3
 
減振器

  用來衰減振動的部件,也就是阻尼桶。下圖被螺旋彈簧包著的那根就是減振阻尼桶,結構上分為主動式減振器(會思考的)和被動式減振器(常規的)。

  能量不會憑空消失或者產生。如果沒有阻尼桶,彈性元件會不斷振動下去直至能量被緩慢分散,這樣一來我們坐的車子就會上下振動個不停。彈簧負責剛度,是儲能裝置;減振器負責阻尼,是耗能裝置。兩者不可混為一談。

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4
 
橫向穩定器

  防側傾的“防傾桿”,不過不知道分到哪一類比較好。

  從作用上看,防傾桿和彈性元件歸納在一起比較合適;從安裝位置上看,防傾桿與導向機構比較親近。

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  對于以上四大部分,《懸架》系列將分上下文進行深度剖析。

 
各類導向機構的優缺點分析

  我們先來說說導向機構,這是汽車懸架結構當中最重要的部分,相當于人體的骨架,同時也是我們日常購車過程中接觸得最多的懸架結構部分,非讀不可。

  各種導向機構之間的區別很大,大類可以分為獨立和非獨立,消費者一般認為獨立懸架更高級,這是對的也是錯的,準確來說是“獨立懸架下限和上限都更高”。

1
 
獨立懸架:麥弗遜

  麥弗遜懸架(McPherson suspension)可謂家喻戶曉,因為現在市售車型當中絕大部分的前懸掛都用麥弗遜,特別是微型、小型、緊湊型和一部分中型車。

  麥弗遜懸架的結構非常簡單,下圖是麥弗遜(左)和雙A臂(右)的結構對比圖,沒對比就沒傷害,可見麥弗遜約等于少了一個A臂的雙A,橫向支撐性肯定不如雙A好。

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  視覺上看到的和真實操控感受到的,基本不會差太遠,但這就代表麥弗遜很次嗎?

  不是,現在多數乘用車都在用,你也不會覺得自家車子每次轉彎都要崴腳了呀,保時捷718系列還是前后麥弗遜懸掛呢,誰敢說718沒運動性能?當然,保時捷的麥弗遜比較高級,用的是分體式下擺臂,鋁合金使勁往上堆, 911的前懸就是麥弗遜你沒意見吧。

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  因為少了上面的連桿,所以麥弗遜只能使用“螺旋彈簧+減振桶”這個組合來當另一根桿,問題就來了這“螺旋彈簧+減振桶”不是一根硬邦邦的零部件啊,使勁掰它,它會被掰彎的……

  所以麥弗遜懸架多數采用的是本身就被掰彎的螺旋彈簧(后文我們會聊到),在受力狀態下就打直了,這時候才不會讓螺旋彈簧跟減振桶一直磨蹭,降低兩者的使用壽命。

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  既然麥弗遜有以上缺點,為什么多數廠家都選擇它呢?便宜!對,但不全對,品質優秀的麥弗遜結構也非常非常貴,比如保時捷的那兩組,車企們堅持用麥弗遜有些時候是因為麥弗遜占據的空間非常小,特別是在橫置車型當中可以騰出很多地方安放橫置發動機與變速箱,而縱置發動機采用多連桿(包括雙A臂)前懸架一定程度是因為縱置發動機不需要太多的橫向空間。

  便宜、省空間,結構也相對簡單,零部件少,固緊件少,麥弗遜的優勢比劣勢要大,選擇它絕對是明確的。

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  曾經的中型運動車標桿寶馬3系(對,“曾經的”)就很喜歡用麥弗遜,當然人家用的是雙球鉸麥弗遜,把下面的三角臂拆分成兩個活動擺臂,自由度更高,轉向精準度更高,性能、舒適、成本都可以平衡到,所以我買的那臺ATS-L就直接用了E90那套雙球鉸麥弗遜,老好開了我跟你說……

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  麥弗遜還有好多種變體,這里就不一一細拆了。

2
 
獨立懸架:多連桿

  前后獨立懸架就一定高級嗎?你沒開過東南菱帥V3吧,那臺新車才5萬塊的玩意就是前后獨立,不加頂吧開起來跟軟腳蟹似的,又顛又傾,被你們罵上天的斷軸速騰(后扭力梁減配款)開起來比V3好太多,只要軸沒斷。

  多連桿結構有很多種,按數字來分類比較好理解(但專業人士會罵我不專業,好在他們不看我的科普文),我們就說三連桿、四連桿、五連桿吧。

  三連桿我們在麥弗遜那節說過了,把下面的三角臂拆分成兩個活動擺臂的“雙球鉸麥弗遜”,有些人把它歸類在麥弗遜高級變種,也有人把它定義為多連桿,3系、ATS、漢EV就用的這種。定義這個事隨便了,不重要。

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  再放一個gif會顯示得更清晰一些,注意最右邊那根不是控制臂,而是轉向拉桿。

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  前文提到的雙A臂,也叫“雙叉臂”,是多連桿的一種,而且有好幾種變體,比如雙球鉸型、三球鉸型、四球鉸型,球鉸越多,靈活性就越強,操控極限越高。

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  比如奧迪A8、大眾途銳、保時捷卡宴這種縱置發動機的豪華車,前艙有很大的空間用來布局懸架,就可以用高端的四球鉸雙A臂結構,上下擺臂均由前后兩根控制臂單獨與轉向節相連接的四球鉸結構,讓力和力矩更為均勻地分布在叉臂上,調校成本和物料成本都很高,但舒適性、過彎極限、轉向細膩度都更高。有錢可以任性。

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  但是有些四連桿又不叫四連桿,如果它們是最高級的四球鉸型,而且還加入了一根前束控制桿,所以官方會稱他們的懸架為“五連桿懸架”,途銳的官方資料就是這樣寫的。下圖是寶馬5系的后五連桿,標紅的便是四球鉸型雙A臂再加一根前束控制桿。

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  總而言之,多連桿也有材料太菜、工藝太菜、調校太菜的角色,麥弗遜不一定比多連桿弱,當然市售多連桿多數都比麥弗遜強,因為做得好的多連桿又復雜又死貴,還特別難調校,還特別占空間。

3
 
非獨立懸架:扭力梁

  扭力梁在經濟型乘用車后懸上面用得非常廣泛,因為結構非常非常非常簡單,所以筆者不打算展開說太多了。

  后扭力梁被認為是減配其實也很正常,因為多數后扭力梁車型都取消了副車架,成本下限可以做到很便宜,上限也不低,因為調校其實很花錢。

  調校得很好的扭力梁車型也能很強,比如高爾夫7平民版就是取消了高爾夫6的多連桿,變成了扭力梁后懸,而大眾調校能力的確很牛,過彎極限依然高。

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  問題是,多數車企都沒有大眾集團、通用集團、PSA集團的底盤調校能力,其中標致和雪鐵龍調扭力梁的能力堪稱一絕,而小公司用后扭力梁純粹是為省錢罷了,而且也非常省空間,備胎容易布局。

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  扭力梁的問題也挺多,最大的問題是左右懸架會互相干涉,舒適性通常不如多連桿,而且那根變截面梁超級難做設計優化,也就大集團能整好。

  扭力梁也有高級一點的形式,比如加入瓦特連桿,我記憶很深的是歐寶Astra,入華之后變成上一代/上上一代威朗,那套瓦特連桿扭力梁就很不錯。

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4
 
非獨立懸架:整體橋

  整體橋有多種形式,比如剛剛提到的瓦特連桿,還有羅素連桿,而我們見得最多的是鋼板彈簧。

  對,鋼板彈簧這玩意不止是彈性元件,還是導向機構的一種。

  整體橋懸掛的舒適性極差,但結構簡單、成本賊低、過載能力老強了,本節中就不展開了,我們留在下一段“彈性元件”里面說。

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各類彈性元件的優缺點分析
1
 
出大力的鋼板彈簧

  分別開五十鈴mu-XD-Max皮卡去越野,后排乘客的乘坐感受差距非常遠,D-Max皮卡后面用了鋼板彈簧,重度越野工況下能把人的五臟六腑顛得七葷八素。

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  鋼板彈簧(Leaf Spring)結構是“出大力”車型用的,乘用車里面也只有科爾維特C7會用它做彈性元件……不過C7用的不是鋼,而是復合玻璃纖維材料,而且采用了橫置的方式,官方稱之為“復合式葉片彈簧”,同樣原理的“板懸”在沃爾沃S90上也有配備,下圖綠色那根就是。

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  鋼板彈簧的結構不復雜,把幾片長度不同、彎曲半徑不同、厚度不一定相同的鋼制簧片碼在一起就是一組彈簧了,下圖還能看到中心螺栓、彈簧夾、卷耳、套管這些輔助結構。當然,鋼板彈簧結構也是要配備減振器的,只不過重卡不是每條軸上都有。

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  商用車用鋼板彈簧做彈性元件,利用了它的高載荷能力,即使長期超載也能扛多很久,壽命結束之后的更換成本也比較低。

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  鋼板彈簧是一種很有趣的低成本高得益的解決方案,它兼顧了彈性元件和結構元件的雙重作用,車輪定位參數變化很小,輪胎盤的摩擦損耗也小,出少錢辦大事。

  不過因為鋼制簧片之間會有各種擠壓和摩擦動作,所以鋼板彈簧也是要潤滑保養的。

2
 
最常用的螺旋彈簧

  空氣彈簧很嬌氣,有時候你看到老A8老S級趴在地面上,不一定是改裝了,只是空氣彈簧塌掉了而已……

  螺旋彈簧就不同了,如今市面上買到的絕大多數乘用車都用它做彈性元件,鋼制螺旋彈簧的壽命基本等同于長生不老,除非刻意破壞或者事故撞擊,不然是不可能會壞的。

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  螺旋彈簧的英文叫helical spring,結構非常簡單,學問卻一點都不少,是工程學里面極為重要的基礎零部件。除了汽車之外,我們用的圓珠筆里面有螺旋彈簧,肉菜市場的秤有螺旋彈簧,門鎖里面有,自動槍械里面也有。

  我們一般見到的車用螺旋彈簧是直卷式的,另一種叫漸進式彈簧(下圖)的玩意采用了不同螺距和直徑,K值隨著壓縮量變化。這個就不展開說了。

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  因為螺旋彈簧有明顯的成本優勢,產業分布成熟且廣泛,壽命極長且故障率基本為0,因此被愛得最深。

  最后放一張螺旋彈簧制作的gif圖,魔性……

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3
 
空氣彈簧并非BBA才玩得起

  Air Suspension,空氣懸架/空懸,翻譯過來直接能意會,就是利用壓縮空氣來當彈性元件的機構,因此稱之為 “空氣彈簧”更為精準。

  從下圖很好地解構了空氣彈簧的幾何結構,它與減振器分離布局在半軸邊上,夾在導向結構中間。

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  剛剛我們提到的那些被動懸架是不能調整阻尼、剛度、行程(高度)的,而空氣懸架作為主動懸架完全能勝任后兩者的調節作用,剩下的阻尼需要交給減振器。

  一個世紀前,鋼板彈簧和螺旋彈簧開始運用的時候,空氣彈簧的概念已經有了,比如太拖拉(Tatra)在1929年就嘗試過給自家卡車裝空氣彈簧,可惜工藝太差了根本量產不了,這工程學困境與后來的可變壓縮比技術一樣。

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  我們不清楚“德國占領捷克斯洛伐克”與“德國豪華品牌戰后發展空氣懸架”有無聯系,但從寶沃到奔馳,從寶馬到奧迪,哪家都是空氣彈簧愛好者。

  你沒看錯,BBBA德系豪門四兄弟是真存在的,只不過寶沃興旺的年代根本沒奧迪什么事,奧迪興旺的年代根本沒寶沃什么事。

  下圖是一根空氣彈簧的剖面圖,這是膜式結構的,平時在高端乘用車上能見到,蔚來ES6加五萬塊能多四根這種空氣彈簧,再加電機功率提升。受限于篇幅,每個部件的功用就不細說了。

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  下圖這個也是空氣彈簧,囊式結構,在商用車上用得比較多。

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  除了這個氣囊之外,空氣彈簧機構還包括蓄壓器、空氣壓縮機、傳感器、底盤控制單元、電磁閥等零部件,都是為上面兩款空懸氣囊服務的。

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  現在中國大城市運行的公交車上,已經裝備了大量的空氣彈簧,一點都不稀奇,隨便刷個2塊錢坐下空調公交就能體驗到了。目前新出廠的低地板公交車基本都是配置空氣彈簧的。

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  空氣彈簧的優勢在于緩振能力強,振動頻率比鋼板彈簧/螺旋彈簧要低很多,性能優異的空氣彈簧車坐起來像坐船穿越平靜海面一樣。

  記憶最深刻的乘車經驗是很久以前坐“廣州-香港”的直通車,“廣州-口岸”段的老式國產大巴很顛,“口岸-尖沙咀”的MAN/Scania進口空氣彈簧大巴就很舒適,就連巴西的馬可波羅大巴都比咱的老款大金龍好使。

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  現在劇情不同了,國產大巴舒適性大幅度提升,不過空氣彈簧在國產重卡中的滲透速度還是有點堪憂啊。

  個人認為,除了商用車空氣彈簧成本高昂之外,無法普及的最重要原因是空氣彈簧無法超載過多……(噓)

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  歐洲空氣彈簧重卡喜歡做這么一種功能設置,在空載或者輕載時,提升一兩根軸“省輪胎”。

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  中國重卡也不跟你玩虛的,筆者就在青藏線上面看到咱老百姓的智慧,空載車從拉薩回格爾木都用 “疊疊樂”。

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  帶空氣彈簧的商用車還可以設置單邊空氣彈簧降低的功能,方便乘客上下車,日本很多公交車都是這樣設置。

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  在軍用領域也可以做出各種妖嬈的體位來。

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  在乘用車領域,奔馳已經將魔毯系統玩出花兒來了,開發了一套“車震模式”……

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  脫困能力一流,越野緩振能力超強。

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  此外,還有混合懸架的形式,比如寶馬530Le就僅僅在后軸上用了兩支空氣懸架,筆者在浙賽跑過這車,運動性能完全無感(狗頭)。

4
 
其他分支

  還有一種神奇的彈性元件叫氣液聯動懸架/彈簧(Hydropneumatic Suspension),氣體作為彈性介質,油液負責調整行程。

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  作為軍事裝備大國,法國研發氣液聯動彈簧也是一流的,在雪鐵龍的車子上也有運用,只不過一直沒作為核心技術引入中國,錯過了市場推廣的最佳時機。筆者曾開過一臺法國原產的氣液聯動C5,緩振能力那叫一個牛,還能隨意升降車身,跟空氣彈簧一樣好玩。

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  氣液聯動彈簧在裝甲車輛中運用比較廣泛。比如瑞典在上世紀50年代研發的Stridsvagn 103(S型)坦克,為了削減坦克高度增強生存能力采用了無炮塔設計,車輛仰俯只能依靠氣液聯動彈簧(懸架)進行,而且還不能行進中射擊。

  現在瑞典陸軍都改用豹2了,S型實在太二太落伍。

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  法軍、英軍、日本自衛隊都有不少氣液聯動車輛,我軍近幾年因為氣液聯動彈簧技術突破因而也多了不少。只不過,軍用氣液聯動彈簧的體積很大,而且故障率比較高,若有戰損則維修極為困難,是一把雙刃劍。

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  另有一種彈性元件叫扭桿彈簧(Torsion-Bar Spring),比鋼板彈簧更輕更小,且不需要潤滑,但結構相對脆弱。當然,如果運用在軍事領域,你可以把它造得無比結實耐操,五常裝甲部隊裝備了特別多有扭桿彈簧結構的裝甲車。

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  比扭桿彈簧更簡單的是橡膠彈簧,就下圖這種橡膠疙瘩,筆者都懶得解釋結構了。

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下集預告

  《懸架》下集,筆者準備把“減振器”和“橫向穩定器”這兩個器說清楚,最后再加一些個人對未來底盤懸架設計走向的不成熟想法,完成這篇已經盡量做得很精簡的萬字技術文章。

(圖/文/攝:太平洋汽車網 黃恒樂)

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