揭秘：汽车五连杆悬挂系统，原理很简单，做好却很难

汽车悬挂就像迷一样，同样的悬挂系统，真正的驾驶感受却千差万别。目前，最好的悬挂系统是五连杆结构，从过去到现在所有汽车的悬架类型，看似繁琐，实际上都是根据单一的连杆力学定律设计的。因为，从物理运动来讲，这种悬挂最后会约束轮胎只剩下上下移动的一个自由度，这就是五连杆悬挂的最终目的。

首先，什么是“自由度”？

漂浮在空间中的物体可以在空间中自由移动，称为运动自由度。运动自由度可分为六种类型，包括：向前、向后、向左、向右、向上、向下移动，并绕 3 个轴旋转。如果你把它想象成汽车的话，就很容易理解了。

物体运动的 6 个自由度
自由度 1：绕 X 轴平移运动（前后运动）
自由度 2：绕 Y 轴平移运动（左右移动）
自由度3：绕 Z 轴的平移运动（上下运动）
自由度 4：绕 X 轴的旋转运动（拐角处的滚动运动）
自由度 5：绕 Y 轴的旋转运动（俯冲和俯仰的俯仰运动）
自由度6：绕Z轴的旋转运动（转弯时的侧倾运动）

从物体运动的定律来看，汽车轮胎的运动必须留下自由度3（绕 Z 轴的平移运动），这就是为什么是5连杆，而不是6连杆的悬挂原因。如果汽车在凹凸不平的路面上行驶，则汽车在沿X轴前进的同时，受到凹凸路面的晃动，并沿Z轴上下移动。这时，很可能会出现前下沉或后下沉的俯仰运动，但这是绕Y轴的旋转运动。目前，汽车使用了电磁减震器来解决上下颠簸的冲击力。

当转动方向盘并开始转弯时，前轮胎产生侧滑角，轮胎施加转弯力，车头的方向发生变化。换句话说，开始绕Z轴旋转。同时，滚动（绕 X 轴的旋转运动）也将开始，目前使用ABS系统解决内轮差，已实现平稳转弯，此外，还有部分车型会用液压车身稳定系统来解决这一问题。如果在减速时向内转弯，还可能会出现俯仰运动，即前部绕 Y 轴稍微倾斜。在许多情况下，会同时经历六个自由度的变化。

轮胎有六个自由度，假设为了将轮胎连接到车身，使用一根连杆将轮胎 + 车轮 + 轮毂组件连接到车身。此时，我们考虑“轮胎具有的六个自由度中，由于连杆连接而受到车身约束，从而减少了一个自由度。”按照这个思路，如果用另一个连杆将轮胎与车身连接起来，车身也就剥夺了轮胎的第二个自由度。如果再添加一个连杆，剩余的自由度将为 3。如果继续这样连接车身和轮胎，用五个连杆连接起来，轮胎原有的六个自由度就会被夺走五个，只剩下一个自由度。

如果假设剩下的一自由度是轮胎上下移动的自由度，我们就可以看到悬架对轮胎发挥的真正作用。事实上，悬架是一种限制轮胎五个自由度的结构，只留下一个垂直运动的自由度。如果通过不使用这么多连杆来约束轮胎，轮胎可能会发生各种失控的运动。如果轮胎与车身连接的连杆越来越多，轮胎所具有的六个自由度全部被取消，轮胎将不再能够相对于车身上下移动，而成为一个固定的轮胎。如果允许轮胎有两个或两个以上的自由度，轮胎就会晃动，行驶性能就会不稳定。换句话说，好的悬架必须只能有“一个自由度”。

让轮胎只拥有一个自由度是建立独立悬架的基础。奔驰于1982年发布的W201，是世界上第一个采用5连杆后悬架的车型，该悬架的发明产生了重大影响，之后宝马和奥迪也采用了类似的悬架。然而，5连杆悬架并不是最终的结构，原则上，情况恰恰相反：5连杆只是“单自由度独立悬架的基本形式”。毫不夸张地说，所有独立悬架都是5连杆系统的简化版。

例如双横臂式。它可以被视为 A 形臂的简化版本，因为顶部和底部的两个连杆连接在一起并共享轮毂侧的连接点，对轮胎也是控制了五个自由度。

支柱式是可以用“无限长的上A臂”来近似支柱作用的悬架。如果将元件算作连杆，则上部是两个，下部是两个，如果加上用作悬架连杆的横拉杆，则有五个。最开始的悬架是马拉叶式刚性悬架，经过100多年的发展，演变成了5连杆独立前后悬架系统。

然而，在真正的五连杆式悬挂设计当中，对轮胎物理运动的约束是最基本的，此外，还要考虑各种因素。悬挂的每一根连杆两端都配备了橡胶衬套，在抑制运动的同时，衬套会产生弹性，如果控制不好，就会缺乏对车辆控制的精准性。还需要对连杆材质的扭转刚度、变形行程等需要考虑在内。从物理运动的特性来讲，悬架是很好调校的，但是结合悬架材质的变化，确实是比较难的一项技术。

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