通俗易懂的稳定杆/防倾杆原理讲解 | @WonkCar郝工

“稳定杆”,根据地域的不同,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”通常并不是指稳定杆,而是车内防滚架。

 


在国内,很多人将英语直译,也称之为“防倾杆”。这几年,我们看到了国内汽车文化的进步。前些年的坊间,还给稳定杆起了个生动的名字——“龙虾须”。即使是现在,在电商平台上还有很多把车身强化件与稳定杆混为一谈的现象。

 

郝工水下亲自拍摄——真·龙虾须:


什么是稳定杆?

稳定杆的本质,其实就是一根弹簧,一根连接左右车轮的弹簧。

简言之,任何能让左右车轮同上同下的机构,中间加一些弹性,就是稳定杆。比如说下面图中的这个:

再比如在赛车中会见到的T-bar、Z-bar等结构,无一例外,都遵循着这个朴实的原理。

而在我们驾驶的车上,稳定杆是一个简单的扭杆弹簧结构。既充当了令左右车轮同上同下的机构,又通过杆的扭转变形实现了弹簧的功能。

为什么要有稳定杆?

 

弹簧是个人主义者,稳定杆是集体主义者。

不管是遇到什么样的工况,弹簧的动作只管它这一边,另外一边爱咋咋地,跟我没关系。甚至于在车辆转弯的时候,在侧向加速度的推波助澜下,一侧的弹簧要扬眉吐气地伸长,不惜打压另外的一侧亲兄弟,是典型的个人主义。


而稳定杆就像是调和弹簧这对亲兄弟的一个中间人,始终希望哥俩能够共进退。如果你刹车、或者是过减速带的时候,左右两边本来就是同上同下的,那稳定杆很欣慰,也就什么都不管了;如果是转弯侧倾,两边一上一下,那么稳定杆就是对抗这种步调不一致的力量,努力把两边拉在一起,起码不要分得太开。


这种努力是卓有成效的——因为稳定杆的存在,让左右两边各自为政的难度变大了,转弯侧倾的时候,被压缩的那一边不会被压得那么厉害,伸长的这一边也没有原来那么嚣张,两边运动的行程都短了,车身侧倾的幅度就变小了。

有一个术语来称呼这种“两边各自为政”的难度——侧倾刚度。由于稳定杆的作用,侧倾刚度被提高了,侧倾梯度就变小了。

因为稳定杆是一股对抗侧倾的势力,所以它被称为“Anti-roll bar”。

 

      加硬弹簧也能降低侧倾,那为什么还要稳定杆?

稳定杆的使命只有一个,就是提高侧倾刚度。但是弹簧管的事就太多了,牵一发而动全身,加得太硬搞不好就得不偿失。如果不要稳定杆,要全靠弹簧来实现同样的侧倾效果,那得到的会是一台舒适性非常差、制动加速俯仰非常小、响应过于敏捷的车。

即使是对于场地赛车来说,虽然不追求舒适性,也不希望在刹车或者加速时有太多的俯仰,弹簧也依然影响着刹车或是加速时的前后载荷转移,弹簧与稳定杆之间的协调配合对车辆在弯道加速或是弯道制动时的响应和稳定性都有着重要的意义。


稳定杆为什么总是前粗后细,甚至没有后稳定杆?

 

这里涉及到一个“侧倾力矩前后分配”,或者说是“载荷转移前后分配”的问题。

前面说,左右两边的车轮就像一对关系不太好的兄弟,但是要闹矛盾总要事出有因,转弯时产生的侧向加速度就是这个“因”。因为侧向加速度会引起侧倾,那么产生出来的这股力量就是一个力矩,叫做“侧倾力矩”。这个“侧倾力矩”可是坏得很。

对于轮胎来说,最基本的是什么?是载荷,也就是竖直方向的这个力量。有了竖直载荷,轮胎才能支撑起整台车,才能提供制动或加速时的纵向附着、和转弯时的侧向附着。如果没有竖直的载荷,随便一点动静就可以让轮胎滑起来。

 

竖直载荷对于轮胎的意义,就好像馒头对于搬运工的意义一样——给工人馒头让他们吃饱,他们才能干活。一点饭都不给吃,那就一点活都干不动;饭吃的越饱,干的活就越多。轮胎就是这样,竖直的载荷越大,他能提供的附着极限就越高。

但是这个规律并不是线性的——一天吃一个馒头,可以有力气搬运十公斤货物;十个馒头100公斤货物;一天吃一万个馒头,是不是就可以搬运100吨了呢?显然不是。最管用的馒头永远是第一个,到后面越吃越不想吃,越吃越没用。在经济学中,这个叫做“边际效应”。


世界就是这么奇妙,谁能想到轮胎会遵循经济学原理?【摊手】

 

竖直载荷越大,轮胎能提供的附着极限就越高。但是载荷越大,投入和产出比就越低。这也是为什么赛车要尽量轻量化的一个重要原因。


在转弯的时候,由于侧向加速度、或者说是侧倾力矩的作用,载荷被从一侧车轮转移到了另一侧,两边加起来的附着极限总和就会被降低。这个过程就好比是,原本兄弟俩分配好的,一人吃一半的馒头,这个叫做“侧倾力矩”的恶人,把抢了一边的粮食给另一边,结果就是被抢的这边吃不饱了,多吃的这边却没有那么稀罕这多出来的馒头,所以两边加在一起干的活就变少了。


事情并没有那么简单……

一台车上有四个轮子,前后各一对,这里面是两对兄弟的事。在车辆转弯、载荷横向转移的时候,前后两对轮子所承担的转移量并不一致。这个前后转移量的比例,其实就是侧倾力矩的前后分配比。它跟很多因素都有关系,比如车重的分配、侧倾中心高度、前后部质心高度等等。这些通常都是汽车在开发的时候要考虑的事情,暂且按下不表,只说稳定杆的事。

 

前后轴并不是各自为政,车身将他们连成了一个整体。侧倾刚度越大的那个轴,就越趋向于承担更多的侧倾力矩。“天塌下来有个高的顶着”,同理,车身侧倾了有更硬的那个轴顶着。车身就像是管着前后两对车轮的大Boss,Boss说“能者多劳,谁更硬谁就顶上”,所以更硬的那个轴、兄弟更团结的那对轮胎,就会转移更多的载荷,相应地,也就会损失更多的侧偏刚度、或者说更多的附着极限。


因为民用车都是要有一些不足转向的,所以就会让前轴承担更多的侧倾力矩,车辆在转弯极限的时候也是前轮先打滑。稳定杆在这里就起到了一个调整前后侧倾力矩分配的作用。

 

稳定杆这么好,那是不是越粗越硬就越好呢?

在这件事上,确实不是这么回事。

稳定杆的力量,是让左右车轮同上同下的,如果稳定杆太强,左右车轮就会失去过多的独立性。

从舒适性的角度考虑,路面上的起伏不平,大多数都是左右不同步的,稳定杆太硬就会让舒适性变得很糟糕

另外,稳定杆也是振动的一条传递路径。当路面不平引起车轮振动、尤其是左右不同步的时候,这个振动就会传递到稳定杆上,然后通过稳定杆与车身(或者副车架)连接的点传递到车身上。这也是为什么稳定杆要通过橡胶衬套固定到车身上的原因,为的就是能隔离一部分振动。说到这里顺便提一句:稳定杆衬套对舒适性是有好处的,对操稳就不一定了——在车身侧倾的初期,稳定杆衬套的变形会比较明显,此时稳定杆起的作用就会被掩盖。所以趋向竞技的改装往往会把稳定杆衬套加硬。


对于越野车来说,太强的稳定杆过多地削弱了左右车轮的独立性,会造成附着的丧失。所以越野车辆很不喜欢稳定杆,尤其是太强的稳定杆。一些高端越野车就会装配主动稳定杆——公路驾驶的时候稳定杆正常工作,越野的时候稳定杆断开不起作用,以实现越野性能和公路行驶的性能兼顾。


最后,稳定杆也是要和弹簧配合的。在车子过弯的时候,内侧的车轮是要伸长出去的。此时,弹簧提供的是往下推车轮的力量,而稳定杆却是要往上抬起车轮的,这是一对互相对抗的力量。如果稳定杆太强,弹簧拗不过,结果就是这个车轮将不能提供有效的附着。最明显的表现莫过于“狗撒尿”的过弯姿态了。


所以,稳定杆越加越稳定是一个误解。

 

      怎么看市面上频繁出现的车型改款取消后稳定杆现象?

19年中上市的2020款宝马3系取消后稳定杆的事情在网上就讨论的挺火热,百度一下“取消防倾杆”还能找出来一些其他的案例。其实,这事儿不是最近才流行起来的,国内的第一代马自达6从13款开始,就简配掉了后稳定杆。

马自达6的后稳定杆,之所说“简配”,是因为它就是赤裸裸的向成本妥协的结果。


首先,第一代马自达6从2003年进入中国起,经历了8次改款,但是车身设计没变过,尺寸、车重、轴距、轮距等等关键参数从来没变过,所谓的改款就是更改一些舒适性配置、改改雾灯反光镜的造型、零部件国产化,底盘设计是一直没变的。

其次,马自达6的后稳定杆直径大约是18mm,虽说稳定杆在下摆臂上的安装点位置比较靠近内侧,但是这个直径能提供的刚度也已经很可观了。(其实郝工认为,在这件事上不存在“无用的设计”,不管稳定杆有多细,如果没有用,为什么还要设计个稳定杆上去呢?)

简配了这个后稳定杆,车子就需要重新做一些调校工作——起码减振器向操稳性能上妥协一些是无疑的。最终的结果就是,车子的操稳性能和转向响应不如简配前,舒适性由于减振器的重新调校,也大概率要牺牲掉一些舒适性。说到底,底盘设计是一个系统的工程,在整个系统成型后,拿掉任何一个部分,都会破坏原有的性能平衡。

(下图:马自达6简配后稳定杆后,稳定杆的安装孔位依然保留,没有更改。)


但是宝马3系的这个情况又不太一样。2020款的3系是一个换代产品,底盘是重新设计的产品,而不是一个半路简配的结果。这一代3系有两个底盘代号,G20和G28,分别对应标轴版和长轴版。

长轴版的3系海外没有,是个中国市场“特供”车。底盘是全新设计的,以前没有;G28又是特供的,海外没有。那你说这个“简配”后稳定杆,“简”从何来?跟谁比“简配”了?像这种,只能说是天生构造与上一代不同,不是后天“太监”的。

短轴版的情况又要复杂一点,有些型号是全球都没有稳定杆的,有些又是海外有而中国市场没有的。对于海内外配置不同的车型来说,确实存在节省成本的嫌疑,但是怎么说也是全新换代产品,还是一个系统设计的结果。宝马既然这么做,就定然是认为这样的配置和性能表现更符合中国市场的需求,大概率还是能够达到一个相对不错的性能平衡。


还是那句话,“性能好不好,是开出来、试出来的”,不是Excel表格列个零部件清单比出来的。零部件清单与性能之间,没有必然联系。

 

至于有些扭力梁后悬的车型,可能上一代的时候在梁中间有一个扭杆,到了换代的时候没有了,这就更不需要去过分解读了。扭力梁中间的那根杆只是扭力梁的一种结构设计,不叫“稳定杆”,跟扭梁的刚度更是没有什么关系,没有这根杆的扭梁也一样可以通过钢板壁厚、结构设计等手段,达到相同或者更高的刚度。


稳定杆加粗了就一定是更硬了吗?

是的——一般情况下都是。所谓的一般情况,是指稳定杆的形状一致、材料也还是钢材。一般来说,街车的稳定杆改装件与原厂件的形状走向是一致的,也不大可能用到钢材以外的材料。不同标号的钢材之间,杨氏模量不会差别很大,说明白点就是刚度不会有很大差别,差别在于强度,优秀的弹簧钢材料,可以让零件更不容易发生塑性变形。

 

可调稳定杆上有几个孔,怎么就能调软硬了?

通过连接可调稳定杆上的不同孔位,改变了稳定杆的力臂作用长度。这和我们使用内六角扳手时,手握长柄会更省力一样。当稳定杆的连接位置越远离末端、靠近杆体的时候,力臂就变小了,就好像手握着短柄的一端使用内六角扳手一样,稳定杆就会起到更强的作用。


针对同一款车的不同品牌的为广大改装件之间的区别大吗?

稳定杆这个东西,技术含量没有那么高,不像减振器那么复杂。跟行驶性能相关的参数基本上就只有直径这一个。所以品牌不重要,主要看直径,同等直径的不同品牌产品不会有太大的差别。如果说有差别的话,可能相配套的稳定杆衬套的硬度会有一点差别吧。

但是,上面的话是针对正品而言的,选择小路货有的时候需要拼一点人品。不然,类似于稳定杆衬套孔径不合适、稳定杆翘曲之类的情况也是有可能出现的。

 

稳定杆安装的时候需要注意些什么?

很多车要换稳定杆需要拆一堆件,拆过的件要好好地装回去。

车身姿态降过的,最好换个可调的“李子串”,把稳定杆的姿态调整回去,尤其是对于那种稳定杆和衬套胶合在一起的设计。

有的车,降低了车身姿态又用李子串调整了稳定杆姿态的话,可能会有零部件干涉的问题,这时,即使牺牲掉理想的稳定杆姿态,也应该首先避免干涉。


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