汽车悬挂改装应该有的知识储备
2014-05-22 10:14 艾森ECU升级(北京运营中心)
车辆动态，重量转移
一台汽车，不论它的形状大小都只有四点——即车的四只轮胎接触地面，而这只轮胎分别承担了车 及它所搭载人和物的总重量。假设一辆FF车(前置发动机，前轮驱动)的总重是1000kg，在“静止”时每只前后轮胎负重分别只是300 kg和200kg(每边计)，但当车子一“动”起来以后，每只轮胎的负重随即出现了微妙的变化。简单地说物理学上的动态惯性 (我们在乘车时身体在车子加速时向后压，减速时会向前冲，转向时会向反方向摆动所感觉到的力量) ，会令车子无论是在加速，减速或是转向都会产生重量转移(weight transfer)，而重量转移的结果是令个别轮子的负重激增，例如在平地上急刹车时原来由后轮负担的大部份重量会在一瞬间转移到前轮上，即原来只负担600kg车重的两个前轮一下子要负担高达800kg(或更多)的车重；这还不算，如果车子在高速下坡时要拐一个急右弯，而司机在弯中突然松油门，这一连串动作引致的重量转移会使右后轮负重是零(因为它己凌空了) ！左前轮的负重则可能高达800kg，而左后轮和右前轮则可能分别只有80kg和120kg的负重——这严重不均衡的现象会令左前胎不胜负荷而打滑(即Understeer，转向不足)，失去转向能力而向前直冲。这时候开车的人如果在慌忙中踏下刹车，会令更多的重量由己经负重不多的后部向前移，结果左后胎因负重太少导致下压力(down force)不足，摩擦力不足以抗衡车子在转右弯时所产生的左横向力，而产生向左横移(即Oversteer，转向过多)。以上是一个简化了的例子，不同设计和驱动形式的车子在同一情况下产生的重量转移速度和分布稍有不同，但基本的原理是一样的。重量转移是一把双刃剑，控制不当会令车子“推头”——转向不足，或“甩尾”—— 转向过多，如控制得宜则可增加个别车胎的下压力，使加速、转向或剎车时更得心应手，详细的分析将来有机会和大家交流赛道驾驶心得时再谈。
如何控制重量转移
从上述的例子看到，如果可以减少车子在动态时的重量转移现象，便可提高轮胎出现打滑前的极限，亦即大幅改善车的整体操控性。事实上在上世纪90年代初F1赛车就曾出现过“主动悬挂系统”(active suspension)的设计，是用计算机在适当的时候(如拐弯时)调节悬挂系统的强度，控制重量转移现象的发生。后来这种系统被FIA改例禁止(因为这成功的设计令赛车运动不够人性化)。在明白过理论后我来介绍几个可以控制重量转移的改装方法。
第一个方法是减小车重。车的总重减小了自然转移的重量也少了，也即是同一条件下轮胎的负荷少了，极限当然会更高。大家还记得还记得在改装物语第一章中我提到减少车重的重要性和方法吗? 如果忘记的话请再翻阅一遍，要再提醒读者的是需尽量减少车内尤其是尾厢内的杂物，因为它们绝对会跟随车的动态惯性来作转移，影响车子稳定性。
第二个方法是降低车子重心。因为任何物体重心越低，可以摇摆(roll)的幅度便越少，同时也等于被转移的重量越少。降低车子重心的最简单方法是把整车的高度降低，但千万不要胡乱把原装弹簧剪短以达目的，这种土法改装的副作用会令车主得不偿失，在下文我会介绍正统的方法。
第三则是加强车子的抗倾侧力(roll stiffness)，即加强车体和悬挂系统的强(硬)度来压制车的摇摆幅度，道理和降低重心一样。对这种改装最常用的方法是更换高强度的弹簧和避震器，加装前后顶巴(tower bar) 和防倾杆(anti roll bar)等。
弹簧基本作用原理
弹簧基本上是一个能量储存器，它利用了可伸长和压缩的特性把车轮在经过不平的路面时产生的弹跳(能量)吸收和释放，令车体可以保持平衡和稳定，而部分储存在弹簧的能量在弹簧伸长(即回弹)时在减震器的调控下会转化成热能散播于空气中。弹簧可分为渐进性和线性两种，大多数汽车原装及一般改装用的都是渐进性弹簧（外观上弹簧的粗细、疏密会有变化），好处是当受压不大时，初段的弹性系数(spring rate俗称K数，公制单位是kg/mm，英制单位是 lb/inch ，代表把弹簧压缩1mm或 1英寸所需要的重量，数字越高弹性系数越强)不会太高，乘坐感会较好。而在弹簧被压到中段时弹性系数开始逐步提高，保证了车子高速时的稳定性。缺点是操控起来精确度不够。线性弹簧即是无论压缩或拉长多少，弹性系数基本不变（外观上弹簧粗细、疏密不变），这种弹簧的好处是让汽车的动态变化较为稳定和线性，让驾驶者较容易预知汽车在下一时刻将有怎样的动态。而这种弹簧一般用于赛车及高性能改装车上，因为它无须考虑舒适性和载重。另外也有赛车或一些街车改装弹簧上另加一个小的较软的辅助弹簧，这种变刚性弹簧组合除了有增加舒适性的作用外，还能在主弹簧受压回弹时压着主弹簧，防止主弹簧因此脱离弹簧座。
减震器原理及由来
最原始最简单的汽车悬挂系统是用四条(叶片)弹簧把车身从轮子上撑起来的，后来人们不希望在遇到路面的一丁点凹凸之后车身就不停地振动，因此引入减震器（避震器、避震机）。这里“减震”的意思不单是指让振动幅度减小，更是把振动的能量吸收，减少车身振动的次数，保持车轮和地面接触，所以减震器也叫吸震筒（shock absorber）。减震器的基本参数是阻尼值，即在压缩(compress，或称rebound）时可产生多大的阻力，数值越高，阻力越大。但阻尼值并不能决定车在过弯会倾侧多少(这是弹簧的工作)，它只会控制产生倾侧的速率(rate，用多少时间完成倾侧)。由于减震器在减震的过程中会受热(从转化弹簧的能量而来)，因此在剧烈运动后会产生高温，令减震器内的减震液失效(Shock fade)，情形就像刹车油因过热失效一样。因此有些高档或比赛用的减震器(如Ohlins，Sachs等)会多带一个氮气瓶来控制减震液的温度（减震桶中可容纳更多的减震液，热容量更大）。一般车用的原装减震器，都是偏向舒适和应付各种路面的调校，所以大都配上较低阻尼的减震器和较弱的弹簧来保持行车舒适。显而易见，改装阻尼值大的减震器和硬弹簧会改善车子的重量转移现象，增强在行车时的结实感和灵敏度，使整体的操控性大为改善，代价是失去了原车的乘坐舒适感，也牺牲了车上其它部件的耐用性。
弹簧、减震器配合改装要诀
一般用于性能改装的运动型弹簧(sport spring)都会把车身降低大约25-35mm (弹簧是决定车高的主要部件)，并把弹性系数提升约20 -30%，通过更换运动型弹簧可以增强车的roll stiffness抗倾侧力和降低重心，不但可减少各个方向的重量转移，提高过弯极限，更可令车子看起来更有跑味，吸引眼球，是一举两得之作。如果更换的弹簧降低车身不到25mm，强度增加在15%之内，可考虑沿用原装减震器(如果性能良好的话)，这种搭配不但经济，而且在改善操控和外观之余更可保持原车大部份的乘坐舒适感。但如果新弹簧的强度和长短超过这些范围的话，便必须采用匹配的减震器，以确保系统的性能可以充分发挥，并且不影响行车安全。因为当弹簧强于减震时，减震器的减震功能便不能发挥，整车操控会变得轻浮和迟钝，但如果是减震强于弹簧时会影响弹簧的缓冲效果，同时降低减震器寿命。要提醒大家的是，在改装悬挂系统时弹簧是主角，即应先决定弹簧的强度和长短，其它的配件如减震器等都是用来配合的。另外前后弹簧的个别强度对车子的动态平衡(推头/甩尾)有极大的影响，改装时要特别留意。改装弹簧减震器还要避免几个误区。首先是不要拼命降低车身，过分降低车身会影响减震器、弹簧、等速万向节和其它悬挂关节的寿命。另外，虽然车身降低后大部分悬挂系统上都会有增加车轮负倾角(negative camber)的效果，对弯道表现有好影响，但若是没有修改悬挂机构关节点的位置，过分地降低或升高车身都会破坏悬挂机构的应有特性，效果会更差。车身过低对日常行车所带来的烦恼也会令你困扰不已。还要强调的是除非你有很多时间和资源去作测试和调校，不然的话建议购买特别为某款车型定制的悬挂套装，尤其是名厂产品 (如KW, Bilstein , Koni等)，这样会万无一失，省时省心。一般的套装系统都配有调硬和短了的强弹簧加上高阻尼值的减震器，较为高档的减震器还会有车体高度(俗称绞牙避震)和本体长度(配合长短不同的弹簧)的调节功能，更高档的还有多种压缩和拉伸阻尼调校。由于篇幅所限，这些在减震器上的调校功能和作用将会连同其它悬挂系统上的改装配件如顶巴、防倾杆和衬垫等，在下期和大家详谈。 这款瑞典Ohlins拉力赛用前减震器是设计给富士WRX用的，除轻金属(锑)制的本体、特长的筒身和大幅的高度调节范围外，它那外置氮气瓶还可以减低减震液温度和防止气泡产生，令减震效果更持久和顺滑。
转向不足(Understeer)俗称“推头”，是指后轮能循迹滚动但前轮向外滑动。图中虚线表示赛车原来的行车线，但因车速过高，会出现打了方向但前轮仍偏离行车线向弯外滑出的现象。
转向过多(OverSteer)又称“甩尾”，情况与转向不足相反，后轮偏离原来行车线向弯外滑动，注意图中赛车的前轮已向反方向打以消除这个现象。 貌不惊人，粗细高低不同的各式(色)弹簧，是支配车身离地高度、倾侧度和乘坐舒适感的重要配件。 刹车时的重量向前转移现象，令这台福特Focus的尾部高高翘起。 日本Top Secret出品的“绞牙避震”——可调高低式减震器的港式俗称。它的筒身刻有可调整弹簧高度的弹簧底座，一般人只用它来降低车身高度，其实它的另一重作用是调校四个车轮的独立负重(corner weight)。
绞牙避震
绞牙避震( Height. Adjustable. Damper)——源自赛车技术，指有可调(弹簧)高度设计(香港人俗称“绞牙”设计)的减震器。顾名思义，可调高度式减震器的最大好处是可以很方便地独立调整车身四角的离地间隙。当车子静止时，车身四个角的离地距离对该位置上车轮的负重有很大的影响：增加车身左后角的离地间隙，便增加左后轮及其对角线车轮(即右前轮)的负重，同时另外对角上的两只车轮（左前及右后轮）的负重则会减少。如果减少离地间隙则效果相反。因此在一定程度上可调高度式减震器可用来调校包括车手和载(汽)油量的静止重量分布(static weight distribution)。在赛车场上，专业车队会利用离地间隙和车轮负重的关系，来计算赛车上每角车轮的负重(即角重corner weights)，角重进行过调整的赛车在动态时会有较少的重量转移和较好的整车平衡，能帮助提升轮胎的极限。在调校角重时最理想的当然是可以把车重平均分配（或为特别效果而刻意增减个别车轮的负重）。但事实上，除了方程式赛车能做到理想的重量分布外，绝大多数的车，包括GT赛车也做不到这一点(FF房车最差，因车手、发动机和变速箱的重量都集中在前面，严重的天生不平衡)。说远了，回到民用车上，多数车迷都只会在最初改装可调高度式减震器时玩一下这特别的设计，但后来往往不会再有耐性进行细致的调整(毕竟每次开车前按乘客的数目、乘坐位置或将驶经路线上的路况来调校车子每角的负重和离地距是件很麻烦的事)。如此一来除可调高度外，有“绞牙”设计减震器的性能表现并不一定比没有的强。而从实用的角度来看，如果只为降低车身和减低车子在弯中的倾侧度，那么简单地换一套短而硬的弹簧配相应的避震器，可能会更省心。以后有机会的话，我还将就绞牙避震的细致调校对驾驶的影响做更详细介绍。
多路可调式减震器
市面上有些可调式（软硬可调）减震器设有多段的压缩（compress，或称bump）或伸长（decompress，或称rebound）的阻尼调校功能。和可调高度一样，这设计也是为竞赛而设的。简单地说，一路可调式减震器(1 way adjustable damper，通常只可调减震器回弹时的阻尼)有12段调校选择；而两路可调式(2 way adjustable，即减震器压缩和回弹时的阻尼均可调 )会再多12段的调校选择，即理论上它有12×12=144款调校组合。如果再加到三路甚至是四路可调式设计(可再细分调校高速和低速的压缩回弹阻尼)，组合结果会更多。如以压缩为例，车子快速通过赛道路肩时减震器会产生高速压缩，而车子在转向、加速、刹车时引发的重量转移则会产生低速压缩。因此这种多路可调式设计可多达N种减震阻尼（软硬）的组合，当然这是纯理论值，实际上可产生明显效果的组合并没有这么多，而且有些组合更有互相抵消的效果。对于专业车手(尤其是拉力车手)来说，多路式减震器非常重要，因为调校得宜的减震器可令赛车在非常颠簸的砂石路面上稳定地高速飞驰。
但除非是高烧中的发烧友或是准备出赛，太多软硬可调设计并不实际(竞赛用的设计在民用角度看都是不切实际的)。以我个人的经验来说，在买车时选择原厂运动悬挂配置(sport suspension option，在国外很普遍，尤其是宝马和奔驰等欧洲车厂都会提供这些选择，相信国内也很快会流行)是最好的妥协，不然的话买一套一路可调式减震器回来再调校一个自己觉得可以接受的设定便可以了，太多的选择只会令你伤透脑筋。除了弹簧和减震器外，悬挂系统内还有其它不那么容易注意到，但同样举足轻重的东西：防倾杆、关节衬垫和用于加固车身的配件等。
车身加强
在前后悬挂的支柱顶部（俗称“塔顶”）加装“塔顶巴”（横拉杆），把左右塔顶用硬杆连接起来，可以加强车身刚度，避免车身两边因重量转移改变了受力点而扭曲，继而影响车轮前束、车轮倾角等的动态几何。“塔顶巴”让悬挂系统的运动轨迹保持设计的初衷，从而在急转弯时把系统的动态几何控制在较理想的范围内，而且加装前顶巴可使车子的转向更灵敏和直接。但由于车身刚度的加强，转弯时重量转移会加剧（原本较软的车身会抵消一部分的力），若塔顶巴是加在前轴，那么前轮的重量转移较多，令前轴的车轮先于后轴到达极限，出现转向不足。同一道理如加在后轴就偏向于转向过度，可见塔顶巴亦有类似于防倾杆的作用(在下文有详细解释)。很多街车的车底用于固定摇臂的部位是很弱的，所以有些改装商会建议在这里装“底巴”，加强摇臂的关节点，原理和塔顶巴是一样的。当然这一切都是基于其它条件不变的理论情况，但现实中的情况不会这么简单，不然的话很容易便可当改装专家了。装配顶巴是很简单的技术，大部份情况下只要位置合适便可，充其量要注意的是顶巴的设计会否影响一些简单的日常维修工作如换机油滤请器和火花塞等，名牌与否在此关系不大。
悬挂关节的衬垫
街车由于要顾及使用寿命和平顺性、宁静性，悬挂系统的所有关节都采用橡胶质地的衬垫（bush），即金属之间不会有直接接触，但缺点是软衬垫令车子的操控不够敏锐和直接，而且刚度不够会令激烈驾驶时悬挂系统产生多余的动态几何变化，影响车子的操控表现。另外经常高速行车所产生的热力也会令橡胶质地的衬垫寿命缩短，要经常更换。如果改装悬挂时可以换上硬度较大、耐热较好，用聚亚安酯(polyurethane)等物料制造的衬垫，可大大改善上面提到的问题，代价是牺牲一些乘坐舒适感。事实上在专业赛车上，会干脆把关节改成金属制造的球状轴承（spherical joints，俗称“波子”）。波子需要好的润滑和经常的维护，噪音大，而且不能缓冲来自各个方向的冲击，要求车架十分牢固，加上全无乘坐舒适性，不适合用于街车。
防倾杆
如果单*基本的弹簧、减震器去提供足够的力矩，把车身在转向时的倾斜程度改善过来，所需要的强(硬)度不但会令司机和乘客接受不来，强烈的震荡亦会影响车上其它部件的性能和耐用性，绝对是得不偿失。因此大部份的高性能房车都配上了防倾杆（anti-roll bar，也称稳定杆，stabilizer 或swaybar）。防倾杆的基本设计是用一条U形的金属杆把两侧悬挂连起来，作用是当车子倾侧时，即外侧的悬挂被压缩，内侧悬挂被拉长时发挥一个抗扭作用，分别减低外侧和内侧悬挂的压缩及拉长幅度，减少车子的倾侧度。防倾杆的抗扭度(torsional stiffness)决定于它的直径和长度，直径越粗、两端摇臂离杆的中间点越远，抗扭力越强，相反则越弱。防倾杆的最大好处是它可以“防倾”，但又不会影响车子的弹性系数，因为在同一轮轴上的两侧悬挂同时压缩或伸长时防倾杆是不起作用的，因此配有防倾杆的车子可以用上较软的弹簧，令一般行车时可以维持一定的舒适感。
除了“防倾”外，防倾杆对汽车的转向特性有十分大的影响，在某程度上它的作用比弹簧和减震器还要明显。防倾杆越强，在转弯时压在外侧车轮的重量便会越大(因为在其它因素不变的情况下，装有较强防倾杆的一轴会有较高的重量转移速率)，亦即是在这一轴外侧的车轮将可能是四个车轮中第一个到达极限的车轮，当超越这极限时转向过少(如出问题的轮子在前轴)或转向过多(如在后轴)等现象便会出现。同样的道理也可应用在前后弹簧和减震器的设定上，即有相对较强弹簧/减震器组合的一轴会首先出现推头或甩尾的现象。大部份街车的操控特性在出厂时都被设定于偏向于转向不足——因为这样的车相对容易控制，只要拖点刹车就能减小转向不足的现象，符合多数人的本能反应，是一项保守但安全的设计。在改装悬挂系统时要注意前后轴的平衡和新设定对车子操控特性上的影响。
以下是改装防倾杆时的一些建议。
如果街车出厂时只有一条防倾杆，那么一定是在前轴的，如果根本没有防倾杆，那么改装时应优先考虑在前轴加防倾杆，这样会安全一些。如果你有很好的赛车驾驶技术，可以在原车的基础上，加强后轴的防倾杆，这样车子的操控会较活泼，转弯时更灵活，但如果搭配失当将会使车子在高速转向时出现甩尾现象，容易发生意外。前后防倾杆的相对强弱除了要考虑操控设定的需要外，还要配合弹簧的软硬(弹性系数)，比如原来已选用非常硬的弹簧，那么加装上的防倾杆可能就无“倾”可防了。防倾杆的结构有空心和实心两种，空心的较轻，但由于生产难度大，所以价格贵得多。如果资金充裕，买可调(长短)的防倾杆更容易发挥车的潜能。
其实对大部份车迷来说，最方便和有效的方法是找一间有信誉的改装公司，让它介绍一套专为自己车款型号而设计的防倾杆套装。事实上很多车厂都有官方或半官方的改装专家为自己的产品设计改装部件，例如开丰田车的可选择TRD、TOM’s 的出品，本田可找无限(Mugen)，宝马可用Eibach，Bilstein，大众则有Neuspeed和ABT(奥迪)等。虽然这些套餐式的改装件并不一定能100%地满足你的要求，但它们中的大部份都会对车子的操控性有可观的改善，即便是最差情况下也不会产生一些相反甚至是危险的效果。
再谈轮胎
在谈论悬挂系统时，轮胎很容易被忽视，实际上轮胎除了提供与地面的抓地力之外，也起到与弹簧、减震器相类似的作用，而且轮胎的发明也正是为了起到缓冲作用，而不是为提供大的抓地力（第一条轮胎就是为自行车减震而造的）。在正常行驶时，所有的路面冲击都是从轮胎开始传递上去的，轮胎对车身起着第一层保护作用。用小直径的轮圈配胎壁较高的轮胎，相当于长而软的弹簧和减震器，舒适性较好，但运动性能就较差了，反之，要提高运动性能，用扁平轮胎就能在保证很好的效果。轮胎的软硬也应和弹簧、减震器相适应，不要换了硬的弹簧和减震器之后还沿用原装的软轮胎，这样即使是作了大的投资也起不到大的作用。
总结
悬挂系统关系到汽车的平顺性、转弯性能、加速和刹车性能，而且牵涉的部件很多，要改好悬挂系统，是一个复杂的工程，只要一个配件选择不对，都会令车的性能变得难以掌握，所以最好选择规模较大、有专业设备和长期经验的改装店去改装。最后要提醒大家的是改装了悬挂系统后别忘了去做一次四轮定位检查，因为轻微的悬挂几何偏差都会令花巨款得来的改装效果大打折扣。
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