乘坐舒適性的關鍵─懸吊系統

因為車身下方的空間使汽車看起來好像是懸浮在半空中,要如何將看似懸浮在半空中的車身與接觸地面的車輪結合呢?這個結合的裝置就是懸吊系統。

懸吊系統除了要支撐車身的重量之外,還負有降低行駛時的震動,以及車輛行駛的操控性能等重責大任。

懸吊系統是如何神奇的發揮功能去降低行駛時的震動,以及車輛行駛的操控性能呢?原來就是在懸吊系統中包含了避震器、彈簧、防傾桿、連桿等機件。

在車輪與車體之間,便是所謂的懸吊系統,擔負起承載車體並吸收震動的工作,提供最佳的乘坐舒適性。圖中為Toyota最新車型Wish的懸吊系統,採前方獨立麥佛遜結構、後方ETA Beam結構,提供最大的車室空間。

一、彈簧:

用來緩衝震動的裝置。利用彈簧的變型來吸收能量。常見的彈簧型式為「圈形彈簧」,其他被使用在汽車上的彈簧還有「板片彈簧」和「扭力桿彈簧」二種。

二、避震器:

用來緩衝震動,並且吸收能量的裝置。避震器內部藉由液體或氣體產生壓力來推動閥體,以吸收震動的能量,並且減緩震動的作用。採用氣壓方式的避震器,其價格一般都比採用油壓方式者高。少部份高價位的避震器會採取液、氣壓共用的設計。

三、防傾桿:

將類似ㄇ字形的桿件的二端分別連結在左、右懸吊裝置上面,當左、右側的輪子分別上下移動時,會產生扭力並使桿件自體產生扭轉,利用桿件受力所產生的反作用力去使車子的左、右二邊維持相近的高度。

因此「防傾桿」亦稱為「扭力桿」、「防傾扭力桿」、「平衡桿」、「扭力平衡桿」、「平穩桿」等等名稱。

四、連桿:

用來連結車輪與車身的桿子。連桿的形狀可以是一支外形簡單的圓桿,也可能是以鋼板製成的一個結構體。

在了解懸吊系統的基本元素之後,你也可以和汽車工程師一樣的設計組合出一套懸吊系統。我們將在後續的單元中為各位說明各種懸吊系統的功能與特性。

撫平一切跳動─彈簧
汽車在行駛當中會因為路面的不平整而產生震動或是傾斜;汽車在轉向時因離心力的作用而使車身發生程度不一的傾斜;為使汽車在行駛當中能夠獲得適當的操控性與舒適性,則必須裝設的避震裝置,各種彈簧也因此被應用做為懸吊系統中的避震裝置,利用彈簧的變型以吸收能量,來緩和汽車在行駛時產生的震動和傾斜。由此可見彈簧在汽車中擔負著多麼重要的角色。

在汽車的懸吊系統中所使用的彈簧,有以下4種類型:片狀彈簧、圈狀彈簧、空氣彈簧、扭桿彈簧。

片狀彈簧:

片狀彈簧大多使用在非獨立式懸吊系統上面;片狀彈簧在懸吊系統中除了擔任彈簧的角色之外,由於彈簧的剛性使之成為懸吊系統的構件之一,片狀彈簧是以多片長條形的彈簧鋼板組合而成;主片彈簧的長度最長,且在二端有裝設彈簧眼,為增大彈力而在主片的下方有補助片彈簧,補助片彈簧的長度則是逐片減短,並以彈簧夾將各彈簧片固定以防止滑動。


片狀彈簧在受力後會做彎曲變形,藉以吸收外界的衝擊力道。而因為各鋼板之間的摩擦力作用,讓片狀彈簧能在很小的形變量之下,吸收極大的力量,因而使得其適合高負重的使用,但在乘坐的舒適性上便顯得太硬而不符合現代汽車使用的需求。因此目前片狀彈簧大多使用在大型貨車上面。

圈狀彈簧:

圈狀彈簧是以特殊鋼材捲成螺旋狀而成,外形一般均為圓柱形式。而為了在不同狀況之下提供不同的表現,市面上亦可看到組合不同線徑、不同圈徑、不同圈距的圈狀彈簧。

在兩端受力之時,圈狀彈簧的鋼線受到剪應力變形而產生彈力,以抵消兩端之外力。一般而言,圈狀彈簧受夠吸收等質量鋼材2倍以上的能量。與片狀彈簧相比,圈狀彈簧在伸縮時沒有摩擦阻力,同時有較大的變形量,可以降低運作的噪音以及提高乘坐的舒適性,因此廣泛地使用在現代汽車產品之中。不論是獨立懸吊系統或是非獨立懸吊系統,都可以看到圈狀彈簧應用的實例。由於圈狀彈簧水平方向的剛性不足,使用在非獨立式懸吊系統時必須加設連桿,以補強結構在水平方向的強度。

空氣彈簧:


空氣彈簧是將空氣封入可變形的容器中,利用空氣的可壓縮性來獲得彈簧的作用。與金屬彈簧相比較,空氣彈簧的彈性好,而且能夠隨著載重量的變化而調整空氣壓力,使汽車在行駛時獲得優良的乘坐安定性。空氣彈簧能夠良好隔離高週率的震動,增加乘坐的舒適感並降低噪音,以及增加機件的壽命。空氣彈簧沒有水平方向的剛性,使用在非獨立式懸吊系統時必須加設連桿,使用在獨立式懸吊系統時則放在圈狀彈簧的位置。由於空氣彈簧的製作成本高,因此目前僅裝置在高級豪華房車,以及大型客車和鐵路車輛上面。藉由電子控制的方式,可以使懸吊在處理不平路面引起的震振動時顯得平順自然,以及提供避震裝置做多種阻尼的設定,以實現性能優異的車輛在劇烈操控時也能保有乘坐的舒適性;例如Lexus LS430、Mercedes-Benz S-Class等高級車型就都是採用空氣彈簧做為避震裝置的懸吊系統。

扭桿彈簧:

扭桿彈簧是一種形式很簡單的彈簧,它是利用桿的扭轉彈性來承受力量。將彈簧鋼製圓桿的一端固定,而另外一端受力量產生的扭轉。把扭桿彈簧的一端固定在車體上,另一端利用力臂連接車輪,汽車在行駛時產生的震動就以桿的扭轉彈性來吸收。因扭桿彈簧全部受剪應力,使相同重量的圈狀彈簧可以吸收等重量鋼板2倍以上的能量。扭桿彈簧在汽車上的使用方式分為縱向裝置與橫向裝置二種,其中以橫向裝置的使用為多數。縱向裝置的方式是以扭桿來替代較佔空間的片狀彈簧和圈狀彈簧,例如在Toyota Hiace、Zace、Surf車型的前懸吊,就是以扭桿彈簧搭配雙A臂式懸吊系統。橫向裝置的扭桿除了少數車型是用來替代圈狀彈簧之外,其他橫向裝置的扭桿都是用做平衡左右車輪的受力,做為防傾平衡桿之用。
抓住彈簧的跳動—避震器
避震器的功用

從避震器這個名稱看來,好像車輛的震動主要是由避震器來吸收,其實不然。車輛在行經不平路面之震動所產生的能量主要是由彈簧來吸收,彈簧在吸收震動後還會產生反彈的震盪,這時候就利用避震器來減緩彈簧引起的震盪。

當避震器失效時,車子在行經不平路面就會因為避震器無法吸收彈簧彈跳的能量,而使車身有餘波盪漾的彈跳,影響行車穩定性及舒適性。簡單的說,避震器最主要是要抑制彈簧的跳動,迅速弭平車身彈跳。


由上圖可清處看出避震器對於抑制彈簧談跳的效果。

阻尼


避震器的內部就是使用高黏滯係數的流體以及小尺寸的孔徑,來進行阻尼的設定。
「阻尼」這個詞我們可能很常聽到,但是究竟何謂阻尼呢?簡單的說,阻尼是作用於運動物體的一種阻力,而且阻力通常與運動速度成正比。就拿一般人常見的門弓器來說,當你輕輕開門時,門弓器內的油壓缸所產生的阻力很小,很輕鬆就能把門推開;但是當你用力推門時,反而會因阻力較大而不好推。同樣原理應用於汽車避震器,當彈簧受到較大的伸張或壓縮力時,避震器會因阻尼效應而給予較大的抑制力。

避震器之所以會產生阻尼效應,是因避震器受力而壓縮或拉伸時,內部的活塞在移動時會對液壓油或高壓氣體加壓使之通過小孔徑的閥門,當液壓油或高壓氣體通過閥門時會產生阻力,此一阻力就產生阻尼;而閥門的孔徑大小和液壓油的黏度都會改變阻尼的大小。一般阻尼較大的避震器就是所謂較硬的避震器,阻尼越大則避震器越不容易被壓縮或拉伸,所以車身的晃動也會越小,並增加行經不平路面時輪胎的循跡性,然而卻會降低行駛時的舒適性。

可調式避震器

可調式避震器可分為阻尼大小可調式避震器和彈簧位置高低可調式避震器,以及阻尼大小和彈簧位置高低都可調整的避震器。

阻尼大小可調式:
在避震器的內部使用可以調整孔徑大小的閥門,在將閥門的孔徑變小之後,避震器的阻尼也會跟著變硬。調整避震器的阻尼大小的方式可分為有段與無段的方式。以電子控制方式改變阻尼大小的避震器,則是採取有段調整的方式。

彈簧位置高低可調式:
在避震器的筒身有螺牙並套上特製的螺帽與彈簧拖架,藉著螺帽的移動來調整彈簧拖架的高低位置。把彈簧拖架向下調整會讓彈簧往下移動,可以在不影響避震效果下,降低車身的高度。

側傾抑制者—防傾桿

 

 

Anti-Roll Bar通常翻譯成防傾桿。防傾桿是利用扭力桿彈簧的作用,來達成減少車身傾斜的目的,所以又以扭力桿、平衡桿、平穩桿等名詞做稱呼。防傾桿是一支附在懸吊系統上的桿子;對很多人而言它只是一支不甚起眼的鐵桿而已。現在就將帶您一探「防傾桿」這個位在底盤下方不起眼的裝置的奧秘。

防傾桿的作用

防傾桿的二端透過連桿固定在懸吊系統的下支臂或是避震器上面;在距離桿子的左、右二端約1/3長度的位置會有一個與車身連結的接點。當車子在過彎時因離心力的作用使車身發生滾轉,其情況就是使車身往彎外側傾斜。這個滾轉的動作就如同轉動烤肉架上的肉串。滾轉的幅度大約在7~9度之間;若旋轉的角度太大時就會發生翻車。過彎時因防傾桿的做用而降低車身側傾的程度,並改善輪胎的貼地性。側傾程度減少會使外側車輪的承受的荷重減少;且降低內側車輪荷重減少的量。

圖中橫貫兩前輪懸吊之彎曲的圓管即為防傾桿,該圖中僅有前輪懸吊系統具備防傾桿。


防傾桿的桿身發生扭轉時會產生反彈的力量,這個力量就稱為反力矩;防傾桿是利用反力矩來抑制車身的側傾。當左、右輪上下同步動作時,防傾桿就不會發生作用。在左右輪因路面起伏造成不同步跳動,或是在轉向時車身發生傾斜,使防傾桿發生扭轉時才會產生作用。防傾桿只有在作用時才會使行路性變硬,不像換用較硬的彈簧會使行路性全面的變硬。如果以彈簧來減少車身的側傾,則需要換用非常硬的彈簧,以及使用阻尼係數很高的避震器。這樣一來就會造成舒適性與循跡性不良。如果使用適當扭矩的防傾桿則可以在不犧牲舒適性和循跡性的情形下,減少車身在過彎時的傾斜程度。

防傾桿的特性

防傾桿與彈簧二者力量的總合稱為防傾阻力。側傾時車頭和車尾的防傾阻力會同時發生,由於車身前後的配重比例以及重心位移的關係,使得前、後軸的防傾阻力會各不相同,這樣便會影響車子的操控性能。如果後輪的防傾阻力過大,則使車子有轉向過度的傾向。如果前輪的防傾阻力過大,則使車子有轉向不足的傾向。防傾桿可用來控制車身的滾動之外,還可以利用防傾桿來控制前、後軸的防傾阻力藉以改變車子的操控性能。

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