为什么双叉臂是YYDS?

浏览:437   发布时间: 09月09日

文 | Hooknows

特斯拉Model S、Model X、Model 3、Model Y、蔚来ES8、ES6、ET7、小鹏P7、零跑C11、极氪001、岚图Free、高合HiPhi X、Lucid Air……以上电动车除了都是电动车,另一个共同点是前悬架:清一色的双叉臂结构(Double Wishbone)


这届电动车,几乎把双叉臂前悬当成了标配的性能代言。23万元人民币的Model 3就不说了,最便宜的零跑C11只要16沓粉红色大钞,还有的找。


这是Model S


992世代的保时捷911,也终于把祖传麦弗逊前悬架改成了双叉臂,并且是主攻赛道的GT3车型专享(题图)


只要对底盘悬架系统做过些许功课,大都知道双叉臂是一种强于常见麦弗逊结构的悬架类型,但你要问它到底好在哪儿、好多少、好成什么样、为啥大家都爱用?——别说消费者了,眼下的汽车媒体人,十个得有九个说不出一二三。


身兼两职的压力


悬架/悬挂是干嘛的,《我也曾对“轮子”一无所知》里解释过:带动车轮旋转的那根驱动半轴,是仅负责转动、不负责固定车轮位置的,我们需要一些连杆来把车轮连在车身(or副车架)上,在固定车轮位置的同时还要允许轮子上下颠簸,如果是前轮还要让它能左右偏转。


n种悬架类型


按照科班理论的话,这会儿该科普一个概念“自由度”。空间中的物体都有六个自由度:x轴、y轴、z轴方向的移动和旋转,2×3=6。要允许车轮上下颠簸,释放z轴移动一个自由度;对于前轮,还要允许转向释放两个自由度。


——但估计这么说没几个正常人能听得下去。


所以你只需要知道,悬架的连杆弹簧等等要负责固定/束缚住车轮。同时后轮被允许且只被允许上下跳动(弹簧压缩/拉伸),前轮除了上下跳动之外,还要能且只能左右偏转(转向)。二者的“自由度”不同,所以前轮和后轮适用的悬架类型会有区别;前轮的状况明显比后轮复杂,于是前轮适用的悬架种类更少。


a:麦弗逊,b:双叉臂


现代乘用车常用的前悬架,基本就剩下两大类,麦弗逊结构(MacPhersan Strut)和双叉臂结构(Double Wishbone)


它们的主要构造区别其实很简单:麦弗逊悬架用其中的弹簧减振器,取代了双叉臂悬架中的“(双叉臂中的)上叉臂+弹簧减振器”——对就这么简单。剩下的下叉臂部分,二者大同小异。



所以本质上,这其实是一个用“A”取代“A+B”的故事,原本上叉臂+弹簧减振器合作的工作,现在变成了弹簧减振器独自来承担。


和这个世界运行的基本原理一致:二合一了,优点自然是占用空间更小、总体成本更低,缺点自然是原来的工作内容难以面面俱到。


负外倾角增益


“一人兼两职”的理论虽然听起来很好理解、好接受,但放到实际中依然得具体案例具体分析。


悬架系统的作用,一是固定车轮“把车轮(稳稳地)连在车身上”,二来是要让车轮可以上下跳动。其中的第二点展开讲,应该是“控制车轮上下跳动的轨迹”。没错,茴字有四种写法,车轮上下跳动的运动轨迹也有门道。



我们知道在车辆过弯时,重量会转移到车身外侧,而外侧车轮会被压缩。这时我们是希望随着外侧被压缩,外侧车轮反而能向内侧倾斜。因为这样可以让外侧轮胎拥有更大的接地面积,增加弯道中轮胎的抓地力。但在麦弗逊结构中,这样的理想情况很难出现,或者说要实现的代价太大。


因为在麦弗逊结构中,随着弹簧压缩车轮向上,它相对于地面的角度变化是增是减,会因弹簧减振器与下臂的角度而改变。一旦这个夹角超过了90°,车轮继续向上压缩,它相对于地面的负外倾角反而会越来越少(下图中间)



结果是麦弗逊悬架要想尽可能获得负外倾角增益,就需要预先设置尽量小于90°的弹簧减振支柱倾角。这会让悬架塔顶向车辆内部移动,侵占更多车内空间,而使得麦弗逊结构的空间优势不再,最后常常得不偿失。



而在双叉臂结构中,决定车轮向上运动时负外倾角是增是减的,是上下叉臂的相对长度。让上叉臂更短、下叉臂更长,就可以增强车轮的负外倾角增益,让过弯时随着外侧车轮被压缩向上,能尽可能拥有更大的接地面积和抓地力。


注意当侧倾到极限时,压缩侧车轮的角度变化要小于车身角度变化,这个角度差即增益效果

侧倾与纵倾


众所周知车辆过弯时的侧倾、加减速时的纵倾,会因车辆重心的高度而有所不同。


但实际上,即便重心高度一样,悬架结构的不同也会影响到侧倾、纵倾的程度。决定倾斜发生的难易程度的,是车轮倾斜的瞬时中心(IC)和侧倾/纵倾中心(RC)的高度,它们与车辆重心(GC)之间的距离即倾斜的力臂。


这个力臂越短,车辆就越难以发生倾斜。汽车的重心高度通常要高于IC和RC,所以我们希望这两个点越靠上(接近重心)越好。



还是因为结构的不同,对于麦弗逊悬架,决定IC和RC位置的是弹簧减振器角度与下臂角度。但还是上面的原因,麦弗逊悬架通常无法舍弃掉在空间布置方面的优势,而追求更理想的侧倾瞬心和侧倾中心的位置(或者说这种取舍对使用麦弗逊悬架的车型常常不值得)


红线蓝线交点为IC,垂直线与红线交点为RC


换一个方向,对于纵倾也是一样。麦弗逊悬架要想提高抗纵倾性能,需要让弹簧减振器支柱尽量向后倾斜,而这对于大多数选择麦弗逊前悬的车型来讲并不划算——无所谓占用空间的话,直接用双叉臂不好吗。


纵倾的情况,其实可以举一反三


再来看看双叉臂结构。还是因为结构的不同,决定双叉臂悬架侧倾/纵倾的瞬心与倾斜中心的,是上叉臂与下叉臂彼此的角度。如果希望提高抗侧倾/纵倾的能力,只需要增加叉臂的角度即可,而不用改变弹簧与减振器的位置,既不会严重影响空间布置,也更利于细微的调校。


套用一句话,基础结构决定上层效果。


右侧交点为IC,中间紫色为RC


必须说明的是,悬架是一个系统性工程,基础结构仅仅是决定表现好坏的一环(虽然是比较基础性的一环)


双叉臂相对于麦弗逊存在着这样那样的诸多优势,在总体上看是成立的,放到个体上对比,则完全无法作为依据。就好比白种人总体上相对黄种人更高大,但单独挑出个体的话,完全有可能是姚明和小恶魔。


能够确定的是,随着大马力纯电动车越来越多,随着新造车等自主车企开始打性能牌,双叉臂悬架会越来越频繁的出现,在越来越低的价位和级别上,取代以往司空见惯的麦弗逊前悬架。

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