问题

为什么跑车或赛车上几乎都采用双横臂而不用多连杆(5连杆)悬架?

回答
跑车和赛车选择双横臂悬架(Double Wishbone Suspension)而非多连杆悬架(Multilink Suspension,通常我们说的“五连杆”是多连杆悬架的一种常见形式)的原因,主要围绕着性能、操控、调校的精确性以及赛车对特定工程要求的适应性。下面我将详细解释其中的原因:

双横臂悬架(Double Wishbone Suspension)的优势:

双横臂悬架是一种非常经典的独立悬架设计,其基本原理是通过两个呈“A”字形或“H”字形的横向控制臂(Wishbone)将车轮与车身连接起来。

1. 优异的轮辋定位和运动学特性(Wheel Locating and Kinematics):
稳定轮胎接地面积: 双横臂悬架最核心的优势在于其能够非常精确地控制车轮在悬架行程中的定位。通过精心设计两个横臂的长度、角度以及连接点的几何关系,可以精确控制车轮的倾角(Camber)和束角(Toe)在车轮运动(压缩和回弹)过程中的变化。
优化接地面积: 在转向和过弯时,车轮受到侧向力。双横臂悬架可以通过调整其几何设计,使得车轮在压缩时产生适当的外倾角(负外倾),这样可以使轮胎的接地面积在侧向力作用下保持最大化,从而提供更好的抓地力。同时,束角的变化也可以被精确控制,以提高转向响应和稳定性。
低侧倾中心(Low Roll Center)和转向浮动特性(Steering Floating): 双横臂悬架允许工程师设计一个较低的侧倾中心。低侧倾中心意味着车身在过弯时产生的侧倾量相对较小,这有助于提高车辆的操控稳定性和驾驶者的信心。此外,通过设计,双横臂悬架还可以实现所谓的“转向浮动”特性,即车轮的转向角度会随着悬架的运动而发生一定的辅助调整,这有助于在不同路况下提供更佳的转向手感和响应。

2. 高刚度和强度(High Stiffness and Strength):
结构紧凑而坚固: 双横臂悬架使用两个坚固的横臂来支撑车轮,这种结构本身就非常刚性,能够有效地抵抗路面冲击和车辆行驶产生的各种载荷,不易发生形变。
适应高G值: 跑车和赛车经常需要承受极高的侧向G值、纵向加速和刹车力。双横臂悬架的坚固结构能够承受这些巨大的载荷,并保持轮辋的精确定位,这是实现高性能的关键。

3. 精确的调校和可设计性(Precise Tuning and Designability):
可控参数多: 双横臂悬架的几何参数(如横臂长度、连接点位置、转向节设计等)提供了丰富的调校空间。工程师可以通过改变这些参数来精细调整车轮的运动学特性,以适应不同的赛道、驾驶风格和轮胎特性。
独立控制: 在某种程度上,双横臂悬架的两个横臂可以被看作是相对独立的功能单元,可以独立设计以优化其在不同方向上的受力表现。

4. 与轮胎的协同工作(Synergy with Tires):
最大化轮胎潜力: 高性能轮胎是跑车和赛车抓地力的关键。双横臂悬架的设计目标就是让轮胎发挥出最大的潜力。通过控制倾角和束角,确保轮胎在各种工况下都能获得最佳的接地压力分布和接触斑,从而实现最大的抓地力和最快的圈速。

5. 相对简单的设计(相对而言):
虽然复杂的双横臂悬架调校起来非常精细,但其基本结构相对多连杆悬架而言更直观一些。工程师更容易理解和分析其运动学特性。

多连杆悬架(Multilink Suspension)的特点与在跑车/赛车上的考量:

多连杆悬架通常有三个以上的控制臂(连杆),通过复杂的几何组合来控制车轮的运动。它非常擅长在保持舒适性的同时,提供良好的操控性。

1. 卓越的舒适性和路面适应性:
多连杆悬架能够更好地吸收路面不平整带来的冲击,提供更柔和的乘坐体验。这是多连杆悬架在许多家用轿车和SUV上普遍使用的原因。
它可以更好地在不同路况下保持轮胎的良好接触,提升行驶的平顺性。

2. 更复杂的几何关联:
多连杆悬架的优点在于通过多个连杆的联动,可以实现非常复杂和精细的轮辋定位控制,例如可以独立控制倾角、束角、后倾角等多个参数,甚至可以在行程中实现某些参数的变化,以优化操控和舒适性。
然而,这种复杂性也带来了设计和调校的难度。一个连杆的改变可能会影响到其他多个参数,需要非常精密的计算和大量的实测来达到理想效果。

3. 在赛车上的局限性:
舒适性并非首要目标: 赛车的首要目标是速度,而非乘坐舒适性。因此,多连杆悬架在提供舒适性方面的优势在赛车领域变得不那么重要。
调校的复杂性和不可预测性: 尽管多连杆悬架提供了更多的调校可能性,但在赛车环境下,工程师往往需要非常快速和精确地调整悬架以适应不断变化的赛道条件和轮胎衰减。双横臂悬架的几何参数相对更容易理解和调整,并且其运动学特性在高性能应用中表现更为直接和可预测。
潜在的刚性不足(相对于双横臂): 为了实现多连杆悬架的复杂功能,它通常需要使用较多的连杆和球头。如果这些部件的刚性不足,或者设计不够精巧,可能会在承受高G值时出现形变,影响轮辋的精确定位,这对于追求极限性能的赛车来说是不可接受的。虽然现代多连杆悬架也可以做到非常高刚性,但整体结构复杂度可能带来更高的工程挑战。
重量和包装: 多连杆悬架由于其结构组成,通常比双横臂悬架更重且占用的空间更大。在追求极致轻量化和优化车身结构布置的赛车领域,这可能会成为一个劣势。
转向柱和转向机的集成: 在前悬架设计中,多连杆悬架的转向柱和转向机往往需要与多个连杆进行连接和协调,这会增加设计的复杂性,并且可能会在转向过程中引入一些额外的力矩传递或虚位。

总结:

总而言之,跑车和赛车之所以偏爱双横臂悬架,是因为:

双横臂悬架在控制车轮运动学特性方面具有先天优势,能够精确控制轮胎的倾角和束角,最大限度地提升抓地力和操控性。
其结构更直接、更易于理解,并提供了丰富的调校空间,让工程师能够更精确地为特定赛道和驾驶需求进行优化。
双横臂悬架的刚性和强度能够更好地承受赛车所面临的极端载荷。

虽然多连杆悬架在理论上也能实现高性能,但在赛车领域,双横臂悬架的直接、可控、高刚性以及优异的轮辋定位能力使其成为更受欢迎和更有效的选择。当然,现代赛车悬架技术也在不断发展,一些高端赛车也会采用经过高度优化的多连杆设计,但双横臂仍然是许多高性能车辆的首选。

网友意见

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挺简单的问题,咋就说不明白了……

双叉臂就是五连杆,五连杆就是双叉臂,都一码事。

(赞的多了得补充一句,这么讲主要是原理相通方便理解)

我知道这说法可能很多人听着不能理解,下面解释。

题主问的是“为什么用双叉臂(双横臂/双A臂)而不用多连杆(五连杆)”,这必然问的是后轴了;题主既然知道加个括号五连杆,想必也知道四连杆五连杆梯形连杆都可以叫“多连杆”。那么很好,问题好解释了。

这是86/BRZ的后悬架,官方定义是双叉臂(确实也是)。

标注一下,上方这个Y字型是上叉臂(红),下叉臂被分解成了两根(蓝),再加一个Toe杆控制束角(黄)(放在前轴就是转向拉杆)。

这其实已经不算是标准意义上的双叉臂,因为下叉臂被分解成了两根独立连杆。

如果是前轴:

拆分叉臂会将主销下点向外推,形成虚拟主销,主销内倾角增大,主销延长线接地点更靠外,主销偏距更小。

如果下叉臂没分解,比如让下叉臂变成下图中“蓝(左)+紫”,主销下点的位置就是紫色圆点。把下叉臂拆开,变成两根蓝色线的位置,主销下点向外推(下图白色箭头)。

因为上叉臂没有拆分,主销上点并没有变化,主销下点被向外推,主销内倾角度增大,主销延长线与地面的交点向外移动,更加接近轮胎中心线,主销偏距减小(下图白色箭头)。

OK,由于后轴无需转向功能,无所谓注销位置,

所以对于后轴:

现在把上叉臂也分解成两根独立连杆,红色Y字变成两根红线(下图白色箭头),就得到了五连杆(2红2蓝1黄)。

比如这样:

下面是雷克萨斯LFA,后轴多连杆(五连杆)结构。

下方视角,可以很明显看出下方两根摆臂是分开的,有了上面的经验应该不用标注了吧:

至于上面部分,也很容易看到彼此分离的两根上摆臂(下图红+蓝):

我们再看一下标准的(上下叉臂皆不拆分的)双叉臂,比较一下区别,红色是主销轴线:

当然不只是后轴可以这么拆着玩儿,奥迪举手表示前轴我也可以:

于是——奥迪就管自己这种上下都拆的双叉臂,连带着转向拉杆算一杆,叫做五连杆了。MLB Evo后轴用的也是五连杆,于是官方定义为前后五连杆。

行,你爱叫什么叫什么吧。

但通常来讲,我们还是习惯把这种玩意儿依然叫做“双叉臂”的。这也有道理,不然奔驰那种上臂不拆、下臂拆的前双叉臂叫什么?“单叉臂+三连杆(下臂拆出俩杆+转向拉杆)”吗?

再来拓展一下,叉臂拆分之后的两根杆不光可以分开,把主销上点向外推,还能向内推。这是奔驰S级W222的后轴,五连杆,上方的两根连杆变成交叉布置,主销上点(红蓝交点)更加靠内:


所以其实根本没有所谓“五连杆后悬更常用于豪华轿车、双叉臂后悬更常用于跑车赛车”,归根结底是一码事,看你想不想把叉臂拆开,以及——只拆下叉臂还是上下都拆,拆完是两根分开还是两根交叉。

对于前轮,叉臂拆成两根,会将主销轴线向外推,一般能减小主销偏距,减小磨胎半径;像奥迪这样前悬架上下都拆,更适合前轮动力较大的全时四驱,但是会影响转向手感。


不过我们讨论的是后轮,主销的影响基本可以忽略。

后轮不需要负担转向功能,其实天然就适合拆成五连杆而不是标准的双叉臂。对于大马力后驱车,五连杆在转向节上有五个间距较大的硬点(而标准双叉臂只有三个),相对更容易控制绕Y轴滚转的自由度。这也是为何今天纯电动平台(MEB、PPE、E-GMP等)纷纷使用五连杆后悬的原因之一。

但五连杆相比双叉臂,球节/衬套数量从8个增加到了10个,这部分成本更高了,五个硬点的转向节也更复杂,但对复杂调校和NVH有好处。不拆叉臂或部分拆分的双叉臂后悬,如果是大马力后驱,对连杆尤其是束角控制臂的强度和刚度要求比较高,但车轮几何调整起来更快捷更简便,并且占用空间也比五连杆要少。


我的理解:五连杆(乃至梯形连杆)(相对)更适合看重原厂表现和兼顾NVH品质的车型,而双叉臂后悬更适合需要不断调整、后轴空间有局限的需求。

几个后真·双叉臂的例子:

髪国小跑Alpine A110

本田S2000

几个后多连杆的跑车例子:

Laferrari(梯形连杆)

918(五连杆,其实是上下拆分的双叉臂)

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