悬架入门——从弹簧和减震器到几何结构和主动控制

0. 本文内容

• 每种悬架系统所对应的弹簧和减震器，以及四分之一车模型如何描述它们。

• 为什么乘坐舒适性和操控稳定性需要相互权衡，以及如何选择合适的刚度。

• 麦弗逊式、双叉臂式和多连杆式悬架的结构差异和优势。

• 主动/自适应阻尼技术的现状，包括MagneRide、ZF CDC和保时捷主动驾驶系统。

• 制动时的重量转移（点头）与悬架之间的关系。

1. 总结：什么是悬架？

悬架是一种使轮胎紧贴路面，同时缓冲路面传递到车身的冲击的装置。弹簧支撑车身重量并暂时储存垂直运动的能量，而减震器（避震器）则将这种振动以热量的形式耗散，从而使车身稳定下来。几何结构（悬臂布局）决定了轮胎角度和位置的运动轨迹，从而控制车辆在转弯和加速/制动过程中姿态的变化。近年来，电子控制系统在此基础上得到了应用，能够根据实际情况主动调节阻尼力或车身高度的系统也变得越来越普及。

2. 弹簧和阻尼器：四分之一车模型

图 1 — 四分之一车模型（一个车轮的等效模型）。路面输入通过轮胎刚度 k_t 传递到非簧载质量 m_u，然后通过弹簧 k_s 和阻尼器 c 传递到簧载质量 m_s。

最简单的二自由度四分之一车模型的运动方程可以写成：

将簧载质量近似为一个自由度，其固有频率和阻尼比可以写成：

当阻尼器为 \zeta<1（欠阻尼）时，模型在收敛过程中会发生振荡；当阻尼器为 \zeta=1（临界阻尼）时，模型在最短时间内收敛。不会发生振荡；并且，当 \zeta>1（过阻尼）时，收敛速度较慢。乘用车的簧载质量通常处于欠阻尼区域，\zeta 通常设置在 0.2–0.4 左右，以平衡乘坐舒适性和稳定性。非簧载质量主要受轮胎刚度 k_t 的影响，其共振频率远高于簧载质量，从而形成分工：轮胎和传动系统的质量吸收细微的路面不平，而弹簧和减震器则处理较大的输入，例如路面起伏。

3. 乘坐舒适性和操控稳定性之间的权衡

图 2 — 概念图，非实测数据。

加硬悬架可以抑制车身姿态变化（侧倾、俯仰），从而提升操控稳定性，但同时也会降低对路面冲击的吸收能力，导致乘坐舒适性下降。

加硬弹簧或减震器可以减少转弯时的车身侧倾和加速/制动时的俯仰，稳定轮胎接地，提升操控稳定性。但另一方面，它也会更直接地将路面不平整传递到车身，降低乘坐舒适性。降低悬架硬度可以提升乘坐舒适性，但车身姿态变化幅度会增大，增加轮胎载荷变化，使车辆极限状态下的操控特性更难预测。量产车的调校需要在操控稳定性和乘坐舒适性之间找到平衡点——跑车通常更注重操控稳定性，而豪华轿车和MPV则更注重乘坐舒适性。第五节中介绍的自适应阻尼技术可以根据驾驶条件调整这种原本固定的平衡点。

4. 悬架类型：几何结构差异

图3 — 简化示意图（并非精确几何形状，而是一个（结构思维概念图）。在麦弗逊式悬架中，支柱本身兼作弹簧/减震器壳体和转向轴。在双叉臂式悬架中，上下两个独立的连杆控制着转向节的运动。在多连杆式悬架中，三到五个连杆分别布置，以精细地控制运动自由度。

麦弗逊式悬架：单个支柱，内部包含弹簧和减震器，直接支撑转向节的上部，单个下连杆定位其下部。由于部件少，它轻巧紧凑，易于保持低成本，因此广泛应用于前轮驱动的中小型汽车。缺点是支柱通过减震器塔顶将力传递到车身上部，因此需要相应的高刚度。

双叉臂式悬架：独立的上下连杆（叉臂）支撑转向节，弹簧和减震器与连杆分开安装。由于连杆长度和安装角度的限制，其运动特性需要进行调整。可以独立设计，外倾角变化和侧倾中心高度可以在转弯时按照预期进行精确控制，因此它备受跑车、豪华车和赛车青睐。缺点是需要更多零件和更大的空间。

多连杆：这种结构并非上下分离，而是将三到五个连杆以不同的角度和长度排列，主要用于后悬架。由于每个连杆都有一定的自由度，因此可以针对转弯、制动和加速单独调整前束角和外倾角，从而更容易在几何结构方面进一步提升乘坐舒适性和操控稳定性。在三种结构中，其设计和制造成本往往相对较高。

5. 主动式和自适应阻尼

固定弹簧/减震器特性无法避免第 4 节中提到的权衡，但能够在行驶过程中改变这种特性的电子控制系统已经得到广泛应用。

自适应阻尼仅实时改变减震器的阻尼特性。通用汽车的磁流变悬架系统就是一个例子。磁流变减震系统（MagneRide）在减震器内注入磁性（磁流变）流体，并通过线圈通电来改变流体的粘度，从而无需机械阀门即可改变阻尼力。该系统由德尔福公司开发，据称最早应用于2002款凯迪拉克塞维利亚STS车型。采埃孚的连续阻尼控制系统（CDC）根据每个车轮的传感器数据计算目标阻尼力，官方资料显示，其阻尼力调节频率高达每秒100次。

主动悬架系统更进一步，它不仅控制减震器，还能主动控制车身姿态。梅赛德斯-奔驰的主动车身控制系统（ABC）据称于1999年日内瓦车展上首次应用于CL级车型，该系统利用液压系统主动控制车身姿态。其升级版E-Active车身控制系统则使用48V电源独立控制每个车轮。官方手册显示，该系统与路面扫描功能配合使用，读取前方路况以抑制车身姿态。变化。保时捷主动驾驶系统（Porsche Active Ride）为每个减震器配备了独立的电液泵，直接从车辆的高压电池取电，独立产生回弹和压缩侧力。据官方资料显示，其响应频率高达 13 Hz。

Multimatic 的 DSSV（动态悬架阀芯）减震器是一项源于赛车运动的技术。它使用阀芯而非垫片式阀门，可以独立调节低速和高速、回弹和压缩特性，减少单元间的差异。据该公司称，这项技术最早于 2002 年在 F1 赛事中推出。雪佛兰官方博客文章称，DSSV 技术已应用于包括 Corvette 在内的量产车型。

6. 与制动和车辆动力学的关系

在制动或加速过程中，车身会发生前后重量转移。以重心高度为基准……假设轴距为h，质量为L，纵向加速度为m，前后轴之间的重量转移可近似表示为：

在紧急制动时，重量会向前轮转移（车头下沉），前悬架压缩，后悬架则趋于抬升。加速时，情况则相反——后悬架压缩，导致车身下沉。类似地，在转弯时，横向重量转移（假设轮距为t，横向加速度为a_y）可近似表示为：

横向重量转移越大，外侧轮胎的负载就越大，而内侧轮胎的负载则越小，四个轮胎的总抓地力就越小。在双叉臂式悬架中，多连杆机构中，连杆的安装角度有时会经过特殊设计，以防止制动时前轮下沉或加速时后轮下蹲——即所谓的“防俯冲”和“防下蹲”几何结构——这也是第 4 节中描述的连杆布局自由度发挥作用的另一个领域。关于制动机制本身（液压回路、ABS/ESC、能量回收混合），请参阅制动系统入门。此外，由于电池组的重量会增加电动汽车的簧载质量，而轮毂电机布局会增加非簧载质量，因此第 2 节四分之一车模型中 m_s 和 m_u 的设计也会随着动力传动系统布局的变化而变化。有关电动汽车的重量分布，另请参阅电动汽车动力系统入门。

7. 配置比较

8. 恶劣工况和安全性

如果减震器性能下降并开始漏油或阻尼力损失，则仅靠弹簧来控制振荡，这会减慢其稳定速度，并恶化制动时的循迹性和接地稳定性。衬套或球头磨损会影响控制臂定位的精度，导致直线行驶时出现跑偏、噪音和轮胎磨损不均。颠簸转向——一种瞬时现象车辆驶过颠簸路面时，方向盘可能会有轻微的拉扯感——这可能是由于连杆的安装角度和运动范围设计不当，也可能是由于磨损造成的间隙过大。当较大的输入使悬架达到其机械行程极限（缓冲块）时，任何进一步的冲击都会被车身本身吸收。因此，如果行驶高度或轮胎尺寸与原厂设置相比发生了显著变化，则需要检查行程量和间隙。维修时，基本原则是：不要在弹簧仍有负载的情况下进行操作；使用专用工具，例如弹簧压缩器；并遵循维修手册中的步骤，以及保护主动悬架或电动自适应减震器的高压和高压液压线路。

9. 实用选择

• 通勤，主要在城市道路行驶：选择更柔软、偏向舒适的悬架设置，或者选择带有自适应阻尼的悬架，以兼顾舒适性和操控性。

• 运动驾驶，多山路行驶：检查是否采用高自由度几何结构，例如双叉臂式悬架，并搭配更硬或可变阻尼的减震器。

• 路面崎岖，负载变化较大：选择……能够根据负载和路面状况调节车身高度和减震特性的空气/液压主动悬架通常更具优势。

• 更换现有车辆的减震器或调整车身高度：如果大幅改变原厂特性，应综合考虑行程、与缓冲块的间隙以及几何形状的变化（外倾角、前束角）。

10. 总结（三行回顾）

悬架是一种机构，其中弹簧支撑负载，减震器以热量的形式耗散振动以使其稳定。四分之一车模型中的 \omega_n 和 \zeta 概括地描述了其性能。

麦弗逊式、双叉臂式和多连杆式悬架的区别在于其控制臂的自由度，这会影响乘坐舒适性/操控稳定性之间的平衡。

自适应/主动控制系统（例如 MagneRide 和 Porsche Active Ride）等技术能够根据驾驶条件调整这种平衡，并且与悬架性能密切相关。在制动和加速过程中，重心转移也会受到影响。

参考资料

• MagneRide 官方网站

• 梅赛德斯-奔驰 E-Active 车身控制系统官方手册

• 保时捷新闻中心 — 保时捷主动驾驶系统

• ZF — 连续阻尼控制 (CDC)

• Multimatic — DSSV 阻尼技术

• 雪佛兰 — Multimatic DSSV 技术

• SAE International