【汽车轻量化在线】前几期的文章中,我们介绍发动机布置与驱动方式时,介绍了车辆重心以及前后轴荷对于操控的影响,那个是从更宏观的角度去看重量分布,今天我们来看一个更加微观的重量分布问题,那就是簧下质量。所谓簧下质量,簧指的就是悬挂系统中的减震弹簧,整体意思简单说就是弹簧之下的重量。那么,为什么会把簧下质量单独拿出来分析?这部分的重量对于车辆的操控与舒适有怎样的影响,今天我们就跟大家一起探讨下。

  ▌ 簧下质量的定义与组成部分:

  汽车的悬挂结构比较庞杂,想要清晰界定簧下质量部分不是一件容易的事情。我们都知道,汽车悬挂安装在车身和行走机构(车轮、车桥)之间,起到支撑车身、减少震动的作用,如果从悬架的弹性元件(弹簧、减振器)往两头看,它的上部分承载着整个车身和一部分的底盘部件,往下则是将另一部分底盘部件(包括车轮、轮毂、部分车桥及悬挂部件等)压向地面,上面这部分质量就是簧上质量或者簧载质量,而下面这部分就是簧下质量或者非簧载质量。

  弹簧作为重要的减震元件,在汽车上已经运用了很多年了。弹簧与减震器组合成为吸收路面冲击的主要部件,再加上独立悬挂系统中的连杆、非独立悬挂系统中的扭力梁,它们的特点都是一端与车身直接相连接或通过副车架间接与车身相连接,而另一端则随着车轮上下跳动。这在实际的计算中,一般可以取这些部件质量的二分之一作为簧下质量

  一般属于簧下质量的部件有:弹簧、避震筒、上下摆臂、半轴、转向横拉杆、连杆、刹车卡钳、刹车盘、羊角、轮胎、轮毂等等。

   簧下质量对于车辆的影响:

  一辆车在不考虑其他因素的情况下,单从簧上质量和簧下质量的分析对于车辆的操控性、舒适性、加速性能的影响看,得出的结论是簧上质量与簧下质量比值越大,则各方面的表现会趋于更加优异。

  举个简单的例子,有一根弹簧两端分别连着一个大球(簧上质量)和小球(簧下质量),如果大球比小球重很多,小球的振动对大球造成的影响就很轻微,(舒适性很好)。反之,小球要是越重,振动给大球带来的影响就越明显(车身的震动感会比较明显)。稍有物理常识的朋友都知道,这就是简单的动量守恒定律。所以为了使得车辆各方面性能表现优异,减轻簧下质量就是大家追求的方向。那么减轻簧下质量对于车辆的性能具体有哪些影响呢?该如何做到减轻簧下质量呢?侃弟继续给大家介绍分析。

  ▌ 对操控性能和加速性能的影响:

  假如一辆性能车不考虑成本,想要将操控和动力爆发性能发挥到极致,那么簧下质量就要轻到极致。

  一辆车如果想要通过改装来增加其性能,大部分人第一步会更换造型炫酷直径更大的轮圈,同时通过搭配低扁平比的轮胎可以带来不错的视觉效果。这样虽然在视觉效果上更佳,但却在无形中增加了整条轮胎的重量,而且必定会削弱轮胎的减震能力。所以,在更换轮圈时,我们并不建议增加太多,适当增加1-2寸可以,再多就要慎重考虑了。换上更大尺寸的轮圈,也一定考虑不要增加重量,结构上减少条幅、采用更轻材质都是不错的方式。

  全铝少条幅式轮毂

  镁合金轮毂

  碳纤维轮毂

  除了轮圈,还需要轻量化刹车系统,比如更换轻量化的刹车套件,大尺寸的通风孔式刹车盘,将单活塞卡钳升级为多活塞式卡钳。

  例如Nashin一体锻造式卡钳采用航天极的高刚性铝合金材料制作卡钳本体,得到最好的抗疲劳强度以及轻量化。

  CNC加工的刀槽清晰可见,CNC加工的优势是可以切割出较为复杂形状,能令卡钳达到更极致的轻量化效果。

  对于一套理想化的悬挂系统,其实降低簧下质量远不止这么简单,在保证拥有出色的几何悬挂结构的条件下,其他部件如支撑弹簧(短簧)、钛合金避震筒、钛合金和碳纤维摆臂、铬镍合金的横向防倾杆等也可以采用轻量化的套件。

  轻量化避震筒和弹簧

  铝合金摆臂和羊角

  碳纤维摆臂

  在一些跑车上工程师也会采用特殊的悬挂结构尽可能的将簧下质量变为簧上质量,这也是一种减轻簧下质量的方式,但是这种悬挂的布置空间要求很大,所以对于家用轿车实用性很低,一般只在跑车和赛车上使用。

  例如兰博基尼LP700(参数|图片)的悬挂系统采用了F1赛车的推杆式水平悬挂系统,每个车轮只依靠一根推杆匹配较硬的弹簧设定来支撑车身重量。这种设计的巧妙在于将原本属于簧下质量弹簧减震器划归到簧上质量的范畴里,减轻的簧下质量为车辆提供了更广阔的调教空间,使车辆拥有更好的操控性。

  除了这些大家不可忽略的就是,采用轮毂电机驱动的新能源汽车,它将动力系统置于轮毂位置上,这样会大大增加车辆的簧下质量。侃弟没有体验过这类车型,具体的驾驶性能变现还无法判断,不过其特殊的机械结构或许会使得其舒适性大打折扣,只能通过对悬挂系统其它部件的调校来弥补这种先天结构的不足。

  我们都知道,百米运动员穿着超轻的跑鞋,减少运动员在双腿摆动时无畏的消耗。同理,簧下质量约小,车轮在加速时的惯性以及弹跳时的冲量都可以减小,同时转向时的惯性力也会减少,操纵性与舒适性都能够得到提升。

  ▌ 对于舒适度的影响:

  对于大部分乘用车,由于制造成本有限,但依然尽可能减轻簧下质量,不仅为获得更好的操控性和加速性,同时还能够提升乘坐舒适性和燃油经济性。

  我们都知道,保证车辆舒适性一个前提是减震能力,悬挂和车轮不断接受来自地面的冲击,不断起伏,而车身却需要始终相对静止平。但是通过悬挂的机械结构能够改善吸震能力,但是通过增大簧上与簧下质量之比,同样能够获得更理想的结果。

  保时捷Macan(参数|图片)簧下质量全部采用铝合金材料,悬挂对于地面震动的过滤非常细致,舒适性很不错。

  当车轮被不规则路面撞击时,较大的簧下质量,有更大的运动惯性,延长车轮来回响应路面震动的时间。震动通过车架传递到车身,损失乘坐的舒适性。在实际生活中大家能够发现,满载的车辆会比空载时拥有更好的行驶平稳性。这其实是扩大了簧载质量的比例,在其它参数不变,增加簧上质量所占比重使车辆更加舒适。但对于现代汽车而言,车身轻量化是一个趋势,厂家只能通过减小簧下质量的方式来增加簧上与簧下质量比重,而非增加簧上质量。但是降低簧下质量相比减小车身重量要困难得多,在保证合理的几何悬挂设置和强度的要求下,减轻簧下质量增加舒适性。

  总结:

  坊间传言,减轻1KG的簧下质量的效用可以等同于减轻15KG的簧上质量。当然,这说法不是那么精确,但效果及影响大抵如此。通过上面的分析大家能看到,减轻簧下质量不仅让家用轿车的舒适获得提升,同时也能提升操控与加速性能。对于热衷于改装的朋友,减轻簧下质量是最基础也是最复杂的部分,其中的学问渊博,今天侃弟带介绍的比较浅薄,有想要通过减轻簧下质量提升车子性能的朋友,侃弟建议寻找专业的改装团队,从底盘结构、动力系统、自身驾驶习惯、多方面进行调校,才能科学的运用减轻簧下质量给爱车带来更优异的性能表现。