神奇的悬挂

假设你要在家自制一台汽车，粗略来说，需要什么部件？可能大部分人的直觉都是：需要一个钢架做底盘，插四个轮子，前轮要能转向，要有刹车，需要一台发动机，连接到后轮上，再来一个车身车座安在钢架上，这样就有一台最基本的汽车了。踩油就走，刹车就停，打方向就拐弯，你就大功告成了。可是如果你开这样一辆车上街，会有两个问题：第一，不出一里地车就都被颠散架了；第二，稍微开快一点，就会发现车不听使唤，非常容易打滑。这是因为其实你忽略了汽车非常重要但常常被忽视的一个部件——悬挂。在马车时代，车没有发动机，没有方向盘，可能也没有刹车，但已经有悬挂了。可以说，悬挂至少是跟动力、转向系统一样重要的部件。

悬挂有非常多的讲究，本文所介绍的只是对悬挂最基本但最重要的认识。虽然我们一般都会把整辆车想象成一个整体，但是这里我们把车想象成两部分：整个车身是一个有重量、刚性（完全坚硬）的方盒子，四个轮子是没有重量、沿着路面上下跳动的，而两者之间由四根弹簧连接。另外，我们也可以认为路是固定的，车在路上跑，车是运动的。我们以车身为参考系，注意不是车轮，而是车身。按照这个思路，一辆汽车其实可以被描述成这个简化模型样子：一个很重的盒子，压在四根弹簧上，每根弹簧下边又压着一个无重量的轮胎在沿路面滚动。能够接受这个思维方式，就离理解悬挂的工作原理不远了。

因为路面不可能是完全平整的，所以被弹簧压着滚动的轮子，沿路面走时会因路面的不平整而上下跳动。如果轮子直接连在车身上，那么上下跳动的就不光是轮子而是整个车身了。而弹簧的特点是可以把位移改变为力量。换句话说，弹簧下端跟轮子连接上下移动，但上端并不一定要移动，只是输出一个大小变化的力给车身。四个轮子同时输出的力，共同决定了车身的运动。弹簧输出的力跟位移之比就是弹性系数，也就是软硬程度。

因此，弹簧越硬，同样的位移输出的力量就越大，产生颠的感觉。相反弹簧越软，同样的力量带来的位移也就越大，产生像坐在船上一样的感觉。

现在想象一下打方向时会出现什么情况。以车身为参考系，两个前轮拽着车身下沿往右推，这个力量会造成车身向左翻滚的倾向，这时左侧两个弹簧受到挤压，就会缩短，同时输出更大的力量；而右侧相反，弹簧的缩短与伸长就造成了车身侧倾，而两侧输出的力量差则会把车身推正/拉正。也就是说，当你打方向时，并不是轮胎在推动车身移动，而是轮胎在推动弹簧压缩，弹簧再推动车身移动，同时车身通过车座推动你移动。而且弹簧释放吸收轮胎的能量本身也是一个过程，所以即使你猛打方向盘，一瞬间制造很大的能量，这个能量也会缓缓地释放给车身。这两个过程体现在驾驶感觉上，就是当你打方向盘时，你的身体感受到的侧向推力与你打方向盘动作之间的微小延迟和失真。弹簧越软，这个延迟越大，失真越厉害，侧倾也越严重。那么没有悬挂的车在转弯时会是什么感觉呢？因为从你手上输出的动作毫无缓冲，能马上全部通过轮胎转给车身，轮胎一瞬间就会有极大的负担，很容易超过极限而打滑。因此没有悬挂的车，转弯能力会非常差，稍猛打方向就打滑。车最初开始转弯一瞬间的能力，也就是轮胎开始把能量传给弹簧的能力，称为turn-in。综上所述，在一定范围内，悬挂越硬，感觉turn-in越sharp（无延迟，线性反应），但是硬到一定程度弹簧就接近于刚性连接了，此时轮胎负载过大，turn-in能力反而会下降。

这样基本就说清了悬挂硬度、操控和运动性的关系。悬挂很软，车会显得舒服，但是转弯时侧倾会较大，另外最重要的是转方向和身体感受到的力量之间会有微小延迟和不符。这样的车可以称作操控感不好，因为不能清楚感觉到自己的操控。如果悬挂很硬，车会更颠一些，但是转弯时侧倾较小，更重要的是turn-in会更sharp，身体更能清晰、无延迟地感受到方向盘的动作，所谓反馈更清晰。但是，这样做增加了turn-in时前轮的负担，所以当悬挂过硬、前轮超出极限后，反而会出现转弯打滑无法turn-in的现象。

因此车厂在车辆设计的最后阶段，都会花大量的时间进行悬挂调校，找到舒适、驾驶感反馈、turn-in之间的一个完美折衷。定位偏舒适的车，比如lexus，会往偏软的方向调，而定位偏运动的车，比如bmw，会往偏硬的方向调。这两者不分好坏，而取决于车辆的市场定位，所以拿软硬来比较车是毫无道理的，买适合自己的车就好了。

最后说一下，我最初提到的三个假设在生活中其实并不成立。第一个假设是车身完全刚性，实际上大多数车身刚性都并不很强，悬挂给它输出的力量较大时车身会变形，体现在驾驶中就是地上有不平整起伏的时候车内咯吱咯吱响。这个车身变形会影响悬挂的正常工作，降低抓地能力，增加车内颠簸。高档车、运动车，都很讲究车身刚性要强。当你开一辆车过小坎、小沟壑时，如果听到轮胎砰砰的闷响，但身体感觉不到什么振动，就是车身刚性强的表现。第二个假设是轮胎无重量，实际上轮胎有一定重量，会吸收一部分能量，影响到悬挂的工作。因此高档车、跑车都把轮圈做得很大，橡胶较少，减低轮胎重量。第三个假设是四个轮子独立通过弹簧连接在车身上，实际上大多数低档车都并非四轮独立悬挂，两个轮子之间有关联的结果就是每个轮子不能完美根据自己的路况来工作，降低抓地能力，增加车内颠簸。所以独立悬挂是高档车、跑车的一个基本要求。同时，跑车一般还安有放滚杠，正常驾驶时四轮等于是独立的，转弯时则会连接两侧轮胎增加回中力，属于更复杂的设计。

这里还忽略了悬挂的另一个很重要的部分，就是避震。避震安在悬挂弹簧之下，它跟弹簧的区别在于弹簧会把所有的轮胎位移能量都储存起来，然后输出给车身，而避震只能吸收微小位移的能量，并不输出，而是转化为热能散发掉。对于大的位移，它等同于刚性连接。所以避震就像过滤器，过滤掉路面最细微的不平整。避震的软硬跟悬挂的效果类似，避震太软会吸收掉太多的位移能量，输出给弹簧的力量不足，造成悬挂失效，抓地力下降。避震较软，会导致车内颠簸较少；避震较硬，会造成车内颠簸较大，但悬挂可以更好地工作，增强操控。避震太硬时，有的细小颠簸不能被过滤掉，高速状态下会造成车身颠簸跳起轮胎离地，反而减低抓地力。

总之悬挂系统是汽车极为重要的系统，也直接决定了车辆的驾驶性能和驾驶感受。理解悬挂原理的关键在于以车身为参考系，并且把车身和轮胎分开来考虑。悬挂调整不能走极端，而在适中的范围内，软硬主要取决于车辆的市场定位，所以悬挂软硬并不能体现车厂、品牌的技术实力。