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诺诺课堂:悬架扫盲5悬架设计核心密码—自由度【经典科普巡礼】

写在前面

麦弗逊悬架的发明者——MacPherson的曲折故事,已在前三集中聊完。

我估计全部读完的人并不多,因为懒人永远是比勤快人多的。在懒人多的社会里,想出类拔萃其实不难,只要不懒就成功1/3了,哈哈。

什么是悬架

为什么在讲麦弗逊悬架前要再次提到这个基本问题呢?因为绝大多数人对悬架的认知还停留在视觉层面,这决定了难以深入理解和评判产品的好坏。

你听,几乎所有的教科书和专家都说:“…悬架是连接车轮和车身的机构,用于缓冲路面冲击…”,而诺诺今天要用全新的视角帮助大家理解悬架,为日后剖析、为精准操控打造悬架做认知上的铺垫。

在我们生活的三维空间,即X-Y-Z三轴坐标中,任何一个物体的运动无外乎6个自由度:沿三根轴中的任何一根移动(下图的1、2、3),以及沿任何一根轴旋转(下图的4、5、6)。



图:车轮的6个运动自由度

这里引入一个新概念,“约束”。多一个有效约束,就会少一个自由度。例如,活塞这个物体,本来也有6个自由度,也可以随意乱动的,结果把它装到气缸里后,就只能在一条直线上做简单的活塞运动了。这就叫约束,结果就是,“活塞只剩1个自由度”了!



图:活塞的运动自由度

说完幸福而枯燥的活塞,我们回到车轮,其实它倆命运是相似的,汽车工程师只希望给它留下1个自由度——上下跳动(缓冲路面冲击)。

工程师的控制欲为毛如此强大呢?设想一下,车轮除了跳动,如果还可以自由摇摆或前后晃动的话,你会有啥样的驾驶感受?谈何轨迹和操控呢?



图:我们需要的自由度


图:我们不需要的自由度

注意:在这里,前轮转向不能算自由度,因为转向是受方向盘控制的,等于还是被驾驶员约束了。

要实现这个单一自由度运动,就得给车轮设计一种约束结构,消灭我们不想要的5个自由度。

管道里的活塞运动虽然可以粗暴地实现单一自由度运动,但考虑到操纵稳定性,跳动中的车轮定位角度变化,以及轮胎最佳附着力的发挥,理想的车轮运动轨迹绝不是一条直线,而是一个略奇特的空间曲线。因此,工程师们只能通过连杆、摆臂或减振器的组合来约束车轮,这就形成了很多各具特色的悬架结构。

聊到这里,诺诺总结一下,悬架系统的实质就是“让车轮只有1个自由度”的约束装置。那么,车轮的实际运动轨迹接近理想轨迹的悬架,就是好悬架!

何以最接近呢?那就必须看设计和调校的功夫了!你看,悬架是干嘛的,什么是好悬架,概念就一下子清晰了不少吧?

关于3连杆、4连杆和5连杆的浆糊概念,诺诺也借机会给粉丝们理顺一下。

看下图的左侧车轮,有1根连杆与车身相连时,它就不能横向移动了,这样就消灭了1个自由度。如果再看右侧车轮,我们增加了1根连杆,车轮既不能横向移动,也不能在图示的平面内摆动,我们就消灭了2个自由度。因此,只要设计得当,每根连杆都可以消灭1个自由度。



图:通过连杆约束车轮

如此类推,使用连杆来建造悬架的话,我们需要5根连杆就可以实现“只剩1个自由度”的约束目标,这就是多连杆悬架的设计本质,需要几根连杆,大家现在清楚了吧?

以奥迪著名的前轮多连杆悬架为例,网上有人说4连杆,有人说5连杆,不少人也问我,到底哪个对呢?其实,了解了拉杆与约束的关系后,就知道5连杆其实是最规范的说法!



图:奥迪的多连杆前悬挂

说4连杆的人,是忽略了转向拉杆,不是说了嘛,转向拉杆也算约束的,只不过是一个由驾驶员控制的约束罢了(上图中的5号连杆就是转向拉杆,提供了第5个约束)。

下图是类似的多连杆悬架,用于后桥的案例,也必须是5根哦!(注意,5号连杆被减振器挡住了大半。)



图:多连杆后悬挂示示意图

其实翻来覆去,悬架设计就是在三维空间里玩轨迹控制,所以连杆也被叫做“控制臂”,诺粉们也很耳熟吧?

我估计很多人是第一次听说这个车轮自由度理论,学过汽车的兄弟,你们躺枪了吗?我去德国读汽车专业之前,其实是学物理的,所以习惯了用理科的视角来理解工科的知识,发现这样反而更容易找到问题的本质,所谓触类旁通大概就是这个feel吧。

懂了这个自由度和约束的关系,我们就可以评论各种悬架了。不过,已经有粉丝建议帖子不要太长,OK,那诺诺下一集再对麦弗逊悬架进行技术解读吧。

下集预告

建立5个约束,只留1个自由度,这是悬架设计的公理。

那麦弗逊悬架凭啥就能少用3根连杆,还能凑够5个约束呢?

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