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科普帖——讲讲二战时德国战车的悬挂和路轮

瑞鶴 2012-02-28 22:19:27

本文写于6年前，以现在的水平看是几乎需要重写，那就不妨重写吧，然后就当给尼伯龙根工厂攒一篇稿子了（6年前的东西都好意思来凑数）——瑞鹤， 2018.7.5

序：

德国二战期间的战车之所以在二战之后那么多年还在被人讨论，其设计的独到之处是蛮重要的看点，在这其中，非常有个性的悬挂系统（Suspension）是一个颇值得展开来讲的话题——对于笔者本人来说，“交错负重轮”这么个非常独特的设计是自己掉进模型大坑的重要因素。

一辆德军二战时期的黑豹坦克，注意其交错负重轮的设计，这种负重轮布局是前无古人，后无来者，非常具有二战德国特点的一种标志性设计

首先讲一下悬挂的意义，对于战车而言，越野性能是很重要的，那么，悬挂通俗点说，是不断运动的负重轮连接到车体刚性结构的方式，悬挂必须足够灵活保证负重轮有足够的行程，也必须足够坚固以适应越野的需要。二战时，德国战车的悬挂大体分为两类，一类是板簧悬挂，一类是扭杆悬挂（包括保时捷博士开发出的纵向扭杆悬挂）。而出现交错负重轮的车辆基本都是后者。

板簧悬挂： 板簧悬挂的结构其实不复杂，战车上出现的板簧悬挂和铁路车辆以及大货车所用的悬挂是非常类似的结构，事实上这类悬挂本来应用最广的领域也是轮式车辆，最早运用板簧悬挂的车辆其实是中世纪的一些马车了。

板簧悬挂的实物，这些东西在当代的很多大货车上都非常常见

一辆典型的欧式马车，注意前后轮轴的板簧悬挂。当年英国马嘎尔尼使团来见乾隆皇帝时带来的欧式马车让清朝高官惊讶不已——怎么如履平地呢？

火车上的板簧悬挂案例，这是来自北京的铁道博物馆，蒸汽机车的煤水车

当代越野车上的板簧悬挂，这种形制从二战到现在变化不大

经过几百年的不断改进，板簧悬挂在军事和民用当中的运用已经非常成熟。其优点在于结构简单，工作可靠，成本低廉，维修方便，但其缺点是重量较重，刚度大，舒适性差，纵向尺寸较长，与车架连接处的钢板弹簧销容易磨损等。

德军的板簧悬挂应用在几款产量很大的战车底盘上，比如38t底盘的战车（包括38t战车，基于38t底盘的Gepard自行高射炮，黄鼠狼自行火炮，蟋蟀自行火炮，追猎者坦克歼击车等），再比如四号战车及其改型车（四号战车；家具搬运车，旋风，东风，球形闪电自行高射炮；四号歼击战车L48, L70V，L70A；四号突击炮；灰熊自行榴弹炮等），另外，犀角和野蜂这样使用了“III / IV号混合底盘的自行火炮”，其悬挂系统和四号车族完全一样，也是板簧悬挂。

基于38t底盘的追猎者悬挂实物，一组板簧控制两个主动轮轴的俯仰动作，图片来自弗吉尼亚军事博物馆的整修工作

追猎者主动轮轴和板簧连接处的细节——所谓德国在战争后期轴承难以为继是不对的，事实上施韦因富特的轴承厂被轰炸后德国马上想到别的办法（比如从中立第三国进口之类）解决了轴承问题

来自1945年初国防军每日公报的纪录片，第502重装甲营换装的追猎者正在跨越铁路，注意板簧控制下的主动轮行程

四号坦克板簧悬挂的结构

3D复原的四号坦克板簧悬挂结构

一张四号坦克的结构图，板簧悬挂可以不挤占车内空间，这对于四号战车这么个“内部空间不那么充裕”的中型战车，意义还是很大的

一辆留存至今的四号坦克残骸，可以看到它的悬挂是两个轮子一组地被一个板簧结构所控制

另一个保存至今的四号坦克板簧悬挂组件，这是负重轮轴，中间方形的孔洞是板簧的位置

来自于国外模友制作的四号坦克模型，负重轮的行程在板簧控制下的体现

1945年春在匈牙利被德军放弃的灰熊自行火炮，注意两个一组的负重轮被板簧控制下的行程

需要注意的是，板簧悬挂系统中承重和承受应力的结构是簧片，在战争后期德军在38t底盘和四号底盘上加装较重的火炮时，车体前端的板簧悬挂承重会非常大，在这种情况下为了避免前部板簧过快磨损，德军会对车体前部的板簧进行特别设计，加厚簧片或者增加承重的簧片数量，以此达到负重前行的效果。

博物馆中的灰熊自行火炮悬挂，由于火炮导致的重量上升，不但板簧悬挂要特别加强，连负重轮都要换成钢轮式样减少磨损

扭杆悬挂：

扭杆悬挂的原理大概是这样的，扭杆一侧安装在车体侧壁上，另外一侧通过车体的孔洞穿出，连接到摆臂上，轮子上的重量载荷通过摆臂使扭杆产生扭转，获得的弹性力用于支撑车体。其优点在于车辆越野时负重轮经过起伏的地面只会让扭杆以接车体的轴为圆心转动，减轻机械损耗动行程很大，理论上行程总长是可以接近两倍摆臂的长度（从摆臂向下无限接近竖直，可以一直扭转到摆臂向上无限接近竖直），完全不存在其他悬挂需要考虑弹簧的长度等问题；其缺点在于车辆底部被扭杆占据，空间被挤了很大一部分。这样一来，战车的高度就势必被扭杆挤占一部分空间，无法妥协，除此之外，一旦扭杆损坏，其维修并非简易的战地工坊可以完成，必须后送大型维修站。

Sd.Kfz.250半履带车的扭杆悬挂示意图，刚性的一侧连接在车体内侧壁上，扭杆足够长以获取足够的扭转张力，然后这根扭杆从车体另一侧穿出连接摇臂，最后摇臂末端连接负重轮

使用扭杆悬挂的车辆和使用克里斯蒂悬挂（Cristie Suspension）的车辆从外表上看是类似的，但其内部结构有颇多不同。扭杆悬挂的车辆底盘上一定是横向设置的扭杆系统，但克里斯蒂悬挂的承力系统被放在车辆侧壁上，这是从结构看最大的不同点。

采用扭杆悬挂的虎式坦克，其底盘上横置着扭杆悬挂系统

采用克里斯蒂悬挂的克伦威尔坦克底盘，注意看垂直放置的悬挂系统。这种悬挂系统维修起来非常不便，甚至要把侧装甲拿下来才能进行彻底维护和保养

一个非常直观的克里斯蒂悬挂原理示意图

德军的三号坦克经历了许多悬挂系统失败的实验，从克里斯蒂悬挂到板簧悬挂，最终定型为扭杆悬挂

扭杆悬挂是德国二战时履带车辆悬挂的主流。不完全统计如下——全部的半履带车及其改型（数量太多此处从略），一号战车及其改型（野牛自行火炮），三号战车及其改型（三号突击炮），豹式战车及其改型（猎豹坦克歼击车和维修豹），虎式战车及其改型（突击虎自行火炮），虎王战车及其改型（亨舍尔公司的猎虎）等。

在当代被复原的一辆Sd.Kfz.251半履带车底盘，注意其扭杆系统

博物馆馆藏的三号坦克的扭杆

在亨舍尔工厂安装扭杆的虎式坦克

在MNH车间的猎豹坦克歼击车，注意车体侧面的扭杆

生产线上的虎王坦克，扭杆已经装好

扭杆悬挂一个很重要的设计问题是位置干涉。具体来讲，左侧的负重轮连接的扭杆最终是要固定在右侧车体上，但右侧车体也需要开出扭杆所需的孔洞来连接右侧的负重轮。这样的位置干涉是扭杆悬挂必须考虑的问题，一般来讲，有两种解决方案，第一种就是两侧的扭杆统一朝前或者朝后布置，这样的话车体左右两侧的负重轮就不可能完全对称，会有个交错的角度，三号坦克和Sd.Kfz.251半履带车是这方面的典型代表。

三号坦克的悬挂示意，注意两侧扭杆都向后布置

三号坦克N型的侧视图，注意左右两侧负重轮并非对称布置，左侧的稍微靠后一些避免发生空间干涉

另一种解决方案就是两侧的扭杆朝向不同，左侧扭杆朝前，右侧扭杆朝后，虎式，豹式和虎王的底盘都是这样的布置。

一辆在诺曼底翻车的虎王坦克被盟军统帅艾森豪威尔围观，其撕裂的底盘装甲内露出的复杂的扭杆系统，注意虎王坦克的左右两侧扭杆的不对称性，车体左侧扭杆朝前，车体右侧扭杆朝后，以避免位置上的干涉

除了这些正常的扭杆，保时捷博士在其虎P坦克原型车（后继车型为费迪南/象式坦克歼击车），虎王坦克原型车（只是个设计稿，都没来得及生产出原型车就被否决了）和猎虎坦克歼击车的设计中采用了纵置扭杆（Torsion Bar Tube），这种扭杆系统不需要占用车体底部的宝贵空间，且从战时留下的记录看可靠性并非那么不堪。不过这个设计和保时捷博士的其他设计一样，过于精巧复杂以至于会给后勤系统带来极大的压力，所以最终没能大规模投入使用。

保时捷博士的纵向扭杆，这个是装在费迪南/象式坦克歼击车上的

1944年英军驻莫斯科大使向国内发回的关于保时捷纵向扭杆的草图，具体来源是这个——http://tankarchives.blogspot.com/2017/04/porsche-suspension.html

象式坦克歼击车上的纵向扭杆实物

保时捷底盘的猎虎坦克歼击车被击毁后引来美军围观，注意看两个一组的负重轮被纵向扭杆固定

另外，德军的二号坦克侧面的五对负重轮中，D，E使用扭杆悬挂，其余的都使用板簧悬挂。

德军的二号坦克，侧面的板簧清晰可见

交错负重轮（Interleaves Road wheel）：

在扭杆悬挂系统中，负重轮直径不得大于两根相邻扭杆的距离。这就限制了负重轮的大小。在战斗中，大直径负重轮有一些优势，比如越野性能好，停车瞬间震动小（二战期间尚不具备“行进时射击”的技术，那么停车瞬间震动小对于首发命中非常重要），在这种情况下，既要考虑承重（尽可能多的负重轮），又要考虑停车瞬间的震动（尽可能大的负重轮），那么交错负重轮是一种自然的选择。里圈轮子和外圈轮子交错布置，这也是德国二战时期坦克的特点。

而且交错负重轮的另一个好处，是履带在接地面的压强分布很平均，这有助于延长履带的寿命。这也是德军的半履带车都在使用交错负重轮的原因。

非常直观的一张图，交错负重轮和一般的大直径负重轮比较，两者对履带的压强分布

隆美尔的指挥车，Sd.Kfz.250 Greif，这种轻型半履带车已经在采用交错负重轮了

黑豹坦克的负重轮系统，从内到外的四排轮子交错布置

早期的虎式坦克有六排交错布置的负重轮

而对于虎式坦克和虎王坦克，其巨大的重量（虎式56吨，虎王72吨）使其不得不使用宽履带，这种履带的宽度使得铁路运输时车辆超出了正常桥梁隧道的容许宽度，因此，虎式和虎王战车在铁路运输时要把履带卸了换专用的铁路运输窄履带，对于虎式前期和中期型，最外面一排负重轮还要卸掉。当然，内侧负重轮的维护也不是那么轻松的事情——这也可以解释为什么二战之后这种交错负重轮就没有设计采用了。

虎式坦克的战地维护，想要更换内侧的负重轮对后勤来说是非常痛苦的过程，得先把外面的轮子都卸掉

维护黑豹坦克的负重轮

由于战后材料技术的发展，交错负重轮带来的“平均履带压强”的特点愈发不突出，而其维护时的不便使得这样的设计被放弃，只有瑞典的一款运兵车（PBV302）和一款法国坦克（AMX50/120）采用了这个设计。

瑞典运兵车PBV302，采用交错负重轮的战后设计

法国坦克AMX50/120，采用交错负重轮设计的战后坦克

钢轮（Steel Wheel）:

在大战后期，出于各种原因（增加承重，或者节约橡胶材料）的考虑，德军的一些战车上出现了全钢负重轮的设计（取消了橡胶轮缘）。使用过这种全钢负重轮的战车有四号坦克的某些变形车，黑豹坦克，虎式坦克后期型（1944年1月之后生产型）和全部的虎王坦克。

随着战争的进行，四号坦克的底盘上需要加上更重的反坦克火炮，前装甲也要加厚。基于这个原则开发的四号坦克歼击车（装载Kwk42型L70倍径炮）和灰熊自行火炮的前部就会过重，严重影响战车的操控，四号坦克歼击车还被乘员戏称为“古德里安的鸭子”。在这种情况下，将前部的几个路轮换成钢缘负重轮就成为了一个自然的选择。标准的做法是四号歼击车L70V型的前部两个负重轮换成钢轮，四号歼击车L70的前部四个负重轮换成钢轮，灰熊的前面四个负重轮，或者全部的负重轮换成钢轮。当然从现存的照片来看，例外还是很不少的。