科普貼——神奇的懸掛

發信人: icefox


假設你要在家自製一台汽車，粗略來說，需要什麼部件？可能大部分人的直覺都是：需
要一個鋼架做底盤，插四個輪子，前輪要能轉向，要有剎車，需要一台發動機，連接到
後輪上，再來一個車身車座安在鋼架上，這樣就有一台最基本的汽車了。踩油就走，剎
車就停，打方向就拐彎，夫復何求？可是如果你開這樣一輛車上街，會有兩個問題。第
一。不出一里地你跟車就都被顛散架了。第二，稍微開快一點，你就會發現車不聽使喚
，非常容易打滑。這是因為其實你忽略了汽車非常重要但常常被忽視的一個部件——懸
掛（suspension）。在馬車時代，車沒有發動機，沒有方向盤，可能也沒有剎車，但已
經有懸掛了。所以，可以說懸掛至少是跟動力、轉向系統一樣重要的東西。


懸掛有非常多的講究，我這篇科普文只提供對於懸掛最基本但是最重要的理解。雖然一
般人直覺里會把整輛車想像成一個整體，但是我請你違背這個直覺，把車想象成兩部分
：整個車身是一個有重量、剛性（完全堅硬）的方盒子，四個輪子是沒有重量、沿著路
面上下跳動的，而兩者之間由四根彈簧連接。另一個一般的直覺是路是固定的，車在路
上跑，車是運動的。我則請你也違背這個直覺，以車身為參考系，注意不是車輪，而是
車身。按照這個思路，一輛汽車其實可以被描述成這個簡化模型樣子：一個很重的盒子
，壓在四根彈簧上，每根彈簧下邊又壓著一個無重量的輪胎在沿路面滾動。能夠接受這
個思維方式，就離理解懸掛的工作原理不遠了。


因為路面不可能是完全平整的，所以被彈簧壓著滾動的輪子，會沿路面向後走時的不平
整而上下跳動。如果輪子直接連在車上，那麼上下跳動的就不光是輪子而是整個車身了
。而彈簧的特點是可以把位移改變為力量。換句話說，彈簧下端跟輪子連接上下移動，
但上端並不一定要移動，只是輸出出一個大小變化的力給車身。四個輪子同時輸出的力
，共同決定了車身的運動。彈簧輸出的力跟位移之比就是彈性係數，也就是軟硬程度。
因此，彈簧越硬，同樣的位移輸出的力量就越大，所謂顛的感覺。相反彈簧越軟，同樣
的力量帶來的位移也就越大，所謂像船一樣的感覺。


現在大家想象一下你打方向時會出現什麼情況。以車身為參考系，兩個前輪拽著車身下
沿往右推，這個力量會造成車身向左翻滾的傾向。這時左側兩個彈簧受到擠壓，就會縮
短，同時輸出更大的力量，而右側相反。彈簧的縮短與伸長就造成了車身側傾，而兩側
輸出的力量差則會把車身推正/拉正。也就是說，當你打方向時，並不是輪胎在推動車
身移動，而是輪胎在推動彈簧壓縮，然後彈簧才推動車身移動，同時車身通過車座推動
你移動。而且彈簧釋放吸收輪胎的能量本身也是一個過程，所以即使你猛打方向盤，一
瞬間製造很大的能量，這個能量也會緩緩地釋放給車身。這兩個過程體現在駕駛感覺上
就是當你打方向盤時，你的身體感受到的側向推力與你打方向盤動作之間的微小延遲和
失真。彈簧越軟，這個延遲越大，失真越厲害，側傾也越嚴重。那麼沒有懸掛的車轉彎
會是什麼感覺呢？因為你手上輸出的動作毫無緩衝馬上要全部通過輪胎轉給車身，輪胎
一瞬間會有極大的負擔，很容易超過極限而打滑。因此沒有懸掛的車，轉彎能力會非常
差，稍猛打方向就打滑。車最初開始轉彎一瞬間的能力，也就是輪胎開始把能量傳給彈
簧的能力，稱為turn-in。綜上所述，在一定範圍內，懸掛越硬，感覺turn-in越sharp
（無延遲，線性反應），但是硬到一定程度彈簧就接近於剛性連接了，此時輪胎負載過
大，turn-in能力反而會下降。


這樣基本就說清了懸掛硬度、操控和運動性的關係。懸掛很軟，車會顯得舒服，但是轉
彎時側傾較大，另外最重要的是轉方向和身體感受到的力量之間會有微小延遲和不符。
這樣的車可以稱作操控感不好，因為不能清楚感覺到自己的操控。如果懸掛很硬，車會
更顛一些，但是轉彎時側傾較小，更重要的是turn-in會更sharp，身體更能清晰、無延
遲地感受到方向盤的動作，所謂反饋更清晰。但是這樣做其實增加了turn-in時前輪的
負擔，所以當懸掛過硬、前輪超出極限后，反而會出現轉彎打滑無法turn-in的現象。
因此車廠在車輛設計的最後階段，都會花大量的時間進行懸掛調校，找到舒適、駕駛感
反饋、turn-in之間的一個完美折衷。定位偏舒適的車，比如lexus，會往偏軟的方向調
，而定位偏運動的車，比如bmw，會往偏硬的方向調。這兩者不分好壞，而取決於車輛
的市場定位，所以拿軟硬來bash車是毫無道理的，買適合自己的車就好了。


最後說一下，我最初提到的簡化模型有三個假設其實並不成立。第一是車身完全剛性，
實際上大多數車身剛性都並不很強，懸掛給它輸出的力量較大時車身會變形，體現在駕
駛中就是地上有不平整起伏的時候車內咯吱咯吱響。這個車身變形會影響懸掛的正常工
作，降低抓地能力，增加車內顛簸。高檔車、運動車，都很講究車身剛性要強。當你開
一輛車過小坎、小溝壑時，如果聽到輪胎砰砰的悶響，但身體感覺不到什麼振動，就是
車身剛性強的表現。第二是輪胎無重量，實際上輪胎有一定重量，會吸收一部分能量，
影響到懸掛的工作。因此高檔車、跑車都把輪圈做得很大，橡膠較少，減低輪胎重量。
第三是四個輪子獨立通過彈簧連接在車身上。實際上大多數低檔車都並非四輪獨立懸掛
，兩個輪子之間有關聯的結果就是每個輪子不能完美根據自己的路況來工作，降低抓地
能力，增加車內顛簸。所以獨立懸掛是高檔車、跑車的一個基本要求。同時，跑車一般
還安有放滾杠，正常駕駛時四輪等於是獨立的，過彎時則會連接兩側輪胎增加回中力，
屬於更複雜的設計。


懸掛其實還有另一個很重要的部分我忽略了，就是避震shock absorber。避震安在懸掛
彈簧之下，它跟彈簧的區別在於彈簧會把所有的輪胎位移能量都儲存起來然後輸出給車
身，而避震只能吸收微小位移的能量，而且並不輸出，而是轉化為熱能散發掉。對於大
的位移，它等同於剛性連接。所以避震就像過濾器，過濾掉路面最細微的不平整。避震
的軟硬跟懸掛的效果類似。避震太軟的話會吸收掉太多的位移能量，輸出給彈簧的力量
不足，造成懸掛被bypass失效，抓地力下降。避震較軟車內顛簸會少。避震較硬車內顛
簸較大，但懸掛可以更好地工作，增強操控。避震太硬時，有的細小顛簸不能被過濾掉
，高速狀態下會造成車身顛簸跳起輪胎離地，反而減低抓地力。


總之懸掛系統是汽車極為重要的系統，也直接決定了車輛的駕駛性能和駕駛感受。理解
懸掛原理的關鍵在於以車身為參考系，並且把車身和輪胎分開來考慮。懸掛調整不能走
極端，而在適中的範圍內，軟硬主要取決於車輛的市場定位，所以懸掛軟硬也並不能體
現車廠、品牌的技術實力。
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