懸掛系統
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懸吊系統,亦稱為懸掛系統或懸載系統(英語:Suspension),乃是一種由彈簧、減震筒和連桿所構成的車用系統,用於連接車輛與其車輪,一台車輛的前輪與後輪懸掛設計有可能會使用不同設計。懸掛系統扮演雙重的角色,讓車輛的操控與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。這些特性通常都互相牽制,因此懸掛的調整就必須找到兩者兼顧的設定。懸掛系統同時也保護車輛本身或車上的貨物行李,避免因顛簸而磨耗或損壞。
這篇條目主要是有關四輪(或多輪)車輛的懸掛。若需要兩輪車輛懸掛的相關資料,可參閱電單車懸掛、單車懸掛。
歷史
[編輯]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,以彎曲的板狀材料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組合,當作彈簧,就像製弓一樣。
馬車
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- Live axle with Watt bar 活軸懸掛;
- Suspension like on a bike fork 類似腳踏車前叉的懸掛;
- Swing axle 搖軸式懸掛;
- Double wishbone 雙A臂(多連桿式)懸掛;
- MacPherson 麥弗遜支柱式懸掛
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粗糙不平的路面,轉彎過快時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,而不是像彈簧懸掛那樣劇烈的上下震動。(有時驛馬車本身也被稱作「thoroughbrace」。)
汽車
[編輯]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,因此它們的懸掛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汽車公司在懸掛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掛,在1932年以後的市售車輛上更為常見。[2]
重要屬性
[編輯]彈簧剛性
[編輯]彈簧剛性(或稱懸掛剛性)是懸掛伸縮時,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掛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,因為這時候懸掛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掛性能。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,懸掛的總壓縮量會降低,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
[編輯]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,彈力強度隨着偏斜增加而增加。簡單來講,這個現象可以由下列公式所述:
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、懸掛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:
其中d為線材直徑,E為彈簧的彈性系數(例如鋼鐵的系數大約為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
[編輯]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]
獨立懸掛系統下的懸架剛性就非常簡單明瞭,但對於某些非獨立懸掛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
[編輯]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%的懸掛載重轉移到車輛前方。
重量轉移
[編輯]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,或是將頂舉力和懸掛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
[編輯]非承載重量轉移是由非懸掛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。
懸掛系統類型
[編輯]獨立式懸掛(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、重量輕,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臂式或雙魚骨式或不等長控制臂式) | 1.響應速度和回彈速度可以控制,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,組件重量也較重。 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主動進行精確的調整,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 | 屬獨立式懸掛系統,使用於後輪懸掛,比拖曳臂懸掛複雜。 | |
swinging arm | 搖臂式 | ||
leaf springs | 葉片彈簧式 |
非獨立式懸掛(懸掛)系統包含了以下系統:
英文 | 中文 | 詳情 |
Satchell link | ||
Panhard rod | ||
Watt's linkage | 瓦特連桿機構 | 澳洲福特汽車所發明,可改善活軸或固定軸懸掛的操控性 |
WOBLink | ||
Mumford linkage | ||
Live axle | 活軸懸掛 | 有傳動功能的Beam axle |
Twist beam | 扭力樑式懸掛 | 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,可算半獨立式懸掛系統,中小型車後懸掛常使用,使用此懸掛系統也可明顯增加車尾行李廂空間,扭力樑式懸掛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。扭力樑式懸掛雖使用拖曳臂,但並非拖曳臂懸掛,純拖曳臂式懸掛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。扭力樑式懸掛也非扭力桿式懸掛,扭力桿式懸掛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掛(如固定軸懸掛Solid Axle)高。
裝甲戰車懸掛系統
[編輯]早期戰車底盤為固定懸掛,震動大機動性差,後來採用農耕機葉片彈簧懸掛,但改善有限。 1930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,蘇聯買去這技術專利,讓蘇聯發展出行駛惡劣路面如履平地的BT-7與T-34坦克,越野機動能力遠勝納粹坦克,成為擊敗納粹德國主力軍隊改寫歷史的發明。英國另有一種Horstmann坦克懸掛是Christie懸掛系統的變異版,但故障率較高。
另一種二戰後沿襲至今的坦克懸掛系統為扭力桿(Torsion-bar)懸掛,避震行程不如Christie懸掛,但佔空間比Christie懸掛系統小,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掛系統。
根據形式,履帶車輛的懸掛系統可分為:
- 平衡懸掛
- 混合懸掛
- 獨立懸掛
根據彈性元件分類:
- 螺旋彈簧懸掛
- 蝶形彈簧懸掛
- 扭杆懸掛:美、蘇、德、中的第三代主戰坦克都採用;
- 液氣懸掛:自走炮採用,調節車體俯仰,補充火炮高低射角。
- 板簧懸掛
- 橡膠彈簧懸掛
- 空氣懸掛
- 混合式懸掛:首、尾採用可調式液氣懸掛以調節車體俯仰,中間採用高強度扭杆。
是否預測到地面情況分為:
- 被動懸掛
- 半主動懸掛
- 主動懸掛
參考資料
[編輯]- ^ Adams, William Bridges. English Pleasure Carriages. London: Charles Knight & Co. 1837 [2008-09-09]. (原始內容存檔於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]. (原始內容存檔於2021-02-11).
外部連結
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