汽車懸掛就像迷一樣，同樣的懸掛系統(tǒng)，真正的駕駛感受卻千差萬別。目前，最好的懸掛系統(tǒng)是五連桿結(jié)構(gòu)，從過去到現(xiàn)在所有汽車的懸架類型，看似繁瑣，實(shí)際上都是根據(jù)單一的連桿力學(xué)定律設(shè)計(jì)的。因?yàn)椋瑥奈锢磉\(yùn)動來講，這種懸掛最后會約束輪胎只剩下上下移動的一個(gè)自由度，這就是五連桿懸掛的最終目的。

 

首先，什么是“自由度”？

漂浮在空間中的物體可以在空間中自由移動，稱為運(yùn)動自由度。運(yùn)動自由度可分為六種類型，包括：向前、向后、向左、向右、向上、向下移動，并繞 3 個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。如果你把它想象成汽車的話，就很容易理解了。

 

物體運(yùn)動的 6 個(gè)自由度
自由度 1：繞 X 軸平移運(yùn)動（前后運(yùn)動）
自由度 2：繞 Y 軸平移運(yùn)動（左右移動）
自由度3：繞 Z 軸的平移運(yùn)動（上下運(yùn)動）
自由度 4：繞 X 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（拐角處的滾動運(yùn)動）
自由度 5：繞 Y 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（俯沖和俯仰的俯仰運(yùn)動）
自由度6：繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)傾運(yùn)動）

 

從物體運(yùn)動的定律來看，汽車輪胎的運(yùn)動必須留下自由度3（繞 Z 軸的平移運(yùn)動），這就是為什么是5連桿，而不是6連桿的懸掛原因。如果汽車在凹凸不平的路面上行駛，則汽車在沿X軸前進(jìn)的同時(shí)，受到凹凸路面的晃動，并沿Z軸上下移動。這時(shí)，很可能會出現(xiàn)前下沉或后下沉的俯仰運(yùn)動，但這是繞Y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。目前，汽車使用了電磁減震器來解決上下顛簸的沖擊力。

 

當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤并開始轉(zhuǎn)彎時(shí)，前輪胎產(chǎn)生側(cè)滑角，輪胎施加轉(zhuǎn)彎力，車頭的方向發(fā)生變化。換句話說，開始繞Z軸旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，滾動（繞 X 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）也將開始，目前使用ABS系統(tǒng)解決內(nèi)輪差，已實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎，此外，還有部分車型會用液壓車身穩(wěn)定系統(tǒng)來解決這一問題。如果在減速時(shí)向內(nèi)轉(zhuǎn)彎，還可能會出現(xiàn)俯仰運(yùn)動，即前部繞 Y 軸稍微傾斜。在許多情況下，會同時(shí)經(jīng)歷六個(gè)自由度的變化。

 

輪胎有六個(gè)自由度，假設(shè)為了將輪胎連接到車身，使用一根連桿將輪胎 + 車輪 + 輪轂組件連接到車身。此時(shí)，我們考慮“輪胎具有的六個(gè)自由度中，由于連桿連接而受到車身約束，從而減少了一個(gè)自由度。”按照這個(gè)思路，如果用另一個(gè)連桿將輪胎與車身連接起來，車身也就剝奪了輪胎的第二個(gè)自由度。如果再添加一個(gè)連桿，剩余的自由度將為 3。如果繼續(xù)這樣連接車身和輪胎，用五個(gè)連桿連接起來，輪胎原有的六個(gè)自由度就會被奪走五個(gè)，只剩下一個(gè)自由度。

 

如果假設(shè)剩下的一自由度是輪胎上下移動的自由度，我們就可以看到懸架對輪胎發(fā)揮的真正作用。事實(shí)上，懸架是一種限制輪胎五個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)，只留下一個(gè)垂直運(yùn)動的自由度。如果通過不使用這么多連桿來約束輪胎，輪胎可能會發(fā)生各種失控的運(yùn)動。如果輪胎與車身連接的連桿越來越多，輪胎所具有的六個(gè)自由度全部被取消，輪胎將不再能夠相對于車身上下移動，而成為一個(gè)固定的輪胎。如果允許輪胎有兩個(gè)或兩個(gè)以上的自由度，輪胎就會晃動，行駛性能就會不穩(wěn)定。換句話說，好的懸架必須只能有“一個(gè)自由度”。

 

讓輪胎只擁有一個(gè)自由度是建立獨(dú)立懸架的基礎(chǔ)。奔馳于1982年發(fā)布的W201，是世界上第一個(gè)采用5連桿后懸架的車型，該懸架的發(fā)明產(chǎn)生了重大影響，之后寶馬和奧迪也采用了類似的懸架。然而，5連桿懸架并不是最終的結(jié)構(gòu)，原則上，情況恰恰相反：5連桿只是“單自由度獨(dú)立懸架的基本形式”。毫不夸張地說，所有獨(dú)立懸架都是5連桿系統(tǒng)的簡化版。

 

例如雙橫臂式。它可以被視為 A 形臂的簡化版本，因?yàn)轫敳亢偷撞康膬蓚€(gè)連桿連接在一起并共享輪轂側(cè)的連接點(diǎn)，對輪胎也是控制了五個(gè)自由度。

 

支柱式是可以用“無限長的上A臂”來近似支柱作用的懸架。如果將元件算作連桿，則上部是兩個(gè)，下部是兩個(gè)，如果加上用作懸架連桿的橫拉桿，則有五個(gè)。最開始的懸架是馬拉葉式剛性懸架，經(jīng)過100多年的發(fā)展，演變成了5連桿獨(dú)立前后懸架系統(tǒng)。

 

然而，在真正的五連桿式懸掛設(shè)計(jì)當(dāng)中，對輪胎物理運(yùn)動的約束是最基本的，此外，還要考慮各種因素。懸掛的每一根連桿兩端都配備了橡膠襯套，在抑制運(yùn)動的同時(shí)，襯套會產(chǎn)生彈性，如果控制不好，就會缺乏對車輛控制的精準(zhǔn)性。還需要對連桿材質(zhì)的扭轉(zhuǎn)剛度、變形行程等需要考慮在內(nèi)。從物理運(yùn)動的特性來講，懸架是很好調(diào)校的，但是結(jié)合懸架材質(zhì)的變化，確實(shí)是比較難的一項(xiàng)技術(shù)。