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避震器的目的

1-1避震器是

避震器(suspension)的語源是來自英文的Suspend(吊下)的意思。因為就像衣服的suspender一樣,從車身吊著支撐輪胎的車軸,所以才會取這個名字。

有時候也會將避震器稱做「腳」或是「腳周圍」,這是因為用人體的一部分來比喻車輛避震器的表現。人的腳是一邊支撐全身,同時還能提供行動時所需要的機能,車子的避震器也是除了支撐車子本體的重量之外,還要負責跑、轉彎、停止的三個基本運動。原本是為了讓馬車的乘坐感更佳而開發的避震器,近年來已經變成了能積極的制御各式各樣的車身的動作,並對車子的運動性能有極大影響的部位。

1-2避震器的目的

避震器是連結車身跟車軸的裝置。它的目的不光是支撐車身,還有緩和因為路面的凹凸不平所引起的振動,進而保護乘客及貨物,有時也有將車輪適度的施壓,讓驅動力或制動力有效的發揮作用。甚至,對於讓車身和輪胎作動的各種力量來正確的決定車輪的位置,並確保行車時的車輛安定性也都是避震器重要的目的。
①支撐車身重量
②吸收從路面傳來的衝擊力,保護乘客及貨物
③讓驅動、制動力能有效發揮
④決定車軸的位置,增加行車安定性

1-3避震器的構成零件

①Spring(彈簧)
主要功能是緩和衝擊
有螺旋彈簧(coil spring)、板葉彈簧(leaf spring)、扭力桿(torsion bar)、橡膠彈簧(rubber spring)、空氣彈簧(air suspension)等等的種類。乘用車幾乎都是採用螺旋彈簧。鋼板彈簧(leaf spring)和扭力桿(torsion bar)大多都用於商用車(箱型車、卡車)或是賽道用賽車,空氣彈簧(air suspension)則是用在高級乘用車上。但是最近卡車、公車也都採用了空氣彈簧(air suspension)。

 

螺旋彈簧
Coil Spring
板葉彈簧
Leaf Spring
扭力桿
Torsion Bar
橡膠彈簧
Robber Spring
空氣彈簧
Air Spring







乘坐用 廂型車
卡車
賽道賽車
    高級乘坐車
公車
卡車

 

②筒身Damper(緩衝器)
抑制彈簧的自由振動=減衰
現在幾乎所有的乘用車都採用筒型的油壓式避震器。
以內部的構造分為單筒(single tube)或是複筒(twin tube)結構。

③Link/Arm
保持彈簧和避震器筒身,共同來決定車身和輪胎的位置關係。會因為避震器的形式而有各種不同的形狀。

④Bush 襯套
用在避震器的pivot部位的一種軸承,主要是使用橡膠bush。功能是緩和震動和決定車輪的位置。

1-4 校正Alignment

校正就是
˙讓行車時的輪胎最適當的貼地
˙增加直進性、安定性
˙讓操控感回到中心
為了達到以上目的,將輪胎以3D角度配置成最適合的貼地。

① 傾角Caster
對 大王銷(kingpin) (操作方向盤時的輪胎回轉軸)的進行方向的傾斜角稱為傾角。通常是對進行方向的後方傾斜,提升直進性同時產生方向盤回歸中央的力量。一般傾角越大,直進性會越好,方向盤的回歸也會變佳。

②Camber
從正面看輪胎時,輪胎的傾斜面和垂直線所做出的角度,輪胎上方往車輛外側傾斜的稱為positive camber,往內側傾斜的稱為negative camber。有提升方向盤操作性的功能。

③Toe-in
從上方來看輪胎時的左右的排列情形,車輛前方呈現「/ ╲」形的稱為Toe-in,呈「╲ /」形的稱為Toe-out。這對直進性和方向盤操作有極大的影響。

1-5避震器的基本型式

避震器的基本型式簡單的分為2種。左右輪以單軸來連結的「rigid axle suspension」、和左右輪可以做獨立運動的「independent suspension」兩種。(rigid=嚴密堅固 ; independent=獨立的)

以下是各型式的優缺點

#固定軸式懸吊系統 Rigid axle Suspension

優點:
* 輪胎做上下運動時,由於左右輪連結在一起的關係,alignment的變化較少,對輪胎的磨損也少。
*因為構造簡單、低成本、不佔空間,也可以將車子的底盤高度調低。

缺點:
* 左右輪連接在一起的關係,彈簧下重量較重,左右輪的動作會因連動產生橫振動,進而妨礙乘坐感和操縱安定性。
*因為構造簡單,所以alignment的設計自由度較小,操縱安全性的調整度也較小。

固定軸式懸吊系統【rigid axle suspension 】
車軸式懸架裝置。兩端裝在車輪上的車軸以彈簧介裝於車身上的懸吊系統,多採用在後軸上。彈簧部份可分為平行葉片彈簧式、線圈彈簧與連桿組成的連桿式、以橫樑作為車軸的扭力桿式等,種類繁多。其優點是構造簡單,造價低簾,很少有問題,不過因為相當重,所以彈簧下壓承載重量大,固定軸橋使左右輪連動,所以在乘坐舒適性與操安性上比較不利。(by 台灣探索聯盟)

#獨立懸吊系統 Independent Suspension

優點:
*由於不像rigid一樣擁有連接的車軸,彈簧下重量較輕,輪胎的接地性佳的關係,乘坐感和操縱安全性較佳。
*alignment的設計自由度大,對提升操縱安全性較有利。
*對於用在suspension crossmember的防振方法的自由度較高,對防止噪音跟振動都較有利。

缺點:
*零件數量多,對各零件的精度要求也較高,所以成本高。
*因為alignment擁有自由度,反而對輪胎的磨損等等的面較不利。
*需要較大的空間。
*對各個特性需要細微的調整。

獨立懸吊系統
配有獨立懸吊系統的車底獨立懸吊系統(Independent suspension)是一種車輛的懸吊系統,即是將左右的車輪起伏分開,能在崎嶇道路上行駛的裝置。
概要
汽車底盤獨立懸掛系統可使左右兩邊車輪獨立跳動起伏,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)高。
應用
獨立懸吊除了使用在汽車上之外,使用在坦克車上也很有用。二十世紀初期美國人瓦特.克里斯地發明四輪獨立懸吊系統後不久,其技術專利就被蘇聯買下,讓蘇聯發展出行駛惡劣路面如履平地的T34坦克。(by維基百科)

1-6 固定軸式避震器的變化 Rigid Axle Suspension的變化

① 平行葉片彈簧懸吊系統Parallel Leaf Type Suspension

2支平行的板葉彈簧來支撐車軸的構造。板葉彈簧本身擁有懸吊彈簧和決定車軸位置的功能。因為構造簡單,能夠降低成本。另外,由於板葉彈簧本身相當堅固,在強度面上相當值得信賴,在空間面上也較容易降低車高。相反的,板葉彈簧本身較重,接地性不佳,構造上造型的自由度較小,所以操縱安全性不佳。還有,板葉彈簧無法減低對決定車軸位置的強度面等等的彈簧定數,所以乘坐感較差。
基於以上的理由,現在使用的只有商用車(箱型車、卡車)或是一部分的賽道賽車,乘用車幾乎都不使用。

平行葉片彈簧懸吊系統【parallel leaf spring type suspension 】
縱置板狀彈簧式懸架系統。是固定軸式懸 吊系統中最常見的一種型式,多使用在商用車的後輪上。葉片彈簧呈前後方向裝在車軸兩側,裝設減震筒的構造,因為彈簧直接支撐車軸,所以在起步、煞車時表現 較差,而且在過彎時因為橫力造成對位變化,容易形成軸轉向,乘坐舒適性與操安性都比較差,轎車幾乎都不採用這種懸吊方式。(by 台灣探索聯盟)

②Link Type Rigid Axle Suspension

用Link來決定車軸和車體的位置,彈簧和緩衝器只能承受緩衝作用,沒有決定位置的機能。Link Type Rigid Axle Suspension有各種不同的種類,配置在縱衡的數支Link來承受前後力、橫力、驅動/制動時的扭力。和leaf式比起來較輕,接地性較佳,並因有layout的設計自由度,使得操縱安全性也會變的更好。但是零件數多,成本較高。最近已經不太常見,但是常用在以前的4WD車、FR車的後方。(例:AE86的後方)

③Torsion Beam Type Axle Suspension

Rigid Suspension中,主要是適用於中型、小型的FF車的後避震器,現在也有多數的車子採用。構造是連接左右車軸的beam和兩端的trailing arm做剛体結合,只靠這個arm來決定前後方向的位置。橫方向是由panhard rod來決定設定位置,在arm兩端附近配置緩衝器跟彈簧。這個避震器的特徵是,設計成讓各beam本身能產生扭曲。另外也會因為beam的配置位置來做各種變化。
這個方式的的優點是購造簡單且低成本,可以依彈簧和緩衝器的配置來降低車底盤。但是arm所支撐的部位只有前方2點,這個部分的橡膠bush需要硬度,所以很難調降噪音。(因為beam本身也會因外力變形,所以嚴格來說也可以不屬於Rigid) (例:VITZ、FIT、ESTIMA的後方)

1-7 獨立式避震器的變化 Independent Suspension的變化

①擺動軸式懸吊系統trailing Arm Type Suspension

後輪專用的避震器,車軸前方的車體側的pivot和車軸用arm來結合的型式。車體側pivot的回轉軸對車體中心線為直角的是full trailing arm type,對車體中心線為斜角的稱為semi-trailing arm type。前者的優點是沒有對本體的camber變化或toe變化,也不會對緩衝器產生扭曲應力,所以摩擦小且乘坐感佳,還有需要空間小等等。缺點是roll時,對地camber(對地面的輪胎傾斜度)變化較大,對橫向力的硬度低等原因使操縱安全性不佳。後者的優點是,arm的回轉軸會因為做3D調整而使geometry變化在某種程度上可以自由設定。缺點是輪胎會產生橫向力或制動力時,會從arm的安裝點周圍產生moment,因compliance變成Toe-out,進而讓車子變成oversteer的狀態,使車子的動作不安定。

前者在日本車中並不常見,但是後者自從60年代初期的BMW採用以來,在世界上被廣泛的使用,幾乎被所有的獨立懸吊式FR車的後避震器採用,但是現在,不僅對避震器有更高度的要求,及FR車的減少,數量也就慢慢減少了。
(例:R31 Skyline的後方)

②Strut Unit With Suspension

用緩衝器作為決定輪胎位置的支柱(strut)形式的避震器。上方是藉由橡膠製的インシュレーター來固定本體,下方是跟spindle或axle housing做了剛体結合。Spindle是本體側藉著橡膠bush 2點所結合的anti-roll bar的先端藉由ball joint來安裝。
strut式,是緩衝器本體來進行arm的功能,所以能讓車室的空間變大。還有構造簡單零件少的關係,成本較低。但是strut軸和荷重入力軸(連接輪胎接地點和upper mount點的軸)是錯開的關係,會讓strut產生bending moment。這個moment會讓緩衝器摺動部產生擴大,摩擦增加,沒有辦法圓滑順利的動作,所以會導致乘坐感的惡化。現在的改善方法是將彈簧和strut軸分開安裝,排除bending moment,或是內部的軸承採用低摩擦材質等等。
由於strut式的車體零件少、投資報酬率佳,所以現在一半以上的乘用車都採用strut式,今後應該還會延續這股潮流。
(例:Silvia、Impreza、Rear.Vitz的前方)

③雙A臂式懸吊系統Double Wishbone Type Suspension

Wishbone的意思是鳥的胸骨,因為使用上下2個類似形狀的「A」型臂,所以這個名字就由此而來。但是現在使用各式各樣的arm或link,和名字遠離的也多數存在,所以基本來說就是上下2支的橫arm來支撐車軸的避震器型式。比起strut的歷史更久,是前方獨立懸吊的基本。

Double Wishbone Type的優點是,會因為arm的配置而可以比較自由的設定camber變化、roll center高度等等的所希望的geometry值。還有不會像strut一樣產生bending moment,所以摩擦較小,乘坐感較佳。缺點是零件數量太多,也比較要求對決定位置的精度,所以在成本或是重量上都較為不利。
(例:Supra、FD、Odyssey的前方和後方)

雙A臂懸吊系統(double-wishbone suspension)昰一種使用兩兩平行上短下長的三角形控制臂(上下等長會造成輪胎上下擺動時過度左右移動,而引起嚴重損耗)的獨立式懸吊設計,普遍用於性能車跟豪華車上。每枝A臂(A-arm)有兩個可動關節連接於底盤上,還有一個連接在轉向座(knuckle,台灣俗稱為「羊角」)上,並裝置了避震器和彈簧來控制垂直方向的運動。雙A臂設計讓工程師得以仔細的控制輪胎在車輛運轉時的運動狀態,可控制的參數包括外傾角(camber angle)、後傾角(caster angle)、擦刮半徑(scrub radius)、束角(toe angle)及滾動中心(roll center)的高度等等。此外,A臂也常被用於其他的懸吊系統如麥弗遜懸吊(MacPherson strut)懸吊系統等等。(by 維基百科)

④多連桿式懸吊系統 Multi-link Suspension

近年來,對高度的乘坐感、操縱安全性的要求,以將geometry變化和compliance的最適當化為目的,因而產生出多連桿式。但是和上述的雙A臂式懸吊系統並沒有明顯的差異,就以各廠牌的自行判斷來決定名稱。

一般的多連桿式是數支axle(4-5支)的arm(link)來決定位置,arm是藉由bush來固定本體。Link的數量.配置是因車種而各有不同,但是鎖定的目標是相同的,如下記

1.去除對地camber
2.去除roll steer(抑制stroke時的toe變化)
3.消除輪距變化
4.消除jack up現象
5.確保anti-dive、anti-squat
6. 由compliance來做under steer(往輪胎發生外力時,讓車輪往under steer方向變動)
7.確保前後方向的compliance(減少行車時的噪音、harshness)

這個形式的缺點和雙A臂式懸吊系統一樣,構造複雜、各零件都需要精度的關係,所以會增加成本或增加重量。但是可以做到上述其他的避震器所沒有辦法達成的高度性能,可說是現在最先進的避震器。
(例: Silvia、Lancer的後方、Z33的前方和後方)

 

1-8 避震器調整Suspension Tuning

一般來說,就算使用上述的高度避震器,「乘坐感」和「操縱安全性」屬於不可兼得的性能。普通的避震器大概都是選擇偏向哪一方來決定車子的特性,為能讓大部分都能滿意,會以相互的妥協點來進行設定。
(廠商方面,因成本考量的因素,會更為複雜)

但是,發生標準設定沒有辦法滿足的使用者要求(想降低車高、出力增強後的底盤強化、想在賽車場跑等等)時,必須破壞這個妥協點,配合使用者找出適合的平衡點,但是重新設定需要高度的技術。例如:就算拆掉一個low down,彈簧係數和緩衝器減衰力的關係、前後平衡因為降低車高所產生的geometry變化、降低roll center高度所產生的roll硬度低下等等.....
說到suspension tuning,大多都只會想到緩衝器與彈簧而已,但是基本上車輛移動上依存chassis和避震器型式的部分相當多。(有光靠緩衝器與彈簧是沒有突破的領域)確實緩衝器與彈簧是能簡單的改變車輛動作的重要零件,但是以錯綜複雜的多種要素來觀察車輛整體,適當正確的調整是非常重要的。

 


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