读懂悬架结构(上篇):麦弗逊并非低级货

2021-08-01 00:10:56 作者:黄恒乐

读懂悬架结构(上篇):麦弗逊并非低级货

 
何为悬架?

  随着中国经济这20多年来的迅猛发展,汽车已然进入千家万户,汽车基础知识也逐渐得到普及。老一辈的购车者特别关注品牌,再是发动机、变速箱、油耗等;新世代购车者会关注底盘操控、移动互联、环保形象、经销商服务等更深层次或更新颖的因素。

  悬架作为底盘的一部分,对于普通消费者而言往往只可意会不可言传,很多人只能依靠“悬架结构”来判断车辆底盘运动性能的优劣。大错特错!这与“通过轴距判断后座空间”一样是伪科学。

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  一来,结构并不直接决定操控,只决定了物理性能的上限和下限,后期调校的功劳也很大;二来,不少消费者混淆了悬架的诸多概念,最常见的错误是把弹性元件和导向机构进行对比,比如问空气悬架和多连杆悬架谁更高级;亦或将弹性元件和减振器进行对比,比如问空悬和MRC电磁悬架谁更牛。这是不会有结论的。

  笔者用图文形式将内容“浓缩”至一万字左右,分上下篇发布,希望可以帮助读者们彻底读透悬架方面的基础知识,更精准地选车购车,以及少闹笑话。

 
解构悬架的结构

  Suspension,中文译作“悬架”、“悬挂”、“悬吊”、“悬载”等词汇,都指的是同一种用于连接车辆和车轮的总成。

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  因为要维持车与轮的动态几何关系,也要进行减振等工作,因此悬架是必不可少的。有些人会说“卡丁车是没有悬架的”,这并不甚精准,卡丁车只是没有弹性元件和减振器,不代表没有导向结构,不然车轮怎么挂在底盘上呢?又如何转向呢?

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  进入主题。我们将悬架结构分为以下四大部分,有些课本会分为三大部分(取消第四“横向”稳定器):

1
 
导向机构/结构部件

  平时提到的麦弗逊、双A臂、五连杆、扭力梁、钢板弹簧(两重身份)等等,都属于悬架结构的导向机构,或者叫结构部件,负责传递力和力矩,维持几何关系。

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  全车间英文最好的张全蛋,视频中的中英文翻译都是错的。 张全蛋说的“底大杠”其实不是扭力梁,而是非承载车身中用到的车身大梁。

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2
 
弹性元件/支撑媒介/弹簧

  空气弹簧、螺旋弹簧、钢板弹簧、气液联动弹簧等部件分为这一类,属于弹性元件,也可称为支撑媒介,与本车是否“独立悬架”无关。

  从上世纪70年代开始,主流汽车品牌开始研发主动悬架,率先运用在80年代初的F1赛车之上。现在我们能见到空气弹簧和气液联动联动弹簧都是主动悬架,其余多数都是铁脑袋不会思考的被动悬架。

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3
 
减振器

  用来衰减振动的部件,也就是阻尼桶。下图被螺旋弹簧包着的那根就是减振阻尼桶,结构上分为主动式减振器(会思考的)和被动式减振器(常规的)。

  能量不会凭空消失或者产生。如果没有阻尼桶,弹性元件会不断振动下去直至能量被缓慢分散,这样一来我们坐的车子就会上下振动个不停。弹簧负责刚度,是储能装置;减振器负责阻尼,是耗能装置。两者不可混为一谈。

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4
 
横向稳定器

  防侧倾的“防倾杆”,不过不知道分到哪一类比较好。

  从作用上看,防倾杆和弹性元件归纳在一起比较合适;从安装位置上看,防倾杆与导向机构比较亲近。

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  对于以上四大部分,《悬架》系列将分上下文进行深度剖析。

 
各类导向机构的优缺点分析

  我们先来说说导向机构,这是汽车悬架结构当中最重要的部分,相当于人体的骨架,同时也是我们日常购车过程中接触得最多的悬架结构部分,非读不可。

  各种导向机构之间的区别很大,大类可以分为独立和非独立,消费者一般认为独立悬架更高级,这是对的也是错的,准确来说是“独立悬架下限和上限都更高”。

1
 
独立悬架:麦弗逊

  麦弗逊悬架(McPherson suspension)可谓家喻户晓,因为现在市售车型当中绝大部分的前悬挂都用麦弗逊,特别是微型、小型、紧凑型和一部分中型车。

  麦弗逊悬架的结构非常简单,下图是麦弗逊(左)和双A臂(右)的结构对比图,没对比就没伤害,可见麦弗逊约等于少了一个A臂的双A,横向支撑性肯定不如双A好。

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  视觉上看到的和真实操控感受到的,基本不会差太远,但这就代表麦弗逊很次吗?

  不是,现在多数乘用车都在用,你也不会觉得自家车子每次转弯都要崴脚了呀,保时捷718系列还是前后麦弗逊悬挂呢,谁敢说718没运动性能?当然,保时捷的麦弗逊比较高级,用的是分体式下摆臂,铝合金使劲往上堆, 911的前悬就是麦弗逊你没意见吧。

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  因为少了上面的连杆,所以麦弗逊只能使用“螺旋弹簧+减振桶”这个组合来当另一根杆,问题就来了这“螺旋弹簧+减振桶”不是一根硬邦邦的零部件啊,使劲掰它,它会被掰弯的……

  所以麦弗逊悬架多数采用的是本身就被掰弯的螺旋弹簧(后文我们会聊到),在受力状态下就打直了,这时候才不会让螺旋弹簧跟减振桶一直磨蹭,降低两者的使用寿命。

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  既然麦弗逊有以上缺点,为什么多数厂家都选择它呢?便宜!对,但不全对,品质优秀的麦弗逊结构也非常非常贵,比如保时捷的那两组,车企们坚持用麦弗逊有些时候是因为麦弗逊占据的空间非常小,特别是在横置车型当中可以腾出很多地方安放横置发动机与变速箱,而纵置发动机采用多连杆(包括双A臂)前悬架一定程度是因为纵置发动机不需要太多的横向空间。

  便宜、省空间,结构也相对简单,零部件少,固紧件少,麦弗逊的优势比劣势要大,选择它绝对是明确的。

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  曾经的中型运动车标杆宝马3系(对,“曾经的”)就很喜欢用麦弗逊,当然人家用的是双球铰麦弗逊,把下面的三角臂拆分成两个活动摆臂,自由度更高,转向精准度更高,性能、舒适、成本都可以平衡到,所以我买的那台ATS-L就直接用了E90那套双球铰麦弗逊,老好开了我跟你说……

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  麦弗逊还有好多种变体,这里就不一一细拆了。

2
 
独立悬架:多连杆

  前后独立悬架就一定高级吗?你没开过东南菱帅V3吧,那台新车才5万块的玩意就是前后独立,不加顶吧开起来跟软脚蟹似的,又颠又倾,被你们骂上天的断轴速腾(后扭力梁减配款)开起来比V3好太多,只要轴没断。

  多连杆结构有很多种,按数字来分类比较好理解(但专业人士会骂我不专业,好在他们不看我的科普文),我们就说三连杆、四连杆、五连杆吧。

  三连杆我们在麦弗逊那节说过了,把下面的三角臂拆分成两个活动摆臂的“双球铰麦弗逊”,有些人把它归类在麦弗逊高级变种,也有人把它定义为多连杆,3系、ATS、汉EV就用的这种。定义这个事随便了,不重要。

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  再放一个gif会显示得更清晰一些,注意最右边那根不是控制臂,而是转向拉杆。

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  前文提到的双A臂,也叫“双叉臂”,是多连杆的一种,而且有好几种变体,比如双球铰型、三球铰型、四球铰型,球铰越多,灵活性就越强,操控极限越高。

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  比如奥迪A8、大众途锐、保时捷卡宴这种纵置发动机的豪华车,前舱有很大的空间用来布局悬架,就可以用高端的四球铰双A臂结构,上下摆臂均由前后两根控制臂单独与转向节相连接的四球铰结构,让力和力矩更为均匀地分布在叉臂上,调校成本和物料成本都很高,但舒适性、过弯极限、转向细腻度都更高。有钱可以任性。

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  但是有些四连杆又不叫四连杆,如果它们是最高级的四球铰型,而且还加入了一根前束控制杆,所以官方会称他们的悬架为“五连杆悬架”,途锐的官方资料就是这样写的。下图是宝马5系的后五连杆,标红的便是四球铰型双A臂再加一根前束控制杆。

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  总而言之,多连杆也有材料太菜、工艺太菜、调校太菜的角色,麦弗逊不一定比多连杆弱,当然市售多连杆多数都比麦弗逊强,因为做得好的多连杆又复杂又死贵,还特别难调校,还特别占空间。

3
 
非独立悬架:扭力梁

  扭力梁在经济型乘用车后悬上面用得非常广泛,因为结构非常非常非常简单,所以笔者不打算展开说太多了。

  后扭力梁被认为是减配其实也很正常,因为多数后扭力梁车型都取消了副车架,成本下限可以做到很便宜,上限也不低,因为调校其实很花钱。

  调校得很好的扭力梁车型也能很强,比如高尔夫7平民版就是取消了高尔夫6的多连杆,变成了扭力梁后悬,而大众调校能力的确很牛,过弯极限依然高。

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  问题是,多数车企都没有大众集团、通用集团、PSA集团的底盘调校能力,其中标致和雪铁龙调扭力梁的能力堪称一绝,而小公司用后扭力梁纯粹是为省钱罢了,而且也非常省空间,备胎容易布局。

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  扭力梁的问题也挺多,最大的问题是左右悬架会互相干涉,舒适性通常不如多连杆,而且那根变截面梁超级难做设计优化,也就大集团能整好。

  扭力梁也有高级一点的形式,比如加入瓦特连杆,我记忆很深的是欧宝Astra,入华之后变成上一代/上上一代威朗,那套瓦特连杆扭力梁就很不错。

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4
 
非独立悬架:整体桥

  整体桥有多种形式,比如刚刚提到的瓦特连杆,还有罗素连杆,而我们见得最多的是钢板弹簧。

  对,钢板弹簧这玩意不止是弹性元件,还是导向机构的一种。

  整体桥悬挂的舒适性极差,但结构简单、成本贼低、过载能力老强了,本节中就不展开了,我们留在下一段“弹性元件”里面说。

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各类弹性元件的优缺点分析
1
 
出大力的钢板弹簧

  分别开五十铃mu-XD-Max皮卡去越野,后排乘客的乘坐感受差距非常远,D-Max皮卡后面用了钢板弹簧,重度越野工况下能把人的五脏六腑颠得七荤八素。

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  钢板弹簧(Leaf Spring)结构是“出大力”车型用的,乘用车里面也只有科尔维特C7会用它做弹性元件……不过C7用的不是钢,而是复合玻璃纤维材料,而且采用了横置的方式,官方称之为“复合式叶片弹簧”,同样原理的“板悬”在沃尔沃S90上也有配备,下图绿色那根就是。

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  钢板弹簧的结构不复杂,把几片长度不同、弯曲半径不同、厚度不一定相同的钢制簧片码在一起就是一组弹簧了,下图还能看到中心螺栓、弹簧夹、卷耳、套管这些辅助结构。当然,钢板弹簧结构也是要配备减振器的,只不过重卡不是每条轴上都有。

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  商用车用钢板弹簧做弹性元件,利用了它的高载荷能力,即使长期超载也能扛多很久,寿命结束之后的更换成本也比较低。

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  钢板弹簧是一种很有趣的低成本高得益的解决方案,它兼顾了弹性元件和结构元件的双重作用,车轮定位参数变化很小,轮胎盘的摩擦损耗也小,出少钱办大事。

  不过因为钢制簧片之间会有各种挤压和摩擦动作,所以钢板弹簧也是要润滑保养的。

2
 
最常用的螺旋弹簧

  空气弹簧很娇气,有时候你看到老A8老S级趴在地面上,不一定是改装了,只是空气弹簧塌掉了而已……

  螺旋弹簧就不同了,如今市面上买到的绝大多数乘用车都用它做弹性元件,钢制螺旋弹簧的寿命基本等同于长生不老,除非刻意破坏或者事故撞击,不然是不可能会坏的。

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  螺旋弹簧的英文叫helical spring,结构非常简单,学问却一点都不少,是工程学里面极为重要的基础零部件。除了汽车之外,我们用的圆珠笔里面有螺旋弹簧,肉菜市场的秤有螺旋弹簧,门锁里面有,自动枪械里面也有。

  我们一般见到的车用螺旋弹簧是直卷式的,另一种叫渐进式弹簧(下图)的玩意采用了不同螺距和直径,K值随着压缩量变化。这个就不展开说了。

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  因为螺旋弹簧有明显的成本优势,产业分布成熟且广泛,寿命极长且故障率基本为0,因此被爱得最深。

  最后放一张螺旋弹簧制作的gif图,魔性……

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3
 
空气弹簧并非BBA才玩得起

  Air Suspension,空气悬架/空悬,翻译过来直接能意会,就是利用压缩空气来当弹性元件的机构,因此称之为 “空气弹簧”更为精准。

  从下图很好地解构了空气弹簧的几何结构,它与减振器分离布局在半轴边上,夹在导向结构中间。

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  刚刚我们提到的那些被动悬架是不能调整阻尼、刚度、行程(高度)的,而空气悬架作为主动悬架完全能胜任后两者的调节作用,剩下的阻尼需要交给减振器。

  一个世纪前,钢板弹簧和螺旋弹簧开始运用的时候,空气弹簧的概念已经有了,比如太拖拉(Tatra)在1929年就尝试过给自家卡车装空气弹簧,可惜工艺太差了根本量产不了,这工程学困境与后来的可变压缩比技术一样。

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  我们不清楚“德国占领捷克斯洛伐克”与“德国豪华品牌战后发展空气悬架”有无联系,但从宝沃到奔驰,从宝马到奥迪,哪家都是空气弹簧爱好者。

  你没看错,BBBA德系豪门四兄弟是真存在的,只不过宝沃兴旺的年代根本没奥迪什么事,奥迪兴旺的年代根本没宝沃什么事。

  下图是一根空气弹簧的剖面图,这是膜式结构的,平时在高端乘用车上能见到,蔚来ES6加五万块能多四根这种空气弹簧,再加电机功率提升。受限于篇幅,每个部件的功用就不细说了。

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  下图这个也是空气弹簧,囊式结构,在商用车上用得比较多。

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  除了这个气囊之外,空气弹簧机构还包括蓄压器、空气压缩机、传感器、底盘控制单元、电磁阀等零部件,都是为上面两款空悬气囊服务的。

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  现在中国大城市运行的公交车上,已经装备了大量的空气弹簧,一点都不稀奇,随便刷个2块钱坐下空调公交就能体验到了。目前新出厂的低地板公交车基本都是配置空气弹簧的。

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  空气弹簧的优势在于缓振能力强,振动频率比钢板弹簧/螺旋弹簧要低很多,性能优异的空气弹簧车坐起来像坐船穿越平静海面一样。

  记忆最深刻的乘车经验是很久以前坐“广州-香港”的直通车,“广州-口岸”段的老式国产大巴很颠,“口岸-尖沙咀”的MAN/Scania进口空气弹簧大巴就很舒适,就连巴西的马可波罗大巴都比咱的老款大金龙好使。

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  现在剧情不同了,国产大巴舒适性大幅度提升,不过空气弹簧在国产重卡中的渗透速度还是有点堪忧啊。

  个人认为,除了商用车空气弹簧成本高昂之外,无法普及的最重要原因是空气弹簧无法超载过多……(嘘)

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  欧洲空气弹簧重卡喜欢做这么一种功能设置,在空载或者轻载时,提升一两根轴“省轮胎”。

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  中国重卡也不跟你玩虚的,笔者就在青藏线上面看到咱老百姓的智慧,空载车从拉萨回格尔木都用 “叠叠乐”。

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  带空气弹簧的商用车还可以设置单边空气弹簧降低的功能,方便乘客上下车,日本很多公交车都是这样设置。

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  在军用领域也可以做出各种妖娆的体位来。

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  在乘用车领域,奔驰已经将魔毯系统玩出花儿来了,开发了一套“车震模式”……

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  脱困能力一流,越野缓振能力超强。

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  此外,还有混合悬架的形式,比如宝马530Le就仅仅在后轴上用了两支空气悬架,笔者在浙赛跑过这车,运动性能完全无感(狗头)。

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其他分支

  还有一种神奇的弹性元件叫气液联动悬架/弹簧(Hydropneumatic Suspension),气体作为弹性介质,油液负责调整行程。

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  作为军事装备大国,法国研发气液联动弹簧也是一流的,在雪铁龙的车子上也有运用,只不过一直没作为核心技术引入中国,错过了市场推广的最佳时机。笔者曾开过一台法国原产的气液联动C5,缓振能力那叫一个牛,还能随意升降车身,跟空气弹簧一样好玩。

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  气液联动弹簧在装甲车辆中运用比较广泛。比如瑞典在上世纪50年代研发的Stridsvagn 103(S型)坦克,为了削减坦克高度增强生存能力采用了无炮塔设计,车辆仰俯只能依靠气液联动弹簧(悬架)进行,而且还不能行进中射击。

  现在瑞典陆军都改用豹2了,S型实在太二太落伍。

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  法军、英军、日本自卫队都有不少气液联动车辆,我军近几年因为气液联动弹簧技术突破因而也多了不少。只不过,军用气液联动弹簧的体积很大,而且故障率比较高,若有战损则维修极为困难,是一把双刃剑。

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  另有一种弹性元件叫扭杆弹簧(Torsion-Bar Spring),比钢板弹簧更轻更小,且不需要润滑,但结构相对脆弱。当然,如果运用在军事领域,你可以把它造得无比结实耐操,五常装甲部队装备了特别多有扭杆弹簧结构的装甲车。

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  比扭杆弹簧更简单的是橡胶弹簧,就下图这种橡胶疙瘩,笔者都懒得解释结构了。

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下集预告

  《悬架》下集,笔者准备把“减振器”和“横向稳定器”这两个器说清楚,最后再加一些个人对未来底盘悬架设计走向的不成熟想法,完成这篇已经尽量做得很精简的万字技术文章。

(图/文/摄:太平洋汽车网 黄恒乐)

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