底盘悬挂系统

定义

底盘悬挂系统指车架或承载式车身与车轮托架或车桥之间一切弹性连接及传力装置的统称，其作用是连接车身与车轮，并在这个界面上管理垂直方向的运动以及由不同步运动引起的侧倾、纵倾等转动。传统上，它由弹性元件、减振器和导向机构3个部分组成，部分结构还包含横向稳定杆与限位装置。

按导向机构形式，悬挂系统分为独立悬架与非独立悬架。独立悬架中左右车轮各自通过连杆、弹簧与车身相连，一侧车轮受冲击跳动时不致影响另一侧；非独立悬架的左右车轮安装在1根整体式车桥上，车桥再经悬挂与车架相连，两侧车轮的运动彼此干涉。^[1][3]

原理

弹性元件承担并传递垂直载荷，缓和路面不平引起的冲击，决定悬架刚度与振动频率；减振器吸收弹性系统引起的振动，把振动能量转化为热能散失；导向机构传递车轮与车身之间的力和力矩，并保持车轮按一定轨迹相对车身跳动。三者分工不同，缺一不可，例如螺旋弹簧只能承受轴向力，必须另设导向机构和减振器与之配合。

悬架的振动特性可用固有频率描述，它与悬架刚度和簧载质量有关：$f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{K}{M}}$，其中 $K$ 为悬架刚度，$M$ 为簧载质量。人体习惯的垂直振动频率约为 1 至 1.6 赫兹，车身固有频率应接近这一范围才利于舒适性；刚度一定时簧载质量越大，频率越低，因此空车行驶时的固有频率高于满载。

减振器多为液力式，车架与车桥相对往复运动时活塞在缸筒内移动，油液反复通过窄小孔隙在腔室间流动，孔壁摩擦与液体分子内摩擦形成阻尼力，把振动能量转为热能。设计上要求压缩行程阻尼较小以充分利用弹性元件缓冲，伸张行程阻尼较大以迅速减振，相对速度过大时自动加大液流通路以免承受过大冲击载荷。

发展历程

悬挂型式按导向机构的连杆数量区分。麦弗逊式悬挂由美国汽车工程师厄尔·麦弗逊在20世纪50年代提出，其结构除减振器外仅有1根A字形控制臂，目的是简化结构、减少部件数量、降低设计与生产成本，并减轻簧下质量，因而在横置发动机前驱车型上被广泛采用。^[4][5]

在车桥与车轮层面之外，弹性元件的演进也在推进。1954 年雪铁龙 15-six 的后悬架已采用液气联动结构，能够在载荷变化时保持车身高度不变；1955 年雪铁龙 DS 成为首款装备液压悬挂的量产车型，1957 年凯迪拉克 Eldorado Brougham 成为首款装备空气悬挂的乘用车。^[6][7]

1989 年雪铁龙推出主动式液压悬架，1994 年推出主动抗侧倾液压悬架，2000 年第三代主动液压悬架装备于第一代 C5；1999 年梅赛德斯-奔驰 CL-Class 成为首款装备现代化空气悬挂系统的车型，2002 年升级为将空气弹簧与自适应阻尼整合的系统。20 世纪 90 年代后期起，兼顾成本与性能的可变阻尼半主动悬架逐渐成为主流方向。^[8][7]

应用

在乘用车上，麦弗逊式独立悬架因结构紧凑、占用横向空间小而成为应用最广泛的前悬架型式，前置前驱车型尤其普遍。双叉臂式悬架具有上下两个控制臂，横向刚度大，转弯时侧倾小，且上下叉臂不等长可使车轮上下运动时自动改变外倾角、减小轮距变化，接地面积大，多用于跑车和高性能车型；多连杆式悬架由3根以上连杆约束车轮，能主动调整车轮定位，兼顾操控性与舒适性，但因结构复杂、占用空间大，多用于中高级车型的后桥。^[3][9][10]

非独立悬架中，扭力梁式通过1根扭力梁连接左右车轮，结构简单、造价低、承载能力大，广泛用于一般乘用车后悬架以及载重汽车和普通客车；钢板弹簧式非独立悬架结构简单、工作可靠，被广泛应用于货车前后悬架，纵向安装的钢板弹簧本身还可兼起导向作用。部分城市客车与大客车采用空气弹簧的独立悬架，以降低一级踏步高度并改善乘坐舒适性。^[3][11]

悬挂技术的应用不限于公路车辆。独立悬架在坦克上同样有用，20 世纪初期美国人约翰·沃尔特·克里斯蒂发明坦克独立悬挂系统后，相关技术被引入苏联，用于 T-34 坦克，使其越野能力优于同期纳粹坦克。高速动车组则将车下设备视为动力吸振器，通过选取合理的悬挂参数降低车体弹性振动，改善乘坐舒适度。^[12]

局限

独立悬架结构复杂、成本高、维修不便，且复杂的连杆与车桥布置会侵占一部分车内乘坐空间；非独立悬架的非簧载质量较大，高速行驶时受到的冲击载荷大，平顺性较差，且一侧车轮跳动会带动另一侧，车身晃动较为明显。^[1]

各型式悬架各有其固有短板：麦弗逊式只有1根下控制臂，车轮与车身之间的角度相对固定，减振器压缩或伸展时车轮只能直上直下，过弯时车身倾斜会带动车轮一同倾斜，减小轮胎接地面积；同时其抗侧倾和抗制动点头能力较弱，稳定性相对有限。扭力梁式的车轮固定在金属梁上，无法随车辆姿态变化而调整车轮倾角，改装空间很小，经过连续颠簸路段时两侧车轮相互拉扯，车内上下晃动感较强。双叉臂式与多连杆式虽然性能上限较高，但都占用较多空间，定位参数难确定，研发、制造成本与维修成本显著偏高，中小型车出于空间和成本考虑很少采用。^[4][13][10]

主动悬架在实现底盘升降和阻尼可调的同时，也存在成本较高、后期维护复杂、响应速度不如其他形式主动悬架的问题。半主动悬架与全主动悬架虽然在概念上颇具吸引力，但全主动方案因高成本、功率消耗大、液压系统体积庞大且可靠性存疑，在20世纪90年代初被一级方程式赛事禁止，至今也未在量产车市场大规模普及。此外，悬架形式只是影响底盘表现的因素之一，连杆材料、连接件设计、悬挂几何水平以及调校水平同样决定最终效果，不能仅凭结构型式判断性能高低。^[8][13]

参见

• 麦弗逊式悬挂 —— 由滑柱与下控制臂组成的独立悬架形式，是应用最广泛的前悬架结构。

• 双叉臂式悬挂 —— 采用上下两个控制臂的独立悬架，横向刚度大，多用于性能车型。

• 多连杆悬挂 —— 由3根以上连杆约束车轮的独立悬架，兼顾操控性与舒适性。

• 扭力梁式悬挂 —— 通过扭力梁连接左右车轮的非独立悬架，结构简单、造价低。

• 空气弹簧 —— 以压缩空气为弹性介质的弹性元件，具有变刚度特性。

• 减振器 —— 将振动能量转化为热能的阻尼元件，与弹性元件并联工作。