讀懂懸架系統(下篇): 空懸與電磁不能類比

2021-08-06 00:10:25 作者:黃恒樂

  【太平洋汽車網 技術頻道】上篇我們花了6000字深入探討了導向機構與彈性元件的各種形式及其優缺點,今天要聊的是減振器與橫向穩定器這兩個“器”,這兩“器”都可以繼續拆分為主動式與被動式。

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各類減振器的優缺點分析
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電磁減振器

  有朋友咨詢購車問題的時候問筆者:“買空氣懸架還是電磁懸架的車好?”

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  這是一個無法回答的問題,因為空氣懸架和電磁懸架根本不是同一種東西。筆者在《懸架》上集提到空懸最好稱作“空氣彈簧”,而這里我要說,電磁懸架最好稱作“電磁減振器”。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  彈簧可以做正功與負功,比如空氣彈簧升起來就是在正功;減振器只能做負功,因此電磁減振器是不可能提升/降低車身高度的。當然,不缺錢的你也可以給車子同時裝備電磁減振器與空氣彈簧,比如下圖的頂配凱迪拉克XTS就全裝上了,把阻尼、剛度、行程全包圓。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  如今一旦電磁懸架/電磁減振器大家都習慣叫MRC。實際上MRC(Magnetic Ride Control)是通用申請的專利商標名,只是太出名了被大家誤以為電磁減振器的統稱。另一家電磁減振器運用“大戶”叫法拉利,他家稱為SCM,而奧迪稱之為AMR。

  電磁減振器的運用歷史并不如空氣彈簧那般遙遠,第一款投入量產化的MRC產品放在2002款凱迪拉克Seville STS車上,接著還在雪佛蘭車型上面用過。你一定好奇怎么定位入門的雪佛蘭也用上了MRC,那是因為我講的是C5科爾維特ZR1超跑……

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  通用玩了幾年之后,法拉利599 GTB和奧迪R8(上一代)都裝上了,奧迪甚至喪心病狂地給二代中期改款S3也下放了一套試試,現在準備開售的四代S3也有裝備,期待中。筆者最近開過的電磁減振車型是凱迪拉克CT5,跑去賽道上面漂移畫甜甜圈很好玩(借來的車最……)。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  跟空氣彈簧需要很大一組配套設施不同,電磁減振器的體積小很多。“起碼得塞得進螺旋彈簧里頭”,這是一套減振器最起碼的職業素養。

  電磁減振器由磁流變減振器MRD、加速度傳感器、控制單元組成,其中MRD是通用跟德爾福聯合攻關研發成的,而德爾福本身就是通用自家的產業,所以通用MRC有技術先發優勢就說得通了。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  電磁減振器內部油液為含有直徑3-10μm磁性粒子的電磁液,沒有傳統的卸載閥和單向閥,改為由電磁感應線圈控制液體流動,新款MRC線圈從一個大的換成兩個小的來加快響應速度。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  電子減振器桶用線圈磁場來控制磁化顆粒流體的流動速度,流速越快→減振器越軟→懸架越舒適,想懸架硬就反過來。電磁減振器可以根據不同的駕駛需求和當前路況進行快速響應,頻率可以做到非常高,凱迪MRC一秒就能有1000次動態響應,主流的主動液力減振系統則是每秒100次左右,這樣可以迅速調整懸架阻尼值,增強過彎支撐的效率,減少車身側傾并提升輪胎側向的抓地力,在賽道上刷圈容易拿到好成績,日常駕駛也可以兼顧運動和舒適。

讀懂懸架系統(下篇): 空懸與電磁不能類比

  換成我同事的通俗語言來總結就是——“起步不抬頭,制動不點頭,劈彎不腿軟,過坑洼不晃動” 。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  同樣的,電磁減振器作為主動式部件也是可以讓駕駛者在車內調參數的,一般有Tour(軟懸架設置)、 Sport(剛性懸架設置)、Track/Race(硬核賽車設置)這三擋。

  再次確認一個概念,裝備電磁減振器的車型,是可以裝空氣彈簧的,但同時裝空懸和電磁的車子叫什么懸架呢?我給你一個最精準的答復:“前后雙A臂多連桿獨立懸架 + 空氣彈簧 + 電磁減振器”。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  作為掃盲貼,最后簡單羅列一些裝電磁減振器的車型,日后吹牛應該用得上。

  通用:ATS(我那臺沒有因為買的乞丐版)、CTS、CT4-V、CT5頂配(賽道極限遠高于330i因而被同事慫恿換購卻因沒錢放棄)、CT-6、凱雷德、科爾維特(C5到C8都有)等等

  福特:Mustang Shelby GT350(筆者非常想開的一臺車)

  法拉利:599、F12、458、FF等

  大眾集團:蘭博Aventador奧迪TT、S3、R8、A6等

  路虎:攬勝極光、發現運動

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絞牙避震(振)

  坊間都叫絞牙避“震”,這個“震”是個代代相傳的別字,準確來說是減振器的那個“振”。絞牙避振英文名Adjustable Absorber,直譯過來就是“可調整的減振器”,秒懂其工作原理。

  實際上,絞牙不止有一組減振器,它還包括彈性元件(螺旋彈簧),是一組完整的彈性總成。

  彈簧硬度的與K值有關,K越大彈簧越硬,但直卷彈簧的K值是堅定不移不容改變的,所以買絞牙的時候必須選對了適合自己的K值買,沒后悔藥吃。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  絞牙分為全長可調和非全長可調。前者分開調節預壓與行程,可以保存固定行程同時調節車高(如下圖);后者混在一起調,車高調整范圍有限。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  阻尼可調是絞牙的一大可玩之處,在減振器頂部會有旋鈕進行調節,一般有8-32段可調,具體看有多高端。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  絞牙有手調版本,也有電調版本(如下圖),甚至還有手機APP控制的電調版本。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  很多時候我們調絞牙不僅單純想降低車高和重心,還想調整前后配重比,讓原本負荷小的減振器更高一些來獲得更高負荷,獲得更好的圈中動態,減少轉向不足/轉向過度。不過,有些人裝了絞牙之后,讓民間科學家給一頓瞎調,把車子動態給調成垃圾了,遠不如原廠彈簧與減振器,還會造成底盤觸底和輪胎偏磨。

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常規的液壓減振器

  液壓減振器(oleo strut)是極為常見的減振器形式,在汽車懸架、飛機起落架中運用得很廣泛,其中彈性元件(比如螺旋彈簧)負責儲存著陸的動能沖擊,液壓減振器快速地來回吸收做負功,進而減少著陸彈跳。

  如果液壓減振器多了阻尼可調功能,那就成了絞牙。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  實際上,液壓減振器和氣液聯動彈簧在結構上是相似的,不過減振器不做正功,而氣液聯動彈簧可以做正功,前文我們提到它可以控制坦克仰俯角,因而歸類于彈性元件。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  此外,減振器也分為復桶式(右)和單筒式(左)。復桶式有外筒與內筒實現油氣分離,我們一般用的都是這種,制造成本更低,行程更長,便宜好使。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  單筒式的油氣是上下分離的,活塞更大,減振性能更好,但造價更高。

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不常見的減振器

  有一種減振器叫“氣壓減振器”,其實并非空氣彈簧,而是液壓減振器的另一種高級方式。氣壓減振器增加了一個氣室(下圖深藍色部分)來調節阻尼與減振器行程,氣室里面一般放高壓氮氣。(@車瑜911)

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  現代液壓減振器量產之前,汽車領域經常用一種桿杠式減振器(lever arm shock absorber),桶里面裝有油液,桿杠撥動的時候攪動油液來做負功。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  裝車之后就是下圖這樣:

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  在桿杠式之前,還有一種更老的車用減振器,叫做摩擦盤減振器(friction disk shock absorber),簡單來說就是兩根桿杠撥動一堆摩擦盤做負功。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  下圖是裝在摩托車前叉上面的一組摩擦盤減振器。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

 
各類橫向穩定器的優缺點分析

  我們一般簡稱橫向穩定器(Stabilizer)為“防傾桿”,或者叫“平衡拉桿”。貌似大家都知道這是防側傾用的,但筆者并不知道它應該明確地分到哪一類底盤構件中比較好。

  車輛的橫向穩定器可以有四組,分布置在前方底部、后方底部、前方塔頂、后方塔頂。

  其中,布置在懸架底部的前/后橫向穩定器分別稱為前底吧/后底吧( “吧”就是Bar),而“底吧”是彈性元件,而且“底吧”可以有被動式與主動式之分。

  布置在懸架塔頂的前/后橫向穩定器分別稱為前頂吧/后頂吧,而“頂吧”是導向機構。

  正因為橫向穩定器有人格分裂,所以我們把它單獨拎出去聊一個。

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前/后車底橫向穩定器

  從命名就能得知,橫向穩定器管得不寬泛,也就管理一下車體的橫向動作而已。所有橫向穩定器都是橫向布局的,如果車輛只是在前/后“移動”、上/下“振動”,橫向穩定器純圍觀不干事,但若左/右“偏轉”動作出現,橫向穩定器就會有一側上揚/另一側下移,被扭轉之后的橫向穩定器就會給出一個反向的力矩以影響彈性元件(上集我們聊過)的變形,進而減少車身橫向傾斜與橫向角振動。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  換成人話來解釋就是,車子會變得更硬更不舒適,但過彎極限更高。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  如果橫向穩定調得不好的話,玩麋鹿測試的時候就會有車輪離地,一旦如此就會有側翻的風險,當然這也跟彈性元件、導向機構的設計與調校有關聯,總而言之很復雜。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  為什么有了彈性元件(彈簧)與減振器(減振筒),我們還需要裝橫向穩定器呢?

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  因為彈性元件是永遠都“在線”的,你用了很硬的彈簧,車子一直都死硬死硬的,你女朋友在車上畫口紅最終畫出《蝙蝠俠》小丑的口紅樣式來。但若你用了比較軟的彈簧再加上濾振能力強的減振器,就可以保證行駛時有不錯的舒適性,而過彎時可以使用更加硬核的橫向穩定器(防傾桿)來支撐橫向力矩,讓車子擁有更強的過彎極限。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  這就是我們為何擁有了導向機構(上集)、彈性元件(上集)、減振器(下集)之后,還需要擁有橫向穩定器的原因。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  底盤調校是可以更加多元化的,前/后/上/下/左/右六個軸向的動作相互輔助也相互制衡,沒必要一硬到底,也沒必要一軟到底。

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電子式橫向穩定器

  電子式橫向穩定器,我們簡稱為“主動防傾桿”即可,在中文語境下我們很少叫前面那個學術名。比不過英文語境下就有很多表達方式了,有叫electromechanical anti-roll bar的,有叫active anti-roll bar的,寶馬弄了個專有名詞叫Active Stabilizer Bar System (ASBS),奧迪的專有名詞則為mechatronic Active Roll Control (eARC),大眾專稱為electromechanical active roll compensation system (eAWS)……

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  無論叫什么都好,這都是一個用得很少的詞匯,而且本體必須被安裝在前/后車底(而不能在塔頂),因此是彈性元件,并非導向機構/結構件。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  主動防傾桿的工作原理與上述被動型號那根金屬彎棍子是一致的,它的不同之處是,在防傾桿中間偏一點的地方布局了一臺步進電機,過彎行程中實時向防傾桿兩側施加相反的力矩,比此前被動式防傾桿的力矩更大,因而可以更好地抑制車輛彎道側傾。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  從下方圖可見,車輛劈彎時的側傾角度從被動式防傾桿(曲線)削減到主動式防傾桿(實線)的位置,防傾能力非常明顯。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  因為提供的力矩較大,因而12V低壓系統(傳統的電瓶)是無法給主動防傾桿提供足夠功率的,必須使用48V電壓系統進行驅動,一般會有超級電容器負責增大瞬間的功率,也即是搭載主動防傾桿的車型至少得是一臺48V輕混車。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  奔馳、奧迪、賓利、蘭博基尼勞斯萊斯目前都在生產運用主動防傾桿的車型,這屬于一項貴族配置了,還沒下方到消費級品牌。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  大眾途銳本身是有主動防傾桿的,但入華之后沒有了,也是挺可惜的。上面這張官方剖視圖可以很清晰看到主動防傾桿(淺藍色)的布置位置與結構樣式。

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前/后塔頂橫向穩定器

  在塔頂安裝的橫向穩定器是結構件,可以一定程度上解決車體本身抗扭剛度不足的問題,比如上篇筆者提到的東南菱帥V3那款前后獨立懸架的5萬元小破車,我們就很推薦大家花幾百塊在機艙里面加一根前頂吧(前塔頂橫向穩定器),這車的車架太軟了,側傾特別嚴重,加了橫向穩定器可以一定程度緩解。

  很多性能車也會加裝類似的裝備,比如下圖就是賓利歐陸GT Speed敞篷版的機艙照片,賓利加了老粗壯的一根前頂吧。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  歐式的太文雅,我們看看美式的前頂吧,蝰蛇GTS機艙X型頂吧,硬又壯。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  下圖是一組來自蘭博基尼Aventador LP750-4 SV的后頂吧圖片,因為人家發動機就裝在后面……

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  那么買菜車呢,發動機在前面,也有裝后頂吧的潛能嗎?

  有,你愿意的話可以剖開后塔頂裝一個,下圖就是給飛度改裝用的快拆式后頂吧。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  不過以下這種就不算了,這是給超跑GK5設計的防滾架,里面正好有一根后塔頂橫向穩定器而已。

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  被動的橫向穩定器有好幾種材質可選,比如鋁合金的、全鋁材的、鋁鋅合金的等等,但這些都不如主動的橫向穩定器厲害。

 
《懸架》總結

空氣懸架與電磁懸架不能類比

  1、對于導向機構而言,是整個懸架系統的骨架,對一臺車的操控性能與舒適性能的決定性比較大,因而看懸架的時候可以先看導向機構。如今多數消費級乘用車都選用前麥弗遜、后扭力梁的設定,而高階車型比較喜歡用前后雙A臂及其各類變種。

  2、導向機構的結構的確很重要,但導向機構的材質選擇與細節調校也頗為重要,這一點是中國汽車企業的大缺陷。扭力梁不好?PSA工程師會教你做人。總而言之,多連桿不代表好,扭力梁不代表差,豐田四代凱美瑞“筷子三連桿”(@D仔的汽油頭 老師的文章提到過這臺車),再牛也牛不過調校得好的斯柯達明銳扭力梁。

  3、彈性元件對懸架性能的影響也比較大,目前綜合性能最好的彈性元件是空氣彈簧,但給家用車裝空氣彈簧有很高的成本門檻。隨著汽車電氣化進程推進,汽車產品的單價越來越高,不少中高端產品開始配備空氣彈簧,比如蔚來全系、紅旗H9紅旗HS7等等。

  4、螺旋彈簧在乘用車領域的市場占比,鋼板彈簧在商用車領域的市場占比,基本是不可撼動的,成本優勢擺在這里。

  5、在減振器領域,電磁減振器誠然是當前綜合性能最好的,有技術先發優勢的凱迪拉克陸續上市了很多MRC電磁減振器車型,攬運和Aventador之類的豪車也會繼續裝備,而且有希望下放到其他豪華車型上。

  6、主動式減振器的效果明顯比被動式減振器好,但目前市場主流依然是被動的液壓減振器。現在很多年輕人喜歡改絞牙,但很多門店不會調絞牙,民科們能把圈速調得更慢。

  7、空氣彈簧和電磁減振器自然是象牙塔頂端的產品,貴有貴的產品價值,但便宜也有便宜的超高性價比,因此選哪種彈簧和哪種減振器,還是得看自己荷包厚度行事。最可惜的是雪鐵龍氣液聯動彈簧,這款法式黑科技非常好用,只是入華之后就被閹割了。

  8、智能汽車時代,人類操作汽車的占比會越發減少,對于底盤操控這種特別花時間與成本的研發事項而言,只會得到越來越少的資金支持。當人類幾乎不用操縱汽車時,請問還要操控干嘛呢?因此,希望享受操控樂趣的朋友,是時候出手買好玩的車了。

  9、電動汽車時代,放置在兩軸之間的動力電池越做越大,車的軸距越來越長,操控變得越發弱雞,但汽車工程團隊可以植入更多電子設備去彌補幾何結構上的缺陷,底盤懸架系統的電氣化時代也隨之到來了。

(文:太平洋汽車網 黃恒樂)

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