懸吊系統

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
福特T型車前輪的懸吊系統元件

懸吊系統亦稱為懸掛系統懸載系統,乃是一種由彈簧減震筒連桿所構成的車用系統,用於連接車輛與其車輪。懸吊系統扮演雙重的角色-讓車輛的操控煞車合乎良好的動態安全與操駕樂趣,並保持車主的舒適性及隔絕適當的路面噪音、彈跳與震動。這些特性通常都是互相牽制的,因此懸吊的調整就必須找到兩者兼顧的位置。懸吊系統同時也保護車輛本身、或車上的貨物行李等,避免這些東西損壞或磨耗。一台車輛的前輪與後輪懸吊設計有可能會大不相同。

這篇條目主要是有關四輪(或多輪)車輛的懸吊。若需要兩輪車輛懸吊的相關資料,可參閱懸吊 (機車)單車懸吊

歷史[编辑]

在古早的埃及,就已經出現過板式彈簧的蹤跡。

古代的兵工學家使用板式彈簧,以彎曲的方式來加強他們的攻城武器,起初的效果還不錯。後來在投石器上所使用的板式彈簧更為精密,而且可以使用好幾年。彈簧不一定由金屬製造,也可使用堅硬的樹枝當作彈簧,就像製弓一樣。

馬車[编辑]

汽車的5種懸吊,由上而下:
  1. Live axle with Watt bar 活軸懸吊;
  2. Suspension like on a bike fork 類似腳踏車前叉的懸吊;
  3. Swing axle 搖軸式懸吊;
  4. Double wishbone 雙A臂懸吊;
  5. MacPherson 麥弗遜支柱式懸吊

在19世紀早期,大部分的英國四輪馬車都有配備彈簧;木製彈簧用於輕型單馬車輛來避震,而較大的馬車彈簧則採用鐵製。這些鐵製的彈簧由低碳鋼製成而且通常疊成多層成為板式彈簧[1]

英國的鐵製彈簧不適用於當時美國大陸上粗糙不平的路面,轉彎過快甚至會導致馬車解體。在1820年代,新罕布夏州康科特市的Abbot Downing公司開發出一種系統,藉此讓驛馬車的車體能夠支撐在稱作「thoroughbraces」的皮帶上,這樣車廂的動態可改善成擺蕩的動作,而不是像彈簧懸吊那樣劇烈的上下震動。(有時驛馬車本身也被稱作「thoroughbrace」。)

汽車[编辑]

汽車在早期開發時,視為自身動力推進的馬車。但是相對來講,馬車是設計用來低速行駛的,因此它們的懸吊並不適用於內燃機引擎所能產生的高速行駛。

1903年,德國的Mors汽車公司首次將車輛安裝了減震筒。1920年,Leyland汽車公司在懸吊系統中加入了扭桿裝置。1922年,Lancia Lambda開創先例地使用獨立前輪懸吊,在1932年以後的市售車輛上更為常見。[2]

重要屬性[编辑]

彈簧剛性[编辑]

彈簧剛性(或稱懸吊剛性)是懸吊伸縮時,用來設定車高或其定位的要素之一。車輛載重大的通常會搭配更硬的懸吊來抵銷額外的重量負載,否則可能在途中(或彈跳時)壓毀了車輛。較硬的彈簧通常也用於性能用途,因為這時候懸吊在彈跳時是經常性下壓的,這時會導致可用的彈跳伸縮量變少,造成破壞性的下壓力。

彈簧太硬或太軟都會造成車輛失去懸吊性能。一般來說,比較經常性載重的車輛具備較重或較硬的彈簧,其彈簧剛性接近車重的上限值。這樣讓車輛可以在控制性受載重慣性的限制下,正常地載貨並操駕行駛。駕駛一台空的載貨用卡車可能會對乘客感到較不舒適,是因為與車重相關的高彈簧剛性。賽車可以說是具備較硬的彈簧,而且會呈現不舒適的顛簸。然而,雖然我們說它們兩者均具備硬彈簧,但實際上一台2000磅的賽車與一台10000磅的卡車,其兩者的彈簧剛性則是全然不同的。高級房車、計程車或客運巴士通常可以說是具備較軟的彈簧。車輛的彈簧若是老化或損壞,行駛時容易貼近地面,懸吊的總壓縮量會降低,車體也容易側傾。性能跑車的彈簧剛性有時不只是為了車重或載重的需求。

彈簧剛性的數學應用[编辑]

彈簧剛性是一個比值,用來測量一個彈簧在偏斜時被壓縮或伸展時的阻抗。按照虎克定律,彈力強度隨著偏斜增加而增加。簡單來講,這個現象可以由下列公式所述:

F = -kx \,

其中

F為彈簧的施力
k為彈簧的剛性
x為靜力平衡時的位移量,其長度為彈簧壓縮或延展時。

由於本身車重、車輛載重、懸吊系統的空間限制或性能需求等因素下,彈簧剛性會受限在一段狹小的分佈區段。

彈簧剛性的單位通常由N/mm表示(或lbf/in)。例如一個線性的彈簧剛性表示為500 lbf/in,其代表彈簧每壓縮一英吋,它可以施壓500磅力。而一個具有非線性的彈簧剛性,代表它的壓縮力與施力的關係無法適當地對應於一個線性模型。例如,第一英吋會施壓500磅力,第二英吋會施壓額外的550磅力(因此總共是1050磅力),第三英吋則會施壓另外600磅力(總共達1650磅力)。相較之下,一個500 lbf/in的線性彈簧壓縮了三英吋之後的施壓力則只有1500磅力。

線圈彈簧的彈簧剛性可由簡單的代數方程來計算求得,或是由彈簧測試機來測量。彈簧常數k可由下列公式計算:

k = \frac{d^4E}{8ND^3} \,

其中d為線材直徑,E為彈簧的彈性係數(例如鋼鐵的係數大約為30,000,000 lbf/in²或是207 GPa),N為線圈的纏繞次數,而D為線圈直徑。

懸架剛性[编辑]

懸架剛性為針對車輛輪架所測量出有效的彈簧剛性,但不只是單獨對彈簧剛性做測量而已。

懸架剛性通常等於或小於彈簧剛性。一般來說,彈簧會固定在控制臂、搖臂或某些其他種類的樞軸支承機構上。假設前述例子中的彈簧剛性計算出為每吋500磅力,如果你將車輪垂直移動一英吋(車輛是靜止的),則彈簧可能僅壓縮了一小部份的量。假設彈簧只移動了0.75英吋,槓桿臂比率可能為0.75到1,則懸架剛性可由彈簧剛性比值的平方倍(0.5625)而求得。將比值做平方倍的目的在於它對於懸架剛性有兩個作用存在,這個比值同時影響了施力大小與位移量。[3]

獨立懸吊系統下的懸架剛性就非常簡單明瞭,但對於某些非獨立懸吊系統的設計就必須考量到一些特殊狀況。以車軸的縱向角度來看,若由前方或後方來看,懸架剛性可以由前述的方式去測量得出。然而由於輪架並非獨立的,在加速或減速時側向來看,支點會位在無限遠的位置(因為前後輪都移動了)。過彎與加減速時的有效懸架剛性也往往有不一樣的結果,將彈簧的定位盡可能地靠近車輪可以將懸架剛性的差異降到最小。

側傾力耦百分比[编辑]

在車輛搖晃時,側傾力耦百分比為車身各軸線上發生的有效懸架剛性數值,為車輛總側傾率的某個比值。側傾力耦百分比在精確平衡車輛的操控上是非常關鍵的因素。

一台側傾力耦百分比70%的車輛,在過彎時會將本身70%的懸吊載重轉移到車輛前方。

重量轉移[编辑]

重量轉移通常針對單一車輪在過彎、加速或煞車等狀況下,相較於該輪淨重時的情形。過彎的輪載重必須先得知靜止時的輪載重,並依照每個輪架的簧上載重、簧下總重,或是頂舉力的大小來增減。有些賽車業界會使用一些假名詞,或是將頂舉力和懸吊載重轉移等因素統一用一個片語名詞來稱呼,例如「side bite」。通常會這樣做的理由在於,他們可能沒必要知道這麼詳細,或是刻意混淆對手而不讓對方得知車輛的性能,因此使用一般人容易接受的擬人詞彙。

非承載重量轉移[编辑]

非承載重量轉移是由非懸吊支撐的車輛元件重量所計算求得,這些元件包含了輪胎、輪圈、煞車、輪軸、控制臂一半的重量,以及其他的元件。這些連接於車身的元件會假設成無重量(便於計算用途),然後放在同樣的動態負載。過彎時,前輪的重量轉移會等於:前輪非承載總重×重力×前輪非承載重心高度÷前輪車軸寬度。此算法同樣適用於後輪。

懸吊系統類型[编辑]

獨立式懸吊(懸掛)系統包含了以下系統:

英文 中文 優點 缺點
Swing axle 搖軸式
Sliding pillar 滑動支柱式
MacPherson strut 麥弗遜支柱式 1.整體懸掛組件結構簡單、質量輕,作為車頭懸掛組件時,可有效減輕車頭重量。
2.佔用空間小,其響應速度和回彈速度敏捷,減震能力十分突出。
1.抗側傾及抗制動時點頭的能力較弱。
2.缺乏一定的穩定性。
Chapman strut 查普曼支柱式
Upper and lower A-arm Suspension (Double Wishbone Suspension) 雙叉臂式 (又稱為雙A臂式或雙願骨式或不等長控制臂式) 1.響應速度和回彈速度敏捷,減震能力突出。
2.整體懸掛組件的強度和抗衝擊能力出色。
使用後輪胎與輪面的接地面積大,貼地性好,路面適應性好,可減少輪胎磨損。
1.整體懸掛組件需要佔用比較大的空間,組件質量也較重。
2.增加維修保養時的複雜度,在定位懸掛及四輪定位時,參數也較難確定。
Multi-link Suspension 多連桿式 1.懸掛受到壓縮時可通過連桿對車輪定位進行主動調整,能盡可能的使輪胎與地面保值垂直,貼地性非常出色。
2.操控性能非常出色,這種類型的懸掛能最大限度的發揮輪胎的抓地力,並可大幅度提高整車的操控極限。
1.結構複雜,造價相對比較昂貴。
2.佔用空間大。
semi-trailing arm suspension 半拖曳臂式 屬獨立式懸吊系統,使用於後輪懸吊,比拖曳臂懸吊複雜。
swinging arm 搖臂式
leaf springs 葉片彈簧式


非獨立式懸吊(懸掛)系統包含了以下系統:

Satchell link
Panhard rod
Watt's linkage 澳洲福特汽車所發明,可改善活軸或固定軸懸吊的操控性
WOBLink
Mumford linkage
Live axle 活軸懸吊 有傳動功能的Beam axle
Twist beam 扭力樑式懸吊 亦稱Torsion beam axle,以鋼樑搭配左右兩支拖曳臂,路面高度起伏不大時左右輪不會互相拉扯,可算半獨立式懸吊系統,中小型車後懸吊常使用,使用此懸吊系統也可明顯增加車尾行李廂空間,扭力樑式懸吊可透過如福斯汽車添加內建液壓避震增加舒適性或Opel汽車添加Watt's連桿增進操控性。扭力樑式懸吊雖使用拖曳臂,但並非拖曳臂懸吊,純拖曳臂式懸吊左右兩隻拖曳臂中間無扭力樑連結,操控較不穩定近代汽車中已十分少見。扭力樑式懸吊也非扭力桿式懸吊,扭力桿式懸吊使用剖面為十字型之類的短鋼棒連接車輪,是較為簡單的設計。
Beam axle 無傳動功能稱Solid axle,有傳動功能稱Live axle,通稱Beam axle
leaf springs used for location (transverse or longitudinal)



汽車底盤採獨立懸掛系統可使各個車輪輪胎獨立跳動起伏,不會互相拉扯影響車輛行駛平衡,增加操控性與舒適性,只是成本較非獨立懸吊(如固定軸懸吊Solid Axle)高。

裝甲戰車懸吊系統[编辑]

早期戰車底盤為固定懸吊,震動大機動性差,後來採用農耕機葉片彈簧懸吊,但改善有限。 二十世紀30年代美國人John Walter Christie發明坦克用全輪獨立懸掛系統,但與美國軍方因規格問題未達成協議,共產蘇聯發現美軍未採用此技術後,迅速買去這技術專利,讓蘇聯發展出行駛惡劣路面如履平地的優秀T34坦克,越野機動能力遠勝納粹坦克,成為擊敗納粹主力軍隊改寫歷史的發明。英國另有一種Horstmann坦克懸吊是Christie懸吊系統的變異版,但故障率較高。 另一種二戰時至今的坦克懸吊系統為扭力桿(Torsion-bar)懸吊,避震行程不如Christie懸吊,但佔空間比Christie懸吊系統小,可容納大車輪與重裝甲,也可裝避震器(減震筒),今日重裝甲坦克常用。1991年的英國挑戰者2坦克則使用類似雪鐵龍汽車的液壓氣動式懸吊系統。

參考資料[编辑]

  1. ^ Adams, William Bridges. English Pleasure Carriages. London: Charles Knight & Co. 1837. 
  2. ^ Jain, K.K.; R.B. Asthana. Automobile Engineering. London: Tata McGraw-Hill. : pp. 293–294. ISBN 007044529X. 
  3. ^ Spring Rate vs Wheel Rate. 

外部連結[编辑]

Template:Powertrain nav