發展背景
雙叉臂式獨立懸架有一個有趣的名字——雙願骨式懸架(Double wish bone)。據說這個有趣的名字來源於西方聖誕節上人們喜歡吃的一種火雞的骨頭,當人們開始吃的時候要對火雞身上一根類似V字形的骨頭許願,而這根骨頭就叫願骨(Wish bone)。因為在雙叉臂懸架結構中有兩根“願骨”,故得名雙願骨式懸架。
雙叉臂式懸架的誕生和麥弗遜式懸架有著緊密的血緣關係,它們的共同點為:下控制臂都由一根V字形或A字形的叉形控制臂構成,液壓減震器充當支柱支撐整個車身。不同處則在於雙叉臂式懸架多了一根連線支柱減震器的上控制臂,這樣一來有效增強了懸架整體的可靠性和穩定性。
從結構上來看,麥弗遜懸架只有一根下控制臂和一根支柱式減震器,結構上的最簡單化使它的組成部件通常要一專多能。例如支柱減震器需充當轉向主銷,除要承受車輛本身的重量外,還要應對來自於路面的抖動和衝擊。如果車輛在運動中,一側的麥弗遜懸架受到慣性壓縮,那么車輪的外傾角變化將增大,於是懸架越是壓縮得厲害,這種形變就越是難以得到控制。所以麥弗遜懸架的套用範圍多為小型或中型轎車,車型級別再往上走,結構簡單的麥弗遜懸架便會有些力不從心了。
要改善麥弗遜懸架“脆弱”的特點,就有必要在懸架的組成結構上進行調整。由於麥弗遜懸架只有下控制臂和支柱減震器兩個連線部件,這樣一來就形成了一個“L”形的結構,如果能在“L”形頂端再增加一根控制臂,那么懸架的結構將得到加強。於是通過對麥弗遜懸架植入上控制臂,雙叉臂式懸架結構便應運而生。雙叉臂懸架相對麥弗遜懸架在物理學特性上的改變顯而易見:當一側懸架因慣性收縮時,車輪的外傾角變化也相對較小,不過車輪外傾角的變化大小還可以通過改變上下控制臂的相對長度來改善。因此,工程師在設計和匹配雙叉臂懸架時自由度更大,更能針對汽車的某一種特性如運動或舒適性作出最為合理的調校。
事實上,在車輛的底盤設計之初,設計師便開始考慮如何在底盤上布置複雜的懸架結構,給車輛帶來更好的操控性或更平穩的舒適性。為了使車輪能隨時隨地貼合地面,達到運動性和乘坐舒適性的統一,設計師往往會採用雙叉臂懸架結構,增加減震器阻尼和螺鏇彈簧的硬度也是應對措施之一。在這點上,麥弗遜懸架會因為控制臂的單薄而使車輪外傾角增大,同時使車胎內側負荷增大而加劇磨損。
由於傳統的雙叉臂懸架採用單導向結構,即上下控制臂與支柱減震器相連,實現對車輪上下運動方向的控制,轉向拉桿和主銷相連完成對車輪左右方向的控制。由此看來,減震和轉向是由兩個獨立機構控制,但兩個機構都只具備單導向性。隨著懸架結構的不斷最佳化改進,目前雙叉臂懸架已衍生出可同時負責車輪轉向和上下抖動的雙向控制結構。改進的懸架用轉向節和轉向節支架取代了只用上下控制臂來對車輪進行約束的狀況,車輪轉向通過安裝在轉向節支架間的轉向節鉸鏈完成。在帶轉向機構的前懸中,轉向節支架連線著轉向節球形鉸鏈、穩定桿、液壓減震器以及上下臂。車輪的跳動和轉向分別由這兩個新部件負責,新結構使每個零件承受的力較傳統雙叉臂要小很多,可靠性提高不少。此外動態效能也大為改善,新型雙叉臂懸架獲得了較小的主銷傾角和外傾角,同時方向盤自動回正效果更明顯。
構造原理
雙叉臂式懸架由上下兩根不等長V 字形或A字形控制臂以及支柱式液壓減震器構成,通常上控制臂短於下控制臂。上控制臂的一端連線著支柱減震器,另一端連線著車身;下控制臂的一端連線著車輪,而另一端則連線著車身。上下控制臂還由一根連線桿相連,這根連桿同時也還與車輪相連線。在整個懸架構造中,通過對多個支點的連線提高了上下控制臂以及整個懸架的整體性。
如果是前輪驅動的車型,那么裝配在前輪上的雙叉臂懸架在上下控制臂之間除裝配有傳動機構外,還有轉向機構,這使得其結構比不帶轉向機構的後輪要複雜得多。在轉向機構中,轉向主銷由轉向托盤與上下控制臂的連線位置和角度確定,轉向輪可繞主銷轉動,同時也可隨下控制臂上下跳動。在雙叉臂懸架中通常採用球頭連線來滿足前車輪的運動需要:上下控制臂與轉向主銷的連線部位既要支持前輪實現轉向又要控制車輪的上下抖動。不過由於上下控制臂的長度差問題,這也對雙叉臂懸架的設計提出了嚴峻的考驗——如果上下控制臂的長度差過小,車輪抖動時會造成左右輪距偏大,加快輪胎外側磨損;反之,如果上下臂長度差過大,則會造成車輪轉向時外傾角過大,使輪胎內側磨損加快。因此,可以通過增加上下控制臂的長度來減小輪距的變化和控制外傾角的變化。
另外,雙叉臂懸架的上下控制臂能起到抵消橫向作用力的功效,這使得支柱減震器不再承受橫向作用力,而只應對車輪的上下抖動,因此在彎道上具有較好的方向穩定性。