因为埋头于公司的主营二手车业务,有一年半没怎么写纯粹的汽车科普了,毕竟小团队初创,诸事欠妥,还是要多投精力,才能交得起房租养得起一百多个家庭。
不巧,昨天逛“诺诺学员2群”,看到里面转发了一个视频,大意是:
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厂方宣传说新三系(加长版)取消防倾杆是因为车身刚度增加,视频认为是在扯淡,因为防倾杆和车身刚度并没有关联;
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新三系取消防倾杆会让车尾稳定性恶化,乃非常可惜之举;
我是宝马的忠实粉丝,也在汽车研发一线干过十年,有必要站在工程师的角度发表一下观点。
老规矩,饮料瓜子准备好,通俗易懂的诺式科普又回来了。
“原车本来有防倾杆,把它摘掉,车子开起来确实更晃,但当一台车造出来时就没有防倾杆,还是值得琢磨一下的...”
【A】防倾杆是把双刃剑
这一部分是很多读者都了解的知识,一带而过。
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独立悬架取代非独立悬架,是一大进步,因为两侧车轮可以独立响应地面的起伏,舒适性大为改善;
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独立悬挂的固有缺憾就是过弯支撑欠佳,容易侧倾过大,所以工程师又在左右轮之间连了一根“扭转弹簧”,让两侧悬挂的行程在一定程度上有所关联,通过这种“制约关系”来减少侧倾角,这根“扭转弹簧”俗称“防倾杆”,学名“平衡杆”;
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独立悬架中的防倾杆,实质上是革命不彻底的遗留,它将独立悬架往“不独立”方向拖累,但是在工程师没有找到更好方案的情况下,独立悬架只能选择跟它睡在一起,舍小保大;
图 :键盘空格键下面也有根防倾杆,无论你按左侧还是右侧,另一端都是同步跟动,它让按键的左右侧不再“独立”
【B】侧倾是怎么造成的
只要把侧倾趋势降低到可以忽略的地步,自然就可以告别防倾杆,而且簧下质量也会明显降低,这些都是对操控有益的改进。想减少侧倾,我们先来了解一下它是怎么产生的。
当你驾车转弯时,离心力指向弯道外侧,所以车身也会往弯道外侧倾斜,这仿佛是每个司机心里的公理,就像苹果熟了一定会往下落一样,但真相并不一直是这样的。
车身也可以往弯心倾斜,也可以不倾斜,这完全取决于侧倾力矩是如何作用的。有不少人坐过快艇,快艇转弯时甲板就是往弯心倾斜吧,怎么回事呢?
船为了在水上稳定漂浮,重心一定要低于浮心,只有在这种情况下,当重力和浮力同时“拉扯”船身时,船身可以很轻松地保持稳定。在通常的船身截面形状下,浮心就可以认为是船身侧倾的转动中心,因此当船身转弯时,施加于重心的离心力,就会让甲板朝弯心倾斜。这就是重心低于转动中心的案例。
(注:这里只举了船舶漂浮的一种情况,至于船舶稳定性理论,其实比这个复杂,还有稳心什么的,这里不再展开)
回顾我们熟悉的汽车,倾斜方向和快艇是相反的,这就是因为通常汽车的重心都是高于侧倾转动中心的。
侧倾趋势的大小,我们用侧倾力矩来表示(力矩=力x力臂),所以想要减少侧倾,汽车工程师只要设法拉近重心和转动中心的距离即可,如果可以让两者重合(L=0),那么侧倾力矩就被完美地消灭了,我们就再也不需要防倾杆了!
(BRZ:侧倾力矩即将被消灭......)
可惜由于种种限制,我们在量产车上还无法实现两心大团圆,只能在有限条件下尽量让彼此靠近,他们靠得越近,防倾杆就可以做得越软,对两侧悬架的独立性就影响越小。
我知道好早以前奔驰设计过一款概念车,连顶棚都没有,两个座位,驾驶员需要带着二战时的那种皮帽子和飞行护目镜来驾驶,这款车过弯时的侧倾就是反的,类似快艇一样,悬架设计得很出彩,偏转角度让驾驶员基本体会不到侧向离心力。(求助:哪位知道车型名?)
嗯,家里有宝马老三系E90的诺粉,可以寻找一下后悬架防倾杆,虽然它没有被挡住,但我打赌你们并不能马上找到它!因为这根杆子已经细得和手刹线一样了,当底盘满是尘土时,你的确需要好一会才能分清后轴的刹车油管、手刹线和防倾杆。
E90后防倾杆的刚度可能只有前防倾杆的1/10甚至更小,也就是说E90的后桥动态表现是相当棒的。当年我看到这一幕的时候,就对宝马的底盘调校佩服得五体投地,心想,这要是再努努力,后防倾杆直接就可以取消了,那样独立悬架的优势必将发挥得淋漓尽致啊!
当然,我还不清楚G28到底什么情况,还无法确认宝马工程师是否真的做到了登峰造极,不过,这么细的一根防倾杆,即便是直接去掉它,我估计牺牲侧倾造成的减分和改善独立弹跳获得的加分,其实都甚微,整车而言无所谓好坏变化,对于日常使用更是难以觉察。但无论如何,一定不能光靠看“有没有防倾杆”或根据“杆子的粗细”就对车辆的动力学特性做出判断。
【C】车身刚度和侧倾是有密切联系的
某些视频指出车身刚度和侧倾无关,其实这两者是密切相关的,这不怪他们,只是并非人人都学过汽车动力学。
在研发的最初阶段,设计一款车型的动力学特性时,我们会把车子切成两段,前半截和后半截,分别研究。
刚才我们说到了后防倾杆是使使劲有望取消的,但前防倾杆通常都很粗大地存在,即便是宝马3系,前防倾杆也有擀面杖一般粗。这就是因为前后两部分的车身动力学特性存在差异造成的,这也是工程师们把车子“一分为二”后的调校结果。
如前所述,一旦切开,前轴和后轴都有各自独立的重心和转动中心,所以前后轴得分别匹配侧倾抑制措施。后轴因为通常没有发动机变速箱,油箱位置较低,所以后轴的重心也更容易接近转动中心,加之后桥的转动中心本来就偏高,所以经过进一步调整后,取消后防倾杆是更现实的改进。
好了,既然车子可以被工程师拦腰切开,那么在某种过弯工况下,前、后半截都可以有各自的侧倾力矩,各自的侧倾刚度,最后也会得到各自的侧倾角吧?对的,但当前、后半截计算出来的侧倾角不一样时,又怎么解读呢?
这个时候就必须用到“车身刚度”这个概念了,确切地说,是“车身扭转刚度”。你可以把它理解成连接前后车身的一个弹簧,目的就是在中间起到一个牵制作用,不让前、后车身各自的侧倾角差得太离谱。
大家觉不觉得,说到这里,又很像在独立悬挂的中间硬加入一个防倾杆,让左右悬架的动作有所制约的那个感觉,对吧?只是这一次把“左右”换成了“前后”而已。
一旦代入车身刚度,前后段就联系在了一起,通过一个扭矩平衡方程就可以求出车身被扭转的角度,而此时前后轴各自的侧倾角度也会更加接近,和两侧悬挂间加入防倾杆后建立的方程几乎一模一样。
不细聊方程,举一个车身扭转刚度几乎为0的例子,大家小时候坐过那种车身分为两节,中间带转盘的公交车吧?学名叫铰接公交车,前后车厢可以按各自的侧倾角扭转,开起来整个车都扭扭的,很有趣。在设计时,这样的车辆(包括火车、拖挂车),就必须设计各自的防倾措施。
图:迪士尼的《玩具总动员》里面有只弹簧狗,当时一看到这个动画片,就让我想起了车身刚度模型(图片来自网络,迪士尼商城)
我们再设想一下,车身扭转刚度为无穷大的例子,此时车身是绝对刚体,任何情况下前后车身的倾角永远一样,无论把防倾杆装在哪根轴上,过弯时的侧倾角都是一样的。
但现实是,车身不是绝对坚硬的,常常迫于成本压力,车身会被做软,于是摆在底盘工程师面前有两条路:
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遇到“偏软”的车身,就得尽量在前后轴上调整各自的防倾措施,让前后车身侧倾表现尽量接近些(不可能完全一样的),控制前后侧倾角差异对车身的扭转形变(现实中不少车型研发并没有太关注这个);
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有幸遇到车身设计得非常硬的时候,就可以在(1)的基础上做适当的防倾刚度迁移,将就空间布置、配重等要素,比如说把已经很细的后防倾杆“合并”到前桥上去。
图:对于绝对刚性的理想车身,无论防倾措施设计在哪根轴上,前后桥侧倾永远一致
有些车友说自己的风挡在过弯时裂开,就是这个原因。过弯太猛,而车身前后段的侧倾差异太大,加上车身本来就不够硬,过大的车身变形拉裂了挡风玻璃。一句话,研发阶段没把车子调好。