悬吊系统
悬吊系统，亦称为悬掛系统或悬载系统（英语：Suspension），乃是一种由弹簧、减震筒和连杆所构成的车用系统，用于连接车辆与其车轮，一台车辆的前轮与后轮悬吊设计有可能会使用不同设计甚至电子产品。悬吊系统扮演双重的角色，让车辆的操控与煞车合乎良好的动态安全与操驾乐趣，并保持车主的舒适性及隔绝适当的路面噪音、弹跳与震动。这些特性通常都互相牵制，因此悬吊的调整就必须找到两者兼顾的设定。悬吊系统同时也保护车辆本身或车上的货物行李，避免因颠簸而磨耗或损坏。
这篇条目主要是有关四轮（或多轮）车辆的悬吊。若需要两轮车辆悬吊的相关资料，可参阅机车悬吊、单车悬吊。
历史
[编辑]在古早的埃及，就已经出现过板式弹簧的踪迹。古代的兵工学家使用板式弹簧，以弯曲的板状材料加强他们的攻城武器，起初的效果还不错。后来在投石器上所使用的板式弹簧更为精密，而且可以使用好几年。弹簧不一定由金属制造，也可使用坚硬的树枝组合，当作弹簧，就像制弓一样。
马车
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- Live axle with Watt bar 活轴悬吊；
- Suspension like on a bike fork 类似脚踏车前叉的悬吊；
- Swing axle 摇轴式悬吊；
- Double wishbone 双A臂（多连杆式）悬吊；
- MacPherson 麦弗逊支柱式悬吊
在19世纪早期，大部分的英国四轮马车都有配备弹簧；木制弹簧用于轻型单马车辆来避震，而较大的马车弹簧则采用铁制。这些铁制的弹簧由低碳钢制成而且通常叠成多层成为板式弹簧。[1]
英国的铁制弹簧不适用于当时美国大陆粗糙不平的路面，转弯过快时甚至会导致马车解体。在1820年代，新罕布夏州康科特市的Abbot Downing公司开发出一种系统，借此让驿马车的车体能够支撑在称作“thoroughbraces”的皮带上，这样车厢的动态可改善成摆荡的动作，而不是像弹簧悬吊那样剧烈的上下震动。（有时驿马车本身也被称作“thoroughbrace”。）
汽车
[编辑]汽车在早期开发时，视为自身动力推进的马车。但是相对来讲，马车是设计用来低速行驶的，因此它们的悬吊并不适用于内燃机引擎所能产生的高速行驶。
1903年，德国的Mors汽车公司首次将车辆安装了减震筒。1920年，Leyland汽车公司在悬吊系统中加入了扭杆装置。1922年，Lancia Lambda开创先例地使用独立前轮悬吊，在1932年以后的市售车辆上更为常见。[2]
重要属性
[编辑]弹簧刚性
[编辑]弹簧刚性（或称悬吊刚性）是悬吊伸缩时，用来设定车高或其定位的要素之一。车辆载重大的通常会搭配更硬的悬吊来抵销额外的重量负载，否则可能在途中（或弹跳时）压毁了车辆。较硬的弹簧通常也用于性能用途，因为这时候悬吊在弹跳时是经常性下压的，这时会导致可用的弹跳伸缩量变少，造成破坏性的下压力。
弹簧太硬或太软都会造成车辆失去悬吊性能。一般来说，比较经常性载重的车辆具备较重或较硬的弹簧，其弹簧刚性接近车重的上限值。这样让车辆可以在控制性受载重惯性的限制下，正常地载货并操驾行驶。驾驶一台空的载货用卡车可能会对乘客感到较不舒适，是因为与车重相关的高弹簧刚性。赛车可以说是具备较硬的弹簧，而且会呈现不舒适的颠簸。然而，虽然两者均具备硬弹簧，但实际上一台2000磅的赛车与一台10000磅的卡车，其两者的弹簧刚性则是全然不同的。高级房车、计程车或客运巴士通常可以说是具备较软的弹簧。车辆的弹簧若是老化或损坏，行驶时容易贴近地面，悬吊的总压缩量会降低，车体也容易侧倾。性能跑车的弹簧刚性有时不只是为了车重或载重的需求。
弹簧刚性的数学应用
[编辑]弹簧刚性是一个比值，用来测量一个弹簧在偏斜时被压缩或伸展时的阻抗。按照虎克定律，弹力强度随著偏斜增加而增加。简单来讲，这个现象可以由下列公式所述：
其中
- F为弹簧的施力
- k为弹簧的刚性
- x为静力平衡时的位移量，其长度为弹簧压缩或延展时。
由于本身车重、车辆载重、悬吊系统的空间限制或性能需求等因素下，弹簧刚性会受限在一段狭小的分布区段。
弹簧刚性的单位通常由N/mm表示（或lbf/in）。例如一个线性的弹簧刚性表示为500 lbf/in，其代表弹簧每压缩一英吋，它可以施压500磅力。而一个具有非线性的弹簧刚性，代表它的压缩力与施力的关系无法适当地对应于一个线性模型。例如，第一英吋会施压500磅力，第二英吋会施压额外的550磅力（因此总共是1050磅力），第三英吋则会施压另外600磅力（总共达1650磅力）。相较之下，一个500 lbf/in的线性弹簧压缩了三英吋之后的施压力则只有1500磅力。
线圈弹簧的弹簧刚性可由简单的代数方程来计算求得，或是由弹簧测试机来测量。弹簧常数k可由下列公式计算：
其中d为线材直径，E为弹簧的弹性系数（例如钢铁的系数大约为30,000,000 lbf/in²或是207 GPa），N为线圈的缠绕次数，而D为线圈直径。
悬架刚性
[编辑]悬架刚性为针对车辆轮架所测量出有效的弹簧刚性，但不只是单独对弹簧刚性做测量而已。
悬架刚性通常等于或小于弹簧刚性。一般来说，弹簧会固定在控制臂、摇臂或某些其他种类的枢轴支承机构上。假设前述例子中的弹簧刚性计算出为每吋500磅力，如果将车轮垂直移动一英吋（车辆是静止的），则弹簧可能仅压缩了一小部份的量。假设弹簧只移动了0.75英吋，杠杆臂比率可能为0.75到1，则悬架刚性可由弹簧刚性比值的平方倍（0.5625）而求得。将比值做平方倍的目的在于它对于悬架刚性有两个作用存在，这个比值同时影响了施力大小与位移量。[3]
独立悬吊系统下的悬架刚性就非常简单明了，但对于某些非独立悬吊系统的设计就必须考量到一些特殊状况。以车轴的纵向角度来看，若由前方或后方来看，悬架刚性可以由前述的方式去测量得出。然而由于轮架并非独立的，在加速或减速时侧向来看，支点会位在无限远的位置（因为前后轮都移动了）。过弯与加减速时的有效悬架刚性也往往有不一样的结果，将弹簧的定位尽可能地靠近车轮可以将悬架刚性的差异降到最小。
侧倾力耦百分比
[编辑]在车辆摇晃时，侧倾力耦百分比为车身各轴线上发生的有效悬架刚性数值，为车辆总侧倾率的某个比值。侧倾力耦百分比在精确平衡车辆的操控上是非常关键的因素。
一台侧倾力耦百分比70%的车辆，在过弯时会将本身70%的悬吊载重转移到车辆前方。
重量转移
[编辑]重量转移通常针对单一车轮在过弯、加速或煞车等状况下，相较于该轮净重时的情形。过弯的轮载重必须先得知静止时的轮载重，并依照每个轮架的簧上载重、簧下总重，或是顶举力的大小来增减。有些赛车业界会使用一些假名词，或是将顶举力和悬吊载重转移等因素统一用一个片语名词来称呼，例如“side bite”。通常会这样做的理由在于，他们可能没必要知道这么详细，或是刻意混淆对手而不让对方得知车辆的性能，因此使用一般人容易接受的拟人词汇。
非承载重量转移
[编辑]非承载重量转移是由非悬吊支撑的车辆元件重量所计算求得，这些元件包含了轮胎、轮圈、煞车、轮轴、控制臂一半的重量，以及其他的元件。这些连接于车身的元件会假设成无重量（便于计算用途），然后放在同样的动态负载。过弯时，前轮的重量转移会等于：前轮非承载总重×重力×前轮非承载重心高度÷前轮车轴宽度。此算法同样适用于后轮。
悬吊系统类型
[编辑]独立式悬吊（悬挂）系统包含了以下系统：
| 英文 | 中文 | 优点 | 缺点 |
| Swing axle | 摇轴式 | ||
| Sliding pillar | 滑动支柱式 | ||
| MacPherson strut | 麦弗逊支柱式 | 1.整体悬挂组件结构简单、重量轻，作为车头悬挂组件时，可有效减轻车头重量。 2.占用空间小，其响应速度和回弹速度敏捷，减震能力十分突出。 |
1.抗侧倾及抗制动时点头的能力较弱。 2.缺乏一定的稳定性。 |
| Chapman strut | 查普曼支柱式 | ||
| Upper and lower A-arm Suspension (Double Wishbone Suspension) | 双叉臂式 (又称为双A臂式或双鱼骨式或不等长控制臂式) | 1.响应速度和回弹速度可以控制，减震能力突出。 2.整体悬挂组件的强度和抗冲击能力出色。 使用后轮胎与轮面的接地面积大，贴地性好，路面适应性好，可减少轮胎磨损。 |
1.整体悬挂组件需要占用比较大的空间，组件重量也较重。 2.增加维修保养时的复杂度，在定位悬挂及四轮定位时，参数也较难确定。 |
| Multi-link Suspension | 多连杆式 | 1.悬挂受到压缩时可通过连杆对车轮定位主动进行精确的调整，能尽可能的使轮胎与地面保值垂直，贴地性非常出色。 2.操控性能非常出色，这种类型的悬挂能最大限度的发挥轮胎的抓地力，并可大幅度提高整车的操控极限。 |
1.结构复杂，造价相对比较昂贵。 2.占用空间大。 |
| semi-trailing arm suspension | 半拖曳臂式 | 属独立式悬吊系统，使用于后轮悬吊，比拖曳臂悬吊复杂。 | |
| swinging arm | 摇臂式 | ||
| leaf springs | 叶片弹簧式 |
非独立式悬吊（悬挂）系统包含了以下系统：
| 英文 | 中文 | 详情 |
| Satchell link | ||
| Panhard rod | ||
| Watt's linkage | 瓦特连杆机构 | 澳洲福特汽车所发明，可改善活轴或固定轴悬吊的操控性 |
| WOBLink | ||
| Mumford linkage | ||
| Live axle | 活轴悬吊 | 有传动功能的Beam axle |
| Twist beam | 扭力梁式悬吊 | 亦称Torsion beam axle，以钢梁搭配左右两支拖曳臂，路面高度起伏不大时左右轮不会互相拉扯，可算半独立式悬吊系统，中小型车后悬吊常使用，使用此悬吊系统也可明显增加车尾行李厢空间，扭力梁式悬吊可透过如福斯汽车添加内建液压避震增加舒适性或Opel汽车添加Watt's连杆增进操控性。扭力梁式悬吊虽使用拖曳臂，但并非拖曳臂悬吊，纯拖曳臂式悬吊左右两只拖曳臂中间无扭力梁连结，操控较不稳定近代汽车中已十分少见。扭力梁式悬吊也非扭力杆式悬吊，扭力杆式悬吊使用剖面为十字型之类的短钢棒连接车轮，是较为简单的设计。 |
| Beam axle | 无传动功能称Solid axle，有传动功能称Live axle，通称Beam axle | |
| leaf springs used for location | （transverse or longitudinal） |
汽车底盘采独立悬挂系统可使各个车轮轮胎独立跳动起伏，不会互相拉扯影响车辆行驶平衡，增加操控性与舒适性，只是成本较非独立悬吊（如固定轴悬吊Solid Axle）高。
装甲战车悬吊系统
[编辑]早期战车底盘为固定悬吊，震动大机动性差，后来采用农耕机叶片弹簧悬吊，但改善有限。 1930年代美国人John Walter Christie发明坦克用全轮独立悬挂系统，但与美国军方因规格问题未达成协议，苏联买去这技术专利，让苏联发展出行驶恶劣路面如履平地的BT-7与T-34坦克，越野机动能力远胜纳粹坦克，成为击败纳粹德国主力军队改写历史的发明。英国另有一种Horstmann坦克悬吊是Christie悬吊系统的变异版，但故障率较高。
另一种二战后沿袭至今的坦克悬吊系统为扭力杆（Torsion-bar）悬吊，避震行程不如Christie悬吊，但占空间比Christie悬吊系统小，可容纳大车轮与重装甲，也可装避震器（减震筒），今日重装甲坦克常用。1991年的英国挑战者2坦克则使用类似雪铁龙汽车的液压气动式悬吊系统。
根据形式，履带车辆的悬挂系统可分为：
- 平衡悬挂
- 混合悬挂
- 独立悬挂
根据弹性元件分类：
- 螺旋弹簧悬挂
- 蝶形弹簧悬挂
- 扭杆悬挂：美、苏、德、中的第三代主战坦克都采用；
- 液气悬挂：自行火炮采用，调节车体俯仰，补充火炮高低射角。
- 板簧悬挂
- 橡胶弹簧悬挂
- 空气悬挂
- 混合式悬挂：首、尾采用可调式液气悬挂以调节车体俯仰，中间采用高强度扭杆。
是否预测到地面情况分为：
- 被动悬挂
- 半主动悬挂
- 主动悬挂
参考资料
[编辑]- ^ Adams, William Bridges. English Pleasure Carriages. London: Charles Knight & Co. 1837 [2008-09-09]. （原始内容存档于2020-09-11）.
- ^ Jain, K.K.; R.B. Asthana. Automobile Engineering. London: Tata McGraw-Hill. : pp. 293–294. ISBN 007044529X.
- ^ Spring Rate vs Wheel Rate. [2008-09-17]. （原始内容存档于2021-02-11）.
