admin 百科大全 2023-04-07 9:03:29

汽车内裤里的秘密-悬架技术（1）

最近因为老爷子过世引发了一连串的事情，没有时间也没有心情更新，非常抱歉让各位久等了！为了配合灰皮书的推出本期内容临时进行了调整，包括以后若干期也会是技术类的讲解，包括对主流发动机、变速箱、车身、悬架、碰撞安全、四驱、重要电子设备以及灰皮书的详细评价内容的通俗化解释，本篇文章为第一篇，从最基础的悬架开始把市面主流的悬架技术捋一遍，看看他们的有什么不同。

之所以选择悬架作为技术文章的起点，主要是因为悬架这个东西很奇特，奇特在即使你完全不具备专业知识，你自己仍旧可以造出一副悬架来，只是效果好坏的问题，但是如果是其他的技术，比如发动机或变速箱什么的，没有专业知识造出来的可能完全无法运行。

在弄清悬架之前，首先要建立一个基本的概念，这个基本概念与我们日常对汽车的认识完全相反，通常情况下，完全不具备汽车系统知识的人会把汽车当成一个整体来看待，但在实际运行中并不是这样，事实上汽车可以看作是一个由车体（包括车身、座椅、仪表、方向盘、乘员）和底盘（包括车轮、转向和制动附件）组成的两套系统，整车运动其实是底盘挟持着车体完成的，没错，不是底盘跟车体商量着“你配合我一下，咱们一起跑好不好”，而是底盘直接挟持车体一起跑。

为了让大家明白这个概念，我们举一个穿越的例子来说明：现在请你闭上眼睛，设想一下你穿越成了二师兄，对，就是大家常说的这位二师兄。

穿越的时间是在大师兄因为三打白骨精被驱逐之后，你们在一路向西的过程中又碰到了大麻烦，三藏再次落入吃货的手里，你必须去请大师兄出山帮忙。到了花果山大师兄的一群小猴子们却不认识你，你们一场混战，最后小猴子们用迷药搞定了你，并把你举起来去见他们家大王。

假如举你的小猴子恰好有四只，而且这四只猴子长相和身材一模一样，这样你和四只猴子就变成了一个模拟的汽车，这个模拟的汽车由两个大的系统构成，一个系统是二师兄的庞大身躯，身体里面装了什么不用管，而且二师兄是脖子僵硬四肢并拢的，只能被小猴子调戏而没有权利调戏小猴子，这其实就是一个车体的真实状态，另一个系统是四只小猴子组成的底盘，他们可以帮助你移动，也可以调戏你，但是这四只猴子也并不轻松，他们要保证你的身体尽量保持平直的抬走。好了，现在我们要看看猴子们的操作方式会对你产生什么样的影响。

第一种情况：假如由两只猴子举起你的头部，另外两只猴子举起你的脚部，结果你肥大的身躯可能从中间掉下来，或者去水帘洞的路弯道太多，两边都是石壁，这样抬着根本没法拐弯。这时，前两个猴子到后两个猴子的距离太长，属于长轴距的问题。所以，大车有大车的好处，也有大车的劣势，你如果真的需要一辆大车，考虑你经常走的路适不适合。

第二种情况：假如前两只猴子举着你的头，后两只猴子举着你的腰，你肥大的屁股会从后边掉下来，同时由于前边太轻，后两只猴子可能跟不上前两只猴子的步伐，这就是短轴距和前后配重不合理的问题，二师兄这个车体只能拖在地上前进。

第三种情况：假如前两只猴子举着你的腰，后两只猴子举着你的脚，你的头部可能会受不住塌下来，就算能行走，前面两只猴子刹车的话，后面的猴子仍然会往前怼，你可能会跌成一个猪拱泥的姿势，这个也是前后配重的问题，前两只猴子是两个前轮前轴，后两只猴子是后轮后轴。

所以车辆的轴负荷实际非常影响车辆的性能，不但影响车辆的性能，还会影响车辆的寿命，前轴负荷太重的一定会加重悬架的负担，如果前悬架是麦弗逊式的（就是常见的那种），而麦弗逊式的悬架本来就是不耐用的结构，如果恰好你又喜欢闪电制动，制动的推头更加加重悬架的负担，另外不同的轴负荷对于前后轮胎的胎压要求不同，这也会对轮胎使用造成影响。

第四种情况：假如前两只猴子分别举着你的两个肩膀，后两只猴子分别举着你的两个屁股，这样既可以托住你的身体，不会出现推土或者拖地模式，前后四只猴子需要使用的力气也差不多，这样最方便移动。不过这四种情况跟我们要说的悬架还没攀上关系，好了，四只猴子的位置确定了，我们换个角度钻到二师兄的身体下面，再来看猴子们举你的方式对你会产生什么影响。

第一种变化：只顶着无固定。如果四只小猴子只用头顶着你前进，这时猴子的头顶和二师兄的身体没有任何固定，那么猴子们必须要小心翼翼的往前走，稍不注意二师兄就会滑下来，这样哪能顺利抬上山呢，只要稍微有一点坡度，猪身就会滑下来，所以不靠谱！

这种情况其实相当于在车子底下只安装四根弹簧，猴子们可以通过伸缩脖子或者腿部来缓解行走造成的颠簸，除了增加了二师兄的舒适度外，基本没有什么用处，既不能转弯，也不能上下坡，加速和制动都会引起猪身的脱落。

弹簧这个东西，地球人都知道，它的最大特性就是只会反复伸缩，如果被拉长或压缩，弹簧很难通过自身的特性恢复原状，只能反复地跳，这样用在车上不合适，比如你压到一块石头上，车子就得跳半天，就算有人认为这个模式适合车震，但是震着震着车子就塌了恐怕也不合适！

实际的弹簧元件弹性系数很大，普通人的两只手臂是无法有效压缩的，强调这个是不要误以为汽车悬架的弹簧用两只手指就能捏着玩，但是当有近千公斤的车体压在上面的时候，这种压缩还是有的，尤其是当弹性系数偏小的时候，这也是有些车塌屁股的主要原因，过于频繁的载重造成了弹簧的失效连带着引起整个悬架系统的塌陷。

第二种变化：不但顶着，而且固定。如果把猴子们的脑袋全都楔到二师兄的身体里，并且通过螺栓固定起来，这样就会牢固多了，我们先别管猴子们会不会疼，这样不仅能够加速和停止，也能够应付一定的上下坡问题，相对就会稳定很多。

在实际的汽车中，这样相当于不仅安装了弹簧，还附带了一个固定的减震器，在实际的汽车中，弹簧只能起到上下方向的支撑，而减震器还可以前后左右移动的支撑，同时提供对车体的控制力，另一方面，弹簧的作用是缓冲，但弹簧本身会反复伸缩，减震器是把弹簧的反复伸缩的势能逐渐快速消耗掉，这样弹簧就会逐渐恢复成正常的工作状态，否则车身就会一直跳个不停。

实际的车体重量就是靠着减震器和车身的刚性连接来支撑的，不过问题在于，对车辆的横向受力减震器的在控制精度上和力度上是有限的，所以车子还是会前后左右晃，如果晃动得太大，很容易把减震器撅折。

为了应对这种问题，强化减震器对车体在横向力量上的控制，通常每个减震器是通过3-4个螺栓固定在车身上的，这样全车的车体就会有12只-16只螺栓与减震器固定，在有些车席上，我们在引擎舱的避震塔上可以明显的看到这些螺栓的存在，通过这样的方式晃动就会好很多！

但仅仅这样，对前后左右的晃动控制仍然是有限的，而且反复的晃动会造成螺栓和车体的损伤，这也是为啥有些车体自然锈蚀解体的地方总是从避震塔周围开始的原因。

第三种变化：一只手固定。由于四只小猴子的工作效率太低，老猴子们实在看不下去了，只好另外选了四个能干的猴子出来，这次他们吸收了前四只猴子的优秀经验，不但把头固定在了猪身上，同时又用一只手抓住猪的身体，这样以来二师兄就牢固多了，走的也更快更稳了！

聪明的猴子们很容易就解决了这个问题，根据天朝史书《西游记》记载，猪八戒去花果山请救兵是为了救唐僧，那么由此推断他们解决问题的时间大约是在唐王朝的初期，而汽车圈子解决这个问题是一直到1930年代才搞定，是由雪佛兰汽车的一个叫麦弗逊（Macphersan）的工程师设计出来的，所以也叫做麦弗逊式悬架，体现在实际的车子上就是在四个车轮上各加上一根杆子与车身连接起来，杆子的两头可以灵活转动，这样既能应对上下晃动，还可以加强对车身横向力道（前后左右）的控制。

不过这样也有一个缺点，就是这些杆子与车身连接的地方老是会震动，而且嘎吱嘎吱的响，会让乘客觉得下面老是有很多猴子想挠他们的屁股！为了解决这个感觉挠屁股的问题，于是又在车下加了一层钢制的垫子，把杆子固定在垫子上，把垫子固定在车身上，这样杆子的震动就会直接传到垫子上，再传到车身上震动就小了很多，这个垫子就是传说的副车架。

事实上你会发现，这种在底下加杆子的方式相当于在轮毂上长了一只胳膊抓住了副车架，通过这只胳膊来控制副车架进而控制车身，当车轮左转时，左边的胳膊可以拉着车身往左转，右边的胳膊可以推着车身往左转，右转时左边的胳膊可以推着车身往右转，右边的胳膊可以拉着车身往右转，这就是我们在上面所说的挟持运动。

到这里你还会觉得悬架有任何神奇之处吗？这个胳膊连同后面我们要说的各种连杆统称为Arm，啥叫Arm呢，在汽车英文里Arm就是胳膊的意思，只是翻译的时候文言化了，叫做臂，上图的这只胳膊就叫下控制臂，我们也把这玩意叫做“麦弗逊之手”，操控操控，就是相当于有很多只手在底下控制车体，正是因为这个原因，所以我们把神话操控的一切言行都视为神经病。

麦弗逊之手是一项伟大的发明，从此使汽车操控变成了一项简单易行的工程，这也是通用汽车的贡献，如果把上图的手臂换成杆子，就是下面这种情况，实际上这就是麦弗逊式悬架的基本原理图。

但是一根杆只能有限控制横向的力量，如果再多出一根手臂来，不但能够控制横向的力量，还可以控制有些歪斜的力量，把这两根手臂换成两根杆，就变成了下面的模式。

可是两根杆的活动自由度太大，不好定位，在两根杆之间连上一根固定杆，就变成了一个三脚架，通常说的三角稳定性在这里就体现了出来，不仅使两根杆更牢固，也方便定位和安装。

如果我们不要杆子，直接把两个车轮用一根轴连起来，也是可以的，这种方式就是梁式结构的悬架，在麦弗逊式悬架发明之前，一直都是这种类型的（包括前悬架），我们现在所说的扭力梁、拖曳臂等都是在这种梁式悬架基础上发展而来的，也就是常说的“板车悬架”。

梁式悬架有一个非常明显的缺点：一处歪，处处歪！当一个车轮压在石头上或马路牙子上面的时候，初期的过程并不会把车子顶起来，因为弹簧和减震器可以压缩的，这时的车仍旧是可以保持平衡的，这一点也是和我们日常的直觉不一样的地方，记住：车体永远都在保持固有的运动姿态，直到有外力（悬架的控制力）改变这种状态为止。但是当石头太大或者这个马路牙子太长的时候，弹簧和减震器的压缩就会释放，释放以后就会把车子顶起来，这时整个车都是歪的，里面的人当然也前仰后合，像下图这个样子。

如果是在高速弯道上，由于较大的高速离心力的作用，会使整个车的重量向弯道外侧偏移，由于梁式悬架的轮胎和地面近似垂直（实际上有很小的偏角），这时不但内侧的轮胎会离地，外侧轮胎的内侧也会脱离地面，一旦轮胎脱离地面（相当于脚离开地面），车子没有轮胎的抓地，就可能处于失控的状态。

但是麦弗逊式悬架却可以在障碍物不太大的情况下一处歪，但整车却能保持水平状态，因为麦弗逊式悬架的每一个悬架支撑机构是相互独立的，下面的杆可以在一定角度内转动以适应受压车轮的倾斜，从而最大限度的保证轮胎充分接触地面，所以独立悬架对于操控的影响是两方面的，一是提供更多方向的对车体的控制力，二是为保证轮胎最大限度的抓地，但梁式悬架在这两个方面的先天能力不足。

为了防止左右独立悬架相互跳动时错位的厉害，所以通常会在左右减震器上连接上一根扭杆弹簧来限制它们过大的相对跳动，这根扭杆弹簧就叫做横向稳定杆（下图红色示意），它实际上是一根像蛇一样的钢棍，但是是有弹性的，所以叫做扭杆弹簧，后面我们会看到实物。

1-麦弗逊式悬架

费了这么多口水，我们终于可以得到一个真正的麦弗逊式悬架了，下图是两种不同形式的麦弗逊式悬架的拼接图，左边的是一种，右边的是另一种，只是在这个图里把它们拼在了一起，实际的车上当然不会是这个样子，可以近似的把它们看作左右对称的结构。

图中粉色的是下控制臂，也就是上面说的三脚架结构（这张平视图看不出来），左边和右边的差异主要在于左边深绿色减震器和支架向下延伸到了下控制臂上，这种形式一般用在中大型车上，因为中大型车需要承受更大的重量，而右边则没有，主要用在小型车上，这个道理很简单吧。

顶部红色的部分就是上面所说的减震器和车身固定的位置，黄色的螺旋是弹簧，蓝色的是固定在车轮轮毂上的羊角架（因为伸出来像羊角所以叫羊角架），通常用来安装减震器、连杆、控制臂等，根据减震布局和连杆控制臂的不同，羊角的数量会有不同，浅蓝色的长蛇形状的杆子是横向稳定杆，与下控制臂连接的亮绿色整体则是副车架。在这个系统里滤震分为七个级别来处理的：

通过轮胎的小变形吸收路面的细小的不规则震动。

通过轮胎的相对较大变形吸收小石子类的东西造成的较大震动。

通过控制臂的衬套和衬垫（通常采用橡胶或液压）隔绝对副车架的震动和冲击。

通过副车架消化控制臂隔绝不了的震动冲击。

通过弹簧和减震器主要应对地面较大的起伏。

通过左右独立的悬架来应对地面起伏造成的整车的抬升（相对于非独立悬架）。

通过横向稳定杆来应对左右独立悬架相对离谱的跳动。

基于这7个级别的处理可以看到，麦弗逊式悬架天生是为舒适性而生的，虽然能够进行横向力的控制，但是控制点相对较少，由于麦弗逊式悬架的车体与减振器连接的地方（俗称避震塔）由于长期受力，如果车身钢板质量较差，或者漆面质量较低又被雨水或洗车水侵蚀，很容易导致减震器和车身的连接点出现锈蚀问题，所以有些车会在这种固定位置加上防水盖，同时这也是车体钢板比较厚实的地方，如果有人要用手按压这里的钢板，我保证他按不动。

由于减震器本身受力大且里面是液压油，车子行走和跳动过程中会反复挤压这些油，所以漏油也就成为麦弗逊式悬架减震器的一种常见现象，同时你也可以看到，由于下控制臂和羊角架的连接一般都很简单，连接的受力点很多时候不在于控制臂的强度，而在于连接的球头和衬套的强度，所以大凡断轴的车子，多数都是出现在麦弗逊式组合上。

漏油和锈蚀是大概率事件，而断轴是小概率事件，所以如果车身钢板本身差，洗车时也比较随意，锈蚀是早晚的事，如果车主的驾驶习惯比较粗放，断轴也会成为必然事件，所以减震器的质量和悬架控制臂的结构设计，尤其是控制臂或连杆的连接衬套设计是很重要的问题。当我们开车骑在马路牙子上的时候，这时基本都是横向力在折磨悬架系统，尤其是球头是球头连接点的位置，所以麦弗逊式悬架避免断轴的正解是远离这种是非之地，一次也许没什么，就怕温水煮青蛙，到了最后一块小砖头都会弄断车腿。

虽然麦弗逊式悬架有诸多缺点，但它也有一个很大的优势，麦弗逊式悬架被大量应用的唯一好处是整个悬架体积小，可以节省车内的空间，这对于大号的发动机来说尤其重要，以前很老的一款帕萨特（B5）由于前悬架采用的多连杆式结构，而大众车在早期的车系横向空间也偏小，结果占用了机舱的空间导致发动机无法横放，只能纵置。

麦弗逊式悬架的三脚架结构实际通常会设计成具有一定弧度的形式，这样做的目的是从实际制造工艺、重量、控制力和成本的处理等不同角度获得一个平衡的结果（下图红色标注部分），从这张图里你可以看到这个三脚架结构实际上也是一个叉臂，所以麦弗逊式悬架也可以叫做单叉臂式悬架，明白这点和以后介绍的双叉臂式悬架可以做比较。