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诺诺课堂:悬架扫盲03-麦弗逊,你了解得太少【经典科普巡礼】

写在前面

MacPherson职业经历的跌宕起伏,并没有因为踏上GM这艘大船而趋于顺畅。

为什么天才工程师的设计方案被搁置了十几年才得以量产?

这一集主要讲述MacPherson在GM就职期间发生的事情,以及为雪弗兰设计的神车Cadet。


图:麦弗逊方案应用于前、后轴

对了,上集提到了一个勤奋好学的“偷经者”,把主管的宝书悄悄带回家恶补。他看见了帖子后,给我发来消息:“感谢那本书,的确没白看。因为看了一晚上发现根本看不懂,所以很快就调整方向了,现在做的很开心。”发现自己不适合做什么,有人花了数年,而他只花了一晚上。只做自己擅长的事,定位的确是门艺术。

Part 4:有多大气量,就能做多大事情

MacPherson职业经历的跌宕起伏,并没有因为踏上GM这艘大船而趋于顺畅。

上世纪30年代,车厂造的车子都比较笨重,GM也不例外。GM总部一直想研发一款真正适合家用的买菜车,车重不超过两吨就很好了。

这里需要带大家理性认识一下车重。今天主流车重位于1.3~1.8吨,如果换成全钢的试试看?

当年的车可没有什么铝合金、非金属复合材料、中空工艺来减重哈。要想轻,就得动脑筋简化结构,因此车重低于两吨不是容易事儿。要知道,建国初期接外宾的红旗轿车可有3吨多哦。


1927年的雪弗兰敞篷轿车

1932年的凯迪拉克系列

1930年GM的大巴,真正的空间王!比两个成年人还高

1934年,GM开始意淫要造一款没有单独车架的小轿车,也就是今天说的“承载式车身”(unibody),这样可以大大减轻自重。

形象地展示一下,下面是非承载式车身(bodyover frame)的例子,车壳子是安装在预先造好的车架上的,目前的卡车、某些SUV还属于这类架构▼

图:非承载式车身和独立车架

下图就是承载式车身的例子,在制造整个车壳时就对某些部位做加强,起到车架的作用,自重更轻,但是事故损伤车身骨架后,修复比较麻烦▼


图:大黄蜂的承载式车身

美国人30年代就寻思造承载车身了,诺粉知道中国是什么时候开始造的么?

我们是1985年!那年,桑塔纳轿车正式投产,标志着中国有了第一款承载式车身的汽车!当时我们落后人家50多年。

虽然今天,我们在某些方面接近了世界的步伐,但多数基础系统的知识理解和应用层面,我觉得至少还有20年的差距,比如纯机械的悬挂,纯机械的传动系统,纯机械液压的转向系统,听上去都不高大上,但国内从业者精通的真的不多。

怎么知道呢?看看国内落后的教材就知道了。

我2002年在德国留学时,发动机教材上已经在讲宝马的Valvetronic和缸内直喷稀燃技术了。全面追赶,需要每个工程师的努力和脚踏实地。

回到MacPherson,他对小车项目非常感兴趣,主动请缨担任项目主管,几个Hupp过来的工程师同事也加入项目组,分别负责车身设计和系统匹配。他们没日没夜地工作,在很短的时间内交出了漂亮的答卷。车重竟然被刷1吨以内,在材料科学并不发达的当下,堪称工程奇迹。

在这款车型中,麦弗逊悬架首次从图纸变成现实,装上样车,大大减轻了前桥重量,提升了操控。要知道,当时的车子都是非独立悬挂,遇到路面起伏,整个底盘都会跟着跳,又重又不舒服。


图:1930年的迈巴赫车间

看到上图生产线上的车桥了么?当年的轿车前、后都是钢板弹簧+整体车桥的,哪怕是迈巴赫,也用非独立悬挂,簧下质量很大,在经过起伏路面时,整个车身都会歪斜。


图:非独立悬挂经过起伏路面


麦弗逊悬架呢,有诺粉说讲到现在还没看到它长啥样,诺诺先简单的给大家脑补一下。

看下图,下摆臂(绿)加一根固定在车身上减振器(红),就构成了经典的麦弗逊悬架。左右车轮可以独立缓冲路面冲击,最小程度地造成车身的起伏,而且前、后桥都适用。(这里我故意没有说A臂,是不想把大家对麦弗逊悬架的认识限制住了,后面你会明白这是一个庞大的家族。)▼


图:麦弗逊独立悬挂经过起伏路面

麦弗逊悬架,地道的英文叫MacPherson Strut,而不是MacPherson Suspension,因为减振器还起到了滑柱和导向的作用,所以用strut(滑柱),这也是它的特色——一物多用,节约零件。

如果当年有互联网的话,估计老麦的粉丝可以轻松超过诺诺。同为汽车工程师,他是知识创造者、历史书写者,而诺诺只是知识的搬运工而已。

可惜的是,由于大公司的种种原因,这款车型并没进入量产,因此麦弗逊悬架的优异性能根本没有被施展出来,也没机会得到世人的认可。

几个Hupp过来的好伙伴沮丧地告别了GM和MacPherson,去了一家冶金制品供应商上班(Budd公司),继续车身工艺的研究,而MacPherson却冷静地选择留下。

由于原型车开发的优异表现,MacPherson在一年后被升迁至雪弗兰品牌,担任客车和卡车事业部的首席工程师。

这就叫“笑到最后,笑得最好”,混大平台的人,除了视野,还必须有大气量。

Part 5:苦等十年,机会再次眷顾

一转眼,又是十载的埋头苦干。

1945年春,雪弗兰总经理劝说GM的大老板组建一个新的事业部——小型车事业部,目的是开发轻型轿车,填补雪弗兰的客车市场空白。建议很快被老板批准,54岁的MacPherson经验丰富,很自然地成为事业部总监的不二人选。

大家都在乐此不疲地造2吨左右的轿车时,GM再次举手推动轻型车项目,也就是今天的“差异化竞争”。说来也够巧的,MacPherson的职业生涯跨越了两次世界大战,战后的经济萧条是必须的,当时正好处在二战末期,GM高层才批准了轻型轿车开发计划,以备战后的经济萧条(当时,车越轻意味着成本越低)。

天时地利人和,MacPherson留守GM十余年,机会终于再次到来!

这款车型名为Chevrolet Cadet,给诺粉们例举一下管理层给出的开发要求,就知道什么叫“寄予厚望”了。

1) 自重不超过1吨;

2) 离合器采用液压分离系统;

3) 中置手动变速箱(一会讲,神奇到爆!);

4) 双飞轮(有的资料误传是双质量飞轮,这完全是两个东西哈);

5) 极高的驾驶舒适性和操控表现;




在Macpherson的主持下,不久就有了上图的设计方案,这个方案中颇有些亮点,诺诺随便说几个。

大家注意到前排座椅下方的那坨东西了么?那是手动变速箱!所谓的“中置手动变速箱”!为啥那么小呢?因为当时档位很少嘛,而且为了抬高离地间隙,变速箱里面的轴都是等高度水平布置的。


图:Cadet的动力总成布置

这么一搞,就颠覆了传统。因为把变速箱布置到这个远离发动机的位置,需要把变速箱壳体加长将近1米(见上图)!并在发动机和变速箱之间增加了一根1米长的传动轴(传动轴1)。由于曲轴、传动轴1和变速箱输入轴三者都不在一根直线上,所以在变速箱前,增加了两个万向节。


图:Cadet的创新变速箱布置

为啥把变速箱放这里呢?看上面这张图就一目了然了。按现在的说法,要求档位清晰、换挡行程小的话,明显中置变速箱位更好哈!而且减少了前轴的负重,更接近50:50哦。

这个设计在今天看来,是大可不必的,因为变速箱放在机舱里的车子多的是。它们使用了辅助机构来传递动作,如拉索和连杆(Cable & Linkage)。横置前驱的往往是拉索传动(如大众系列),纵置的呢,往往是连杆(如宝马),其中连杆更加无损,传递更直接(因为拉索的弹性较大)。


图:宝马E90的手动变速箱操纵机构

这种把变速箱和发动机拉开的设计,估计很多粉丝也是第一次见到。现在的车子也有个别沿用这种奇葩设计的哦,看看下图是什么车?(提示:AMG的,右边是车头)。


图:奔驰AMG某车型上的加长Bell Housing

这都是变速箱不直接装在发动机上的例子,要加长轴,就把壳体也加长吧!那有没有人不用加长壳体,直接一根裸轴拉过去呢?


图:尼桑GTR的动力总成布置

有!看看这个四驱设计,左边是车头,一根轴把动力送到后桥附近的变速箱,变速箱三个输出轴,两个用于驱动后轮,一个输出再把动力送回前桥。这就是著名的战神GTR。

为啥GTR木有加长壳体呢?因为,那个狭长的铸造壳体可不便宜!没有这个壳子也能开,只是发动机输出的巨大扭矩就变成了“外力”,由车身来承担(此时车身就充当“外壳”)。加速时,车身就有被“扭麻花”的趋势,各种影响接踵而至;对于AMG,扭矩都由加长壳体扛下来了,不会影响车身刚度,具体就不展开讲解了。

回到悬架话题,为了实现颠覆驾控感受的设计要求,必须使用独立悬架,这在当时的量产车中还是很罕见的应用。MacPherson这些年也没白忙活,不断地改进自己的悬挂设计,就等出头之日。

这款Cadet采用了4轮独立悬挂。前、后悬架都属于具有麦弗逊特征的多连杆结构,所谓麦弗逊特征,就是把减振器作为滑柱实现导向功能。

嗯?麦弗逊+多连杆?没有搞错,悬架家族虽有分类,但精通悬架的设计师时不时会跨界杂交,你看下面这个属于什么类型?


图:双叉臂or麦弗逊?

悬架跟武功一样,最高境界是突破门派的束缚,只要克敌制胜就是好功夫。之后的帖子里我会跟大家聊什么才算好悬架,并不一定是简单粗暴地按结构形式区分。

Cadet的前轴除了减振器滑柱定位外,还通过两根横向拉杆来定位车轮;后轴则是拖曳臂+多根摆臂的麦弗逊风格悬架(拖曳臂约1米长,如下图)。



图:Cadet后独立悬挂的拖曳臂

当时,刚性悬架大行其道,结构可简单了,成本可便宜了!麦弗逊悬架虽然性能优异,但在当时算是相对昂贵的方案。加之筒状减振器技术还不是很成熟,决定批量使用麦弗逊悬架,必须超有魄力。只是在独立悬挂种类繁多的今天,麦弗逊悬挂才具备结构简单、成本低的相对优势。

精彩的方案再一次受阻。虽然车子表现优异,但在这么“昂贵”的悬架方案面前,GM的管理层坐立不安,难以抉择。MacPherson和他的部门还被要求采用传统刚性悬架,又设计了一个便宜版的Cadet方案作为备用。

Part 6:黎明前的黑暗

就这么纠结到1946年,直到雪弗兰高层对Cadet的兴趣锐减。不得不说,如果管理层果断决策,这个里程碑式的桂冠将属于GM雪弗兰而永载史册。如果换做是你,是不是已经崩溃好多次了?

1946年,当年提议组建轻型车事业部的雪弗兰总经理,也是力挺MacPherson的伯乐,离职了。同时,战后经济的低迷如期而至,各种物资紧缺,各大汽车公司相继进入紧缩期。当时管理层为Cadet定了一个很挑战的目标售价:售价1000美元,且可以盈利。做不到不投产!



图:雪弗兰Cadet样车

好在经济低迷并不像事先预料的那样恶劣和持久,很快经济开始复苏。就在Cadet的量产开始看到希望时,坑爹的事情又来了。很多消费者持币待购,但是却没有工人去造车子,罢工深深地困扰着美国工业,造车的原材料也仍旧稀缺。

最终,GM高层看不到量产Cadet的意义,于1947年5月彻底放弃了Cadet的量产计划,也取消了轻型车事业部。MacPherson和他的小伙伴们被调动到协同工程部,以储备研发的名义,继续研究Cadet车型,而并无实质性的意义。

如果这是一个人物传记视频节目的话,讲到这里,背景音乐一定是很沉闷悲凉的。相信能读到这里没退出的诺粉,也进入了MacPherson的内心世界,默默地分担着一个汽车工程师的怀才不遇。

回到原来的协同工程部,意味着回到前老板JamesCrawford的麾下。民间的描述是,MacPherson跟他志不同道不合,甚至从未正眼相视过,对Cadet项目的各种认知也是永远的背道而驰。

下集预告

一晃十几年过去,伟大的发明仍然停留在试验车间里,换做是你,是放弃还是出来单干?

可以肯定的是,老麦十几年后终于想起申请专利,下一集里诺诺给大家秀一下当年MacPherson的专利,并让大家看到一个工程师最终是如何当上总裁的?

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