第6.1集|汽车独立悬架系统_麦弗逊独立悬架介绍

文摘   2024-10-15 07:38   山东  
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大家好这里是车界智汇,汇集车界各种基本知识。汽车悬架系统有很多类型,准备分几期来描述悬架系统,这期主要聊聊麦弗逊悬架系统,后面再逐步聊聊双叉臂、CDC、多连杆、FSD悬架等系统。






麦弗逊悬架_经济且应用普遍

麦弗逊悬架是市面上最常见的悬架型式,市面上的紧凑型和微小型车的前悬架99.99%是麦弗逊独立悬架。麦弗逊悬架,由美国伊利诺伊州的麦弗逊创立,是现今市场上最普遍的悬架型式,尤其在紧凑型和微小型车的前悬架中占据绝对主导地位。该悬架的诞生源于应对前置发动机前轮驱动车型设计挑战的需求,这类车型要求更紧凑的空间以容纳发动机、变速箱、差速器、驱动机构和转向机等部件。


麦弗逊在通用汽车公司工作时,针对小型轿车设计目标,创新地将减振器和螺旋弹簧组合并前置,设计出结构简洁、节省空间且操控性佳的悬架系统。这一设计在麦弗逊跳槽至福特公司后得到进一步推广,1950年福特英国子公司首次将麦弗逊悬架应用于商品车,迅速获得市场认可,并逐渐成为汽车悬架系统的主流选择。

麦弗逊独立悬架主要由螺旋弹簧、减震器、三角形下摆臂以及可能配备的横向稳定杆等部件组成。其中,螺旋弹簧套在减震器上,减震器则通过上下铰链点与车身和转向节相连,形成稳定的支撑结构。


当车轮受到路面冲击时,螺旋弹簧和减震器共同发挥作用,吸收并衰减冲击能量,同时保持车轮与车身之间的相对位置稳定。减震器通过限制弹簧的偏移方向(只能作上下方向的振动),确保了悬架系统的稳定性和操控性。






麦弗逊悬架的特点


麦弗逊独立悬架作为汽车主悬架之一,具有多个显著的特点

结构简单且轻巧,整体占用空间比较小:麦弗逊独立悬架由螺旋弹簧、减震器、三角形下摆臂构成,部分车型增配横向稳定杆。其设计紧凑轻盈,既优化了车辆操控与燃油经济性,又降低了制造成本与维护难度。此外,麦弗逊悬架适应性强,为发动机与转向系统腾出更多空间,尤其利于前置前驱车型合理布局,避免占用过多车内空间。


成本低:麦弗逊悬架零部件数量少,成本也就自然少一些,这使得麦弗逊成为了很多汽车制造商的首选,尤其在经济性车辆上得到广泛应用。

左:麦弗逊  右:双叉臂

麦弗逊独立悬架广泛应用于中小型轿车以及追求速度和操控性的跑车的前悬架上,如保时捷911、国产奥迪、桑塔纳、以及一些经济性汽车等车型。


麦弗逊悬架的缺点

麦弗逊悬架缺点_减震器受弯矩(运动性和舒适性方面


对于麦弗逊式悬架,有得必有失,减震器弹簧总成支柱作为一个悬架连杆,会带来一个问题。减震器是有外部筒身与内杆,在悬架压缩和承受侧向力的时候,会有一个弯矩作用与减震器筒身会与内杆之间,像是在掰减震器,这会导致整个减震器摩擦力的加大,降低了减震器运动的顺滑程度,影响了一定的舒适性和操控性。同时加剧了减震器密封圈的磨损,最终可能会导致密封失效。所以现在,工程师们都倾向使用带有侧偏力的弹簧来抵消这个弯矩。

麦弗逊式悬架多用“香蕉形”弹簧作为侧偏力弹簧。在自由状态,既没有被压缩的时候,呈现类似香蕉的形状,在被压缩安装后,能产生横向的力,故称之为“侧偏力弹簧(Side Load Spring)”。



转弯倾侧与直线行驶之间的博弈


转弯倾侧与直线行驶稳定性之间的博弈

汽车在过弯道时车身会产生倾侧,进而会影响车辆的操控性和舒适性。从力学的角度来看,车身倾侧取决于车身重心倾侧中心之间的距离,这两个之间的距离通常称为倾侧距离。



当汽车比较高时,即车辆的重心偏高,转弯时重心和中心之间的距离偏大,转弯时会产生更大的力矩,最终表现为车辆的倾斜幅度大。
在实际车辆设计中,对某一款特定的车辆来说,车辆的重心很难调整,因此聪明的汽车工程师会通过增加倾斜中心的高度来减小倾斜距离。
在底盘设计中,倾侧中心的高度是由悬架系统的布置决定的,对于麦弗逊系统来说,提高侧倾中心高度的方法是增加主销内倾角,也就是把支柱(上图红线)往内侧倾斜。但是,较大的主销内倾角不仅会占用机舱更多的横向空间,使得发动机布置变得困难,而且在凹凸不平的路面上行驶时,方向盘会产生更强烈的打手感,所以基本没有厂商会把麦弗逊悬架的内倾角做得很大。而除了增加主销内倾角以外,还有一个办法也能提高侧倾中心的高度,那就是将下摆臂内侧的安装点(上图蓝线)抬高,使下摆臂呈现倾斜状态。

左:麦弗逊  右:双叉臂

但是下摆臂保持倾斜状态后,麦弗逊悬架在上下跳动过程中,轮距的变化会进一步扩大,这种变化会导致车辆的直行稳定性变差。因此为了保证直行稳定性,基本所有麦弗逊车型的下摆臂都是水平布置的,这种设计就牺牲了车辆的侧倾控制。


麦弗逊悬架难以抵消刹车点头现象

麦弗逊悬架在应对刹车点头现象时,其表现相对双叉臂和多连杆悬架来说较为有限。为了抑制刹车时车辆前部的点头动作,麦弗逊悬架的设计通常会采取增加主销后倾角的策略,即让支柱向后倾斜。这种设计能够在一定程度上抵抗刹车时因惯性引起的车辆点头,但受限于车辆的整体设计、轮胎磨损、转向灵活性等多方面因素,主销后倾角并不能无限制地增加,因此其抑制效果有限。

对于采用麦弗逊悬架的车辆而言,如果想要进一步降低刹车点头现象,往往需要采用更硬的弹簧。然而,弹簧硬度的增加会直接导致车辆底盘对路面颠簸的响应更为直接和强烈,从而牺牲了乘坐的舒适性。因此,麦弗逊悬架在追求运动性能的同时,往往难以兼顾到乘坐的舒适性,与双叉臂和多连杆悬架相比,在舒适与运动之间的平衡上存在一定的难度。




纯麦弗逊悬架噪音隔绝能力差







各种独立悬架之间的对比

在悬架系统的安装布局上,双叉臂和多连杆悬架的设计使得弹簧和减震器安装在相对较低的下摆臂上,且其上端的安装点距离车内也较远,这种布局有助于减少路面噪音和震动直接传递到车内。相比之下,麦弗逊悬架的减震器和弹簧安装在较高的转向节上,且减震器上端固定在靠近翼子板的位置,这样的设计使得路噪更容易通过翼子板等车身结构传递到车内,影响乘坐的静谧性。

保时捷911悬架结构

为了缓解这一问题,汽车厂商在麦弗逊悬架的塔顶上采用了橡胶件。橡胶件因其自身的柔性和减震特性,能够在一定程度上吸收和隔绝来自路面的震动和噪音,从而降低传递到车厢内的噪音水平。然而,尽管有这种改进措施,但相比于双叉臂和多连杆悬架,麦弗逊悬架在隔绝路噪方面的能力仍然稍显逊色。
左:麦弗逊     右:双叉臂
因此,在追求高舒适性和噪音控制的豪华车型中,汽车制造商更倾向于采用双叉臂或多连杆悬架,以提供更好的噪音隔绝效果和乘坐舒适性。这些悬架系统通过更优化的布局和更复杂的结构设计,能够更有效地减少路噪和震动对车内环境的影响。



麦弗逊对地面的震动很敏感

麦弗逊悬架的支柱采用偏置和倾斜的方式安装,这种安装结构使得支柱不仅要承受来自车辆加速、制动时的纵向力,还需支撑垂直方向的重量,以及在弯道行驶时产生的侧向力。由于这些多向力的综合作用,支柱内的减震器各部件会受到不均匀的力,进而引发较大的内部摩擦力。特别是在行驶于不平整路面时,摩擦力会使得悬架系统的响应变得更为僵硬,难以有效吸收和隔绝高频振动,从而降低了车内的乘坐舒适度。


为了缓解麦弗逊悬架因摩擦力影响乘坐舒适性的问题,汽车工程师采取了多种创新措施。首先,工程师们引入了弹簧偏置技术,即弹簧与减震器之间的错位安装,使得弹簧在靠近减震器的一端具有较大的刚度,而远离端则刚度较小。这种设计旨在平衡减震器所受的力,减少因多向力作用导致的受力不均问题。随后,为了进一步降低减震器内部的摩擦阻力,制造商在减震器内部应用了减摩涂层。这些措施显著提升了麦弗逊悬架的行驶舒适性,相较于早期设计有了长足的进步。

然而,值得注意的是,尽管有这些改进,麦弗逊悬架在特定工况下仍可能面临减震器各部位受力不均的挑战。相比之下,双叉臂和多连杆悬架由于其结构特性,减震器无需同时承受多个方向的复杂力,因此通常展现出更低的摩擦阻力和更高的乘坐舒适性,从而在这些方面优于麦弗逊悬架。

双叉臂

总结:我也想用多连杆悬架,但是...

麦弗逊悬架在舒适性与运动性能上相较于双叉臂和多连杆悬架存在一定的劣势。然而,在实际应用中,由于多数经济型家用车辆采用横置发动机布局,其发动机舱空间受到严格限制,难以容纳双叉臂或多连杆悬架所需的大尺寸结构,从而限制了这些悬架优势的全面展现。

相比之下,麦弗逊悬架凭借其紧凑小巧的设计,能够在有限的空间内灵活布置,并展现出最佳的适应性。此外,麦弗逊悬架还具有显著的成本优势,这对于追求经济实用性的家用车市场尤为重要。因此,尽管在性能上可能稍逊一筹,但麦弗逊悬架凭借其空间效率与成本效益的完美结合,自然而然地成为了当前汽车市场上装车数量最多的悬架结构。



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轮胎玩家
卖哲轮,资深轮胎玩家,轮胎圈的抖音知识博主,在六家知名轮胎企业担任卡车轮胎销售经理,山东轮胎反忽悠亲善大使,轮胎智商税避税专家,轮胎避坑老司机,80万轮胎夫妻店总教头,卡友网红星探经济人,轮胎批发商全村的希望
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