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电动时代没悬架什么事? 五连杆俨然成为主流之势

2021-11-28 08:35:12

  “五”,在汽车世界里是一个神奇的数字。

  绝大多数乘用车的轮毂,是由五个螺栓固定的。主流的民用发动机,每缸气门数最多就五个,极少有多于五气门。悬架有很多类型,但连杆数到了五便止步,从没听说过有“六连杆”。被小岳岳唱出圈的,是五环之歌,而不是三环四环(误)。

  这些并不全是巧合,比如每缸五气门封顶就是一个数学问题——但这不是今天的重点,好奇的话我在最后留三句话解释一下。

  重点是,倘若你关注汽车的底盘悬架,会发现如今,采用五连杆后悬架的新车突然间比比皆是。作为所谓“多连杆”中的一类,五连杆俨然有成为其中主流之势。用本胡的话讲,这是在电动化大趋势下,更加确定得多的“小趋势”。

为啥是五?

  全新研发的纯电平台中,就有大众MEB(ID.)、奥迪/保时捷PPE、奔驰EVA(EQ)、现代E-GMP、福特Mach E、特斯拉Model 3/Y,整齐划一的后五连杆阵营。国内致力于品牌升级的车企,小鹏P7、智己L7、高合乃至沙龙,后悬架也都用上了五连杆结构。

  在燃油车世界,五连杆大体上只属于高端、豪华、后驱车。宝马CLAR平台、奔驰纵置车系、奥迪MLB Evo(奥迪前悬也叫“五连杆”,后面会说),早就是清一色的后五连杆。很久没动静的捷豹路虎都跟上了潮流,前不久发布的新一代揽胜,也趁换代机会改用五连杆后悬。

电动时代没悬架什么事? 五连杆俨然成为主流之势

  “多连杆”是老车迷们很熟悉的词了,但这个名字其实非常、非常、非常的宽泛且不标准。

  “多”连杆嘛,多于两or三根皆可称“多”,至于这些杆子长什么样、怎么排布,都没作限定。能称“多连杆”的悬架类型远不止一种,像五连杆就可以算其中一种“多”法。同理,所谓“三连杆”、“四连杆”,其实也是含糊而不标准的叫法(只是它们的界定范围更窄,带来误解不如“多连杆”严重罢了)。

  但五连杆(独立式五连杆后悬架)就基本不存在误解了,因为五根连杆就只能有这一种悬架形态:五根连杆彼此独立且不平行,各自连接车身端(副车架)和车轮端(转向节),每端都有五个连接点(硬点)。

  至于原因,要回到开头所说的,为何后悬架五根连杆封顶。归根结底,本质原因是我们生活的空间是三维的。长宽高三个维度(x、y、z轴),于是任何物体在三维空间内都有3×2=6个自由度。即沿x、y、z方向上的平移(3个),和绕x、y、z轴的滚转(3个)。

  会拧魔方的朋友理解起来应该简单一些。

  一根连杆,可以限制物体的一个自由度。五根不平行的连杆,即可限制住物体的五个自由度,即物体在五个方向上的移动受限。对于汽车后轮这就够了,因为我们要留出一个自由度即z轴方向上的平移,给弹簧和减振器去允许车轮可以上下起伏。

  举一反三,对于前轮悬架系统需要约束四个自由度,比后轮多出一个车辆z轴方向上的滚转自由,即前轮的转向功能。事实上这个看似被释放的自由度,是由转向拉杆去约束和控制的。因为这一点区别,前轮和后轮有了不同的悬架发展路径。

  不理解的话我们上图,下面分别代表了三根、四根、五根连杆情况下,连杆系统对车轮的约束。其中,四根连杆释放了上下平移、左右偏转,相当于前轮(不含转向拉杆)的情况;五根连杆则只允许车轮做上下平移,相当于后轮的情况。

  需要特别说明,上图中的“三根连杆”、“四根连杆”,与汽车行业里说的“三连杆悬架”、“四连杆悬架”无任何关系。如果所谓的“三连杆悬架”像上图中“三根连杆”这个样子,车轮会在三个方向上自由,那这车根本没法开。

  所谓的“三连杆悬架”其实还有其他部件,才能形成对车轮在五个自由度上的约束——这也再次说明了,“三连杆”“四连杆”这种悬架名称有多不靠谱(事实上,这些名字描述的“连杆”多不是字面意义上的连杆,而是更复杂的结构部件)。

  说回五连杆,从悬架的基本功能——控制车轮自由度来看,这几乎是最简单、最直白的后悬架结构了:需要约束五个自由度,每个连杆可以约束一个,那么我上五根连杆,搞定。

  但五连杆悬架也有一些问题,首先是总计10个连接点太多,乘用车就需要使用多达10个球铰/衬套,成本不菲。五连杆的五根杆子撒开,对于后轴的空间占用不小。所以在以往燃油车时代,五连杆并不是一种占主流地位的后悬架类型,一般只用于高端车型上。

电驱好搭档

  从燃油时代到电动时代带来了三个改变,第一,汽车采用后驱及四驱布局比以往容易得多;第二,电动机可以轻易实现大得多的功率输出;第三,电动车的电池容量和续航,与前后轴之间的底部空间大小息息相关。

  后驱、纵置全驱布局,以往多只出现在BBA这类豪华品牌的中高端车型。而今,大众MEB、现代E-GMP、吉利为电动smart准备的SEA-2,这类面向主流经济价位的电动车平台,都采用了后驱为主、四驱可选的驱动布局。

  为了适应后轮电机的瞬时大扭矩输出,它们都选择了五连杆结构的后悬架,而不是以往同级别燃油前驱车惯用的E型多连杆、扭力梁。

电动时代没悬架什么事? 五连杆俨然成为主流之势

现代E-GMP现代E-GMP

  除了五连杆,另一种适应大扭矩、常用于高端车的后悬架类型是H臂多连杆(integral link,也称梯形多连杆)。此类悬架由于H臂的特殊形状,对轮轴中央的空间限制较大,影响到后电机的布置;更需要昂贵的铝材发挥效能,钢制结构则过于沉重;硬点分布没有五连杆那么分散,对更大扭矩的适应不及五连杆。

  前面说到的路虎新一代揽胜,后悬架就从上代的H臂多连杆,切换到了五连杆结构。捷豹路虎车辆项目执行总监曾透露,此举正是为了给后轴留出更多可安装电机的空间,为2024年推出的纯电版揽胜做准备。

  不过,也有一些电动车采用了H臂多连杆后悬架。典型如特斯拉Model S/X,极氪001的SEA-1平台也选择了H臂而非后五连杆。

SEASEA

  不光是动力系统,后悬架对于电池和续航的影响,也是五连杆在电动时代崛起的原因之一。无论是扭力梁悬架还是E型多连杆,都需要一个向前伸出的纵臂结构。

  这根纵臂会影响到前后轴之间电池包的可用长度,可偏偏对于此类悬架而言,这根纵臂越长其性能表现整体上会越好。于是无论如何,电池包都会被悬架结构“吃掉”一部分,3米轴距也许只有2.5米能放电池,续航也就无法达到同尺寸最优。

MEB前驱构型MEB前驱构型

  最直观的例子是大众的MEB前驱构型,为低成本而生,更换了后扭力梁悬架。为此后电机直接被取消,变为仅前电机前驱、高压系统在前。但是电池组也受到扭力梁前铰接点的影响,长度被缩小,同等轴距下的续航上限注定会不及MEB后驱构型。

Kona EVKona EV

  当然也不是完全没办法,现代Kona EV(非纯电平台)也使用E型多连杆后悬架,为了减少纵臂的影响,其电池包在后缘两侧“切”出了一块缺口(上图黄圈),使得电池包可以直接“怼”到靠近后轮轴心的位置(上图红色箭头)。

  不过这样的切口依然会损失电池容量,现代为了增加电池,在后排座椅下方增加了一层电芯模组。不过这样的电池层叠方式,一方面不利于电池散热条件均等,为一致性管理增加难度;另一方面,电池贴近后桥的前提,是放弃了后电机的可能(然后现代就开发了E-GMP)。

  丰田前不久推出的首款纯电平台bZ,采用前驱为主、可上四驱、后E型多连杆悬架。为了避开后悬架纵臂,并且不影响可能的后桥电机,电池包只能让出了一块不小的底盘区域,这使其天生就在续航里程上有些吃亏。

双叉臂亲戚

  除了这些和电驱动直接相关的因素,近年来迅速蔓延的后轮转向技术,也是后五连杆渐成主流的原因。

  后五连杆悬架从结构上来说,可以视作双叉臂悬架的近亲,其中的束角控制臂(camber link)可以视作前悬架中的转向拉杆。于是对于后五连杆,只需为束角控制臂增加一个转向机构,就能迅速得到后轮转向功能,而不必对悬架结构做太多改动。

保时捷Panamera的后轮转向系统保时捷Panamera的后轮转向系统

  奥迪在MLB平台进化到MLB Evo时,就已经切换到了前后五连杆悬架。不过它的这个前五连杆,并非把后悬架装到了前轴,而是一种上下叉臂均被分拆的双叉臂前悬,奥迪将转向拉杆也算上叫做“五连杆”。

前五连杆,注意上“叉臂”已被分成两个连杆前五连杆,注意上“叉臂”已被分成两个连杆

  可以认为这再次说明,用连杆数量命名不靠谱。不过转念一想,我们刚刚说过五连杆后悬架结构上其实非常接近双叉臂。事实上,把前双叉臂悬架的叉臂全部分拆为单个连杆(二变四),再加上转向拉杆为一杆,确实与五连杆貌离神合。

  所以,并不是奥迪把双叉臂喊作五连杆,而是这俩本来从原理上讲就是亲戚。

后面标准的后五连杆后面标准的后五连杆

  事实上,奥迪在燃油车时代选择前五连杆,与其全时四驱系统对前轴也有较大压力有关。这种情况同样出现在新时代的高性能电动车上,于是我们看到奥迪PPE这样的高性能电动平台,也继承了同样的前五连杆/上下拆分式双叉臂悬架。

  蔚来在ES8、ES6一直使用标准的双叉臂前悬架,但到第二代平台的轿车ET7,顺手将前悬架改为了奥迪同款前五连杆。

电动时代没悬架什么事? 五连杆俨然成为主流之势

  至于为何拆分后的五连杆,比“原版”双叉臂更适应前轮强动力,则与车轮几何中的主销外倾角和主销偏置距有关,这里不再多说。

  电动车,乃至所谓智能电动车,最大的阻碍不是别人,而是自己(的拥护者)误以为电子系统能够搞定一切,以前的所有积累都通通一夜变鸡肋。本胡这几年已经不止一次遇到读者朋友质疑,“电动车了不需要看什么底盘悬架了”,仿佛未来的智能电动车不用轮子长脚了似的。

  事实呢,电动化对于汽车基础部分的影响不可小觑,机械基础的进步发展也从未因电动化而停止。车身如此,转向如此,传动如此,悬架同样如此。千万不要汽车评测口水文看多了,以为悬架二字就只代表着绕桩劈弯。它更是乘客与路面之间最重要的缓冲,是车辆动态性能的基础——如果动态表现可以忽略,那这是汽车还是一顶金属帐篷?

  最后,如果你感兴趣的话:主流汽车发动机的气门数量最多不过5个(绝大多数是4个,不考虑极少数特例),是因为四气门和五气门时,气门开口总面积占气缸截面积的比重才最大(68%),理论上进气效率最高。无论是更少气门还是更多气门,这个数字都会降低,这是一个平面几何问题。

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