通俗易懂的穩定杆/防傾杆原理講解|@WonkCar郝工

2020-12-11 WonkCar郝工

「穩定杆」,根據地域的不同,全球的叫法有「Anti-roll bar (ARB)」、「Stabilizer」、或是「Anti-Sway bar」。Sway bar也被叫做「Sway bar」,但是「Roll bar」通常並不是指穩定杆,而是車內防滾架。

在國內,很多人將英語直譯,也稱之為「防傾杆」。這幾年,我們看到了國內汽車文化的進步。前些年的坊間,還給穩定杆起了個生動的名字——「龍蝦須」。即使是現在,在電商平臺上還有很多把車身強化件與穩定杆混為一談的現象。

郝工水下親自拍攝——真·龍蝦須:

什麼是穩定杆?

穩定杆的本質,其實就是一根彈簧,一根連接左右車輪的彈簧。

簡言之,任何能讓左右車輪同上同下的機構,中間加一些彈性,就是穩定杆。比如說下面圖中的這個:

再比如在賽車中會見到的T-bar、Z-bar等結構,無一例外,都遵循著這個樸實的原理。

而在我們駕駛的車上,穩定杆是一個簡單的扭杆彈簧結構。既充當了令左右車輪同上同下的機構,又通過杆的扭轉變形實現了彈簧的功能。

為什麼要有穩定杆?

彈簧是個人主義者,穩定杆是集體主義者。

不管是遇到什麼樣的工況,彈簧的動作只管它這一邊,另外一邊愛咋咋地,跟我沒關係。甚至於在車輛轉彎的時候,在側向加速度的推波助瀾下,一側的彈簧要揚眉吐氣地伸長,不惜打壓另外的一側親兄弟,是典型的個人主義。

而穩定杆就像是調和彈簧這對親兄弟的一個中間人,始終希望哥倆能夠共進退。如果你剎車、或者是過減速帶的時候,左右兩邊本來就是同上同下的,那穩定杆很欣慰,也就什麼都不管了;如果是轉彎側傾,兩邊一上一下,那麼穩定杆就是對抗這種步調不一致的力量,努力把兩邊拉在一起,起碼不要分得太開。

這種努力是卓有成效的——因為穩定杆的存在,讓左右兩邊各自為政的難度變大了,轉彎側傾的時候,被壓縮的那一邊不會被壓得那麼厲害,伸長的這一邊也沒有原來那麼囂張,兩邊運動的行程都短了,車身側傾的幅度就變小了。

有一個術語來稱呼這種「兩邊各自為政」的難度——側傾剛度。由於穩定杆的作用,側傾剛度被提高了,側傾梯度就變小了。

因為穩定杆是一股對抗側傾的勢力,所以它被稱為「Anti-roll bar」。

加硬彈簧也能降低側傾,那為什麼還要穩定杆?

穩定杆的使命只有一個,就是提高側傾剛度。但是彈簧管的事就太多了,牽一髮而動全身,加得太硬搞不好就得不償失。如果不要穩定杆,要全靠彈簧來實現同樣的側傾效果,那得到的會是一臺舒適性非常差、制動加速俯仰非常小、響應過于敏捷的車。

即使是對於場地賽車來說,雖然不追求舒適性,也不希望在剎車或者加速時有太多的俯仰,彈簧也依然影響著剎車或是加速時的前後載荷轉移,彈簧與穩定杆之間的協調配合對車輛在彎道加速或是彎道制動時的響應和穩定性都有著重要的意義。

穩定杆為什麼總是前粗後細,甚至沒有後穩定杆?

這裡涉及到一個「側傾力矩前後分配」,或者說是「載荷轉移前後分配」的問題。

前面說,左右兩邊的車輪就像一對關係不太好的兄弟,但是要鬧矛盾總要事出有因,轉彎時產生的側向加速度就是這個「因」。因為側向加速度會引起側傾,那麼產生出來的這股力量就是一個力矩,叫做「側傾力矩」。這個「側傾力矩」可是壞得很。

對於輪胎來說,最基本的是什麼?是載荷,也就是豎直方向的這個力量。有了豎直載荷,輪胎才能支撐起整臺車,才能提供制動或加速時的縱向附著、和轉彎時的側向附著。如果沒有豎直的載荷,隨便一點動靜就可以讓輪胎滑起來。

豎直載荷對於輪胎的意義,就好像饅頭對於搬運工的意義一樣——給工人饅頭讓他們吃飽,他們才能幹活。一點飯都不給吃,那就一點活都幹不動;飯吃的越飽,幹的活就越多。輪胎就是這樣,豎直的載荷越大,他能提供的附著極限就越高。

但是這個規律並不是線性的——一天吃一個饅頭,可以有力氣搬運十公斤貨物;十個饅頭100公斤貨物;一天吃一萬個饅頭,是不是就可以搬運100噸了呢?顯然不是。最管用的饅頭永遠是第一個,到後面越吃越不想吃,越吃越沒用。在經濟學中,這個叫做「邊際效應」。

世界就是這麼奇妙,誰能想到輪胎會遵循經濟學原理?【攤手】

豎直載荷越大,輪胎能提供的附著極限就越高。但是載荷越大,投入和產出比就越低。這也是為什麼賽車要儘量輕量化的一個重要原因。

在轉彎的時候,由於側向加速度、或者說是側傾力矩的作用,載荷被從一側車輪轉移到了另一側,兩邊加起來的附著極限總和就會被降低。這個過程就好比是,原本兄弟倆分配好的,一人吃一半的饅頭,這個叫做「側傾力矩」的惡人,把搶了一邊的糧食給另一邊,結果就是被搶的這邊吃不飽了,多吃的這邊卻沒有那麼稀罕這多出來的饅頭,所以兩邊加在一起幹的活就變少了。

事情並沒有那麼簡單……

一臺車上有四個輪子,前後各一對,這裡面是兩對兄弟的事。在車輛轉彎、載荷橫向轉移的時候,前後兩對輪子所承擔的轉移量並不一致。這個前後轉移量的比例,其實就是側傾力矩的前後分配比。它跟很多因素都有關係,比如車重的分配、側傾中心高度、前後部質心高度等等。這些通常都是汽車在開發的時候要考慮的事情,暫且按下不表,只說穩定杆的事。

前後軸並不是各自為政,車身將他們連成了一個整體。側傾剛度越大的那個軸,就越趨向於承擔更多的側傾力矩。「天塌下來有個高的頂著」,同理,車身側傾了有更硬的那個軸頂著。車身就像是管著前後兩對車輪的大Boss,Boss說「能者多勞,誰更硬誰就頂上」,所以更硬的那個軸、兄弟更團結的那對輪胎,就會轉移更多的載荷,相應地,也就會損失更多的側偏剛度、或者說更多的附著極限。

因為民用車都是要有一些不足轉向的,所以就會讓前軸承擔更多的側傾力矩,車輛在轉彎極限的時候也是前輪先打滑。穩定杆在這裡就起到了一個調整前後側傾力矩分配的作用。

穩定杆這麼好,那是不是越粗越硬就越好呢?

在這件事上,確實不是這麼回事。

穩定杆的力量,是讓左右車輪同上同下的,如果穩定杆太強,左右車輪就會失去過多的獨立性。

從舒適性的角度考慮,路面上的起伏不平,大多數都是左右不同步的,穩定杆太硬就會讓舒適性變得很糟糕

另外,穩定杆也是振動的一條傳遞路徑。當路面不平引起車輪振動、尤其是左右不同步的時候,這個振動就會傳遞到穩定杆上,然後通過穩定杆與車身(或者副車架)連接的點傳遞到車身上。這也是為什麼穩定杆要通過橡膠襯套固定到車身上的原因,為的就是能隔離一部分振動。說到這裡順便提一句:穩定杆襯套對舒適性是有好處的,對操穩就不一定了——在車身側傾的初期,穩定杆襯套的變形會比較明顯,此時穩定杆起的作用就會被掩蓋。所以趨向競技的改裝往往會把穩定杆襯套加硬。

對于越野車來說,太強的穩定杆過多地削弱了左右車輪的獨立性,會造成附著的喪失。所以越野車輛很不喜歡穩定杆,尤其是太強的穩定杆。一些高端越野車就會裝配主動穩定杆——公路駕駛的時候穩定杆正常工作,越野的時候穩定杆斷開不起作用,以實現越野性能和公路行駛的性能兼顧。

最後,穩定杆也是要和彈簧配合的。在車子過彎的時候,內側的車輪是要伸長出去的。此時,彈簧提供的是往下推車輪的力量,而穩定杆卻是要往上抬起車輪的,這是一對互相對抗的力量。如果穩定杆太強,彈簧拗不過,結果就是這個車輪將不能提供有效的附著。最明顯的表現莫過於「狗撒尿」的過彎姿態了。

所以,穩定杆越加越穩定是一個誤解。

怎麼看市面上頻繁出現的車型改款取消後穩定杆現象?

19年中上市的2020款寶馬3系取消後穩定杆的事情在網上就討論的挺火熱,百度一下「取消防傾杆」還能找出來一些其他的案例。其實,這事兒不是最近才流行起來的,國內的第一代馬自達6從13款開始,就簡配掉了後穩定杆。

馬自達6的後穩定杆,之所說「簡配」,是因為它就是赤裸裸的向成本妥協的結果。

首先,第一代馬自達6從2003年進入中國起,經歷了8次改款,但是車身設計沒變過,尺寸、車重、軸距、輪距等等關鍵參數從來沒變過,所謂的改款就是更改一些舒適性配置、改改霧燈反光鏡的造型、零部件國產化,底盤設計是一直沒變的。

其次,馬自達6的後穩定杆直徑大約是18mm,雖說穩定杆在下擺臂上的安裝點位置比較靠近內側,但是這個直徑能提供的剛度也已經很可觀了。(其實郝工認為,在這件事上不存在「無用的設計」,不管穩定杆有多細,如果沒有用,為什麼還要設計個穩定杆上去呢?)

簡配了這個後穩定杆,車子就需要重新做一些調校工作——起碼減振器向操穩性能上妥協一些是無疑的。最終的結果就是,車子的操穩性能和轉向響應不如簡配前,舒適性由於減振器的重新調校,也大概率要犧牲掉一些舒適性。說到底,底盤設計是一個系統的工程,在整個系統成型後,拿掉任何一個部分,都會破壞原有的性能平衡。

(下圖:馬自達6簡配後穩定杆後,穩定杆的安裝孔位依然保留,沒有更改。)

但是寶馬3系的這個情況又不太一樣。2020款的3系是一個換代產品,底盤是重新設計的產品,而不是一個半路簡配的結果。這一代3系有兩個底盤代號,G20和G28,分別對應標軸版和長軸版。

長軸版的3系海外沒有,是個中國市場「特供」車。底盤是全新設計的,以前沒有;G28又是特供的,海外沒有。那你說這個「簡配」後穩定杆,「簡」從何來?跟誰比「簡配」了?像這種,只能說是天生構造與上一代不同,不是後天「太監」的。

短軸版的情況又要複雜一點,有些型號是全球都沒有穩定杆的,有些又是海外有而中國市場沒有的。對於海內外配置不同的車型來說,確實存在節省成本的嫌疑,但是怎麼說也是全新換代產品,還是一個系統設計的結果。寶馬既然這麼做,就定然是認為這樣的配置和性能表現更符合中國市場的需求,大概率還是能夠達到一個相對不錯的性能平衡。

還是那句話,「性能好不好,是開出來、試出來的」,不是Excel表格列個零部件清單比出來的。零部件清單與性能之間,沒有必然聯繫。

至於有些扭力梁後懸的車型,可能上一代的時候在梁中間有一個扭杆,到了換代的時候沒有了,這就更不需要去過分解讀了。扭力梁中間的那根杆只是扭力梁的一種結構設計,不叫「穩定杆」,跟扭梁的剛度更是沒有什麼關係,沒有這根杆的扭梁也一樣可以通過鋼板壁厚、結構設計等手段,達到相同或者更高的剛度。

穩定杆加粗了就一定是更硬了嗎?

是的——一般情況下都是。所謂的一般情況,是指穩定杆的形狀一致、材料也還是鋼材。一般來說,街車的穩定杆改裝件與原廠件的形狀走向是一致的,也不大可能用到鋼材以外的材料。不同標號的鋼材之間,楊氏模量不會差別很大,說明白點就是剛度不會有很大差別,差別在於強度,優秀的彈簧鋼材料,可以讓零件更不容易發生塑性變形。

可調穩定杆上有幾個孔,怎麼就能調軟硬了?

通過連接可調穩定杆上的不同孔位,改變了穩定杆的力臂作用長度。這和我們使用內六角扳手時,手握長柄會更省力一樣。當穩定杆的連接位置越遠離末端、靠近杆體的時候,力臂就變小了,就好像手握著短柄的一端使用內六角扳手一樣,穩定杆就會起到更強的作用。

針對同一款車的不同品牌的為廣大改裝件之間的區別大嗎?

穩定杆這個東西,技術含量沒有那麼高,不像減振器那麼複雜。跟行駛性能相關的參數基本上就只有直徑這一個。所以品牌不重要,主要看直徑,同等直徑的不同品牌產品不會有太大的差別。如果說有差別的話,可能相配套的穩定杆襯套的硬度會有一點差別吧。

但是,上面的話是針對正品而言的,選擇小路貨有的時候需要拼一點人品。不然,類似於穩定杆襯套孔徑不合適、穩定杆翹曲之類的情況也是有可能出現的。

穩定杆安裝的時候需要注意些什麼?

很多車要換穩定杆需要拆一堆件,拆過的件要好好地裝回去。

車身姿態降過的,最好換個可調的「李子串」,把穩定杆的姿態調整回去,尤其是對於那種穩定杆和襯套膠合在一起的設計。

有的車,降低了車身姿態又用李子串調整了穩定杆姿態的話,可能會有零部件幹涉的問題,這時,即使犧牲掉理想的穩定杆姿態,也應該首先避免幹涉。

這篇文章篇幅有點長。當然了,乾貨不是一兩天就能倒完的,想了解更多硬核乾貨,請持續關注【WonkCar郝工】。

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