汽车悬挂设计简介

汽车悬挂设计简介

译文：

在一般人眼里，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，它会如何动作？

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。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。

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。

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