懸吊系統
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吊設計有可能會使用不同設計。懸吊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，因此懸吊的調整就必須找到兩者兼顧的設定。懸吊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）車輛的懸吊。若需要兩輪車輛懸吊的相關資料，可參閱機車懸吊、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。
網站閱讀 编辑
馬車 编辑
- Live axle with Watt bar 活軸懸吊；
- Suspension like on a bike fork 類似腳踏車前叉的懸吊；
- Swing axle 搖軸式懸吊；
- Double wishbone 雙A臂（多連桿式）懸吊；
- 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：
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：
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、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：
| 英文 | 中文 | 详情 |
| 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。 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与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坦克懸吊是Christie懸吊系統的變異版，但故障率較高。
另一種二戰后沿袭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。
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
參考資料 编辑
- ^ Adams, William Bridges. English Pleasure Carriages. London: Charles Knight & Co. 1837 [2008-09-09]. （原始内容于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]. （原始内容于2021-02-11）.
外部連結 编辑
| 维基共享资源中相关的多媒体资源：懸吊系統 |