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车辆悬吊系统之回顾与分析
 
更新时间:2010.12.21 浏览次数:
 
   本研究将所搜集之相关车辆悬吊系统之文献,先区分为电子式与机械式两大类,而其中机械式又可分为整体式悬吊系统及独立式悬吊系统。

   电子式

   此型悬吊系统(刘崇富,民86 年)可采用电子式行驶平顺性控制或可变阻尼悬吊,其四轮之避震器均以电子方式调整软、硬程度,当驾驶者按下控制避震器软或硬的开关时,电子控制组件会发出信号至每一避震器上方的电子线圈或小电动马达,马达会稍微转动并打开或关闭活塞上不同尺寸的流口,以改变避震器内液体流动的阻力;亦可於车轮前方设置声纳感测器,其原理为感测器发出一段段的声波脉冲,不断地侦测车轮前方的路况,当声波触及路面再反射回来所经之时间被读入电子控制组件,即可指出车身高度及路面之不规则性,电子控制组件随即调整避震器,即可得到最好的行驶平顺性及操控性;或者以空气弹簧取代螺旋弹簧,此空气弹簧悬吊系统可控制弹簧之刚性,并提供车身高度及水平之自动控制。此外,另有一种电子式主动悬吊系统,该系统舍弃了一般悬吊系统之弹簧及避震器改以液压致动器替代之,其原理是以受压液体之液压能转换为悬吊系统之机械动作能量,当车轮上下振动或车辆在转弯时液压致动器内之感测器会感测到液体压力之变化,并将此压力变化讯号传送至电脑,电脑於接收这些讯号并做适当之处理後,会输出一控制讯号至一适当的伺服阀,将高压之液压油经由致动器内的电脑控制阀门送出或送入,而使车轮上升或下降,以使轮胎与地面保持相同的接触力,并维持车身的水平及良好的操控性,上述所有动作几乎於瞬间发生,因此驾驶者不易察觉。

   机械式

   此型悬吊系统为绝大多数车辆所采用,此类型悬吊系统於车辆行经不平整之路面时,车轮受震汤,而造成悬吊系统以被动方式作动,并导致弹簧的压缩或伸长及悬吊机构之作动。机械式悬吊系统依其悬吊方式可分为下列二大类:(1)整体式悬吊系统,如图1 所示。(2)独立式悬吊系统,如图2 所示。
   

 一、整体式车辆悬吊系统

   此型悬吊系统(中国国家标准(CNS),汽车悬吊装置名词)之基本构造系以一支刚性车轴连接左右二轮,其特色为载重量大、构造简单、成本低廉、维修方便且占用空间较小,但因车身较高,易受地面倾斜影响,对於高速之稳定性较差,且车轴连接左右二轮,其运动为连动方式,易发生横向振动,以致於乘坐舒适性较差,故现今仅使用於重型车辆及少数小客车上。整体式悬吊系统可进一步区分为下列七种类型:

   1、板片弹簧式

   (i)纵向安装板片弹簧式

   此型悬吊系统(赖耿阳,民80 年)系由一组薄片,一层层的叠置而成,使弹簧於弯曲时不易断裂,其设置於车身之纵向,并以U 型螺栓结合至车轴。最长板片的前端卷曲成弹簧销孔,此销孔藉螺栓与吊耳互相连接,吊耳之作用为吸收因震汤所导致板片弹簧挠曲的长度变化,而螺栓与吊耳间置以橡胶衬套,用以吸收震动,而不致於影响车身与吊耳;其後端也制成弹簧销孔,此销孔藉由?环与车身互相连接。此型悬吊系统依结合车轴之位置不同,可分为轮轴上方悬吊式(over slung type)与轮轴下方悬吊式(under slung type),一般小客车为减小底盘与车轴之高度差,常采用轮轴上方悬吊式。此型悬吊系统之特色为构造简单及成本较低,但板片弹簧本身的重量较重、触地性差,较不利於操控性及舒适性,如图3 所示。

   (ii)横向安装板片弹簧式

   此型悬吊系统(Lahu, 1996)与纵向安装板片弹簧式之原理大同小异,其不同之处在於此型之板片弹簧与车轴呈平行设置,因此只需一付弹簧,然而,其缺点为水平方向的刚性较差,需加设悬吊臂以保持车轴之位置,如图4 所示。

   

   

   2、连杆式

   此型悬吊系统(Brandt, 1995)之标准型为四连杆型。连杆式悬吊系统系以四支连杆连接刚性车轴与车身,使车身定位,其上连杆呈八字形,而下连杆呈平行设置。各连杆需承受驱动力、制动力、纵向力及横向力。驱动力及制动力所造成之扭力及纵向力由上、下连杆共同承受;而横向力则由上连杆独自承受。避震器及弹簧仅具缓冲效果并无定位机能,如图5 所示。

   3、扭矩管驱动式

   此型悬吊系统(黄靖雄,民69 年)系将後差速箱总成以管向前方延伸,传动轴则装置於扭矩管中;并藉一球型接头安装於变速箱後端,而刚性车轴贯穿後差速箱以连接二车轮。螺旋弹簧与避震器设置於刚性车轴上,横向杆则置於车轴与车身横向,以抵抗车身之横向反力,加强横向定位,再配合拖曳臂加强纵向定位,如图6 所示。

   

   

  4、双轴式

   此型悬吊系统(Laidely, 1989)可视为纵向安装板片弹簧式的改良,将板片弹簧以串联的方式相接,采用二支车轴以减轻路面之压力及增加牵引力之悬吊方式,另设置平衡器以使二车轴之负载比率趋於一定值,如图7 所示。

   5、德迪翁式

   此型悬吊系统(赖耿阳,民87 年)早在二十世纪之前即已开发成功。此型悬吊系统系将後差速箱总成装置於横梁或车体上,由连结左右车轮之固定车轴悬吊之,如图8 所示。

   

   

   6、扭力梁车轴式

   此型悬吊系统(Shimatani, 1999)系以一支扭力梁来连接左右车轮,该梁之二端设置拖曳臂与扭力梁成刚性配合,拖曳臂具有足够的刚性可抵抗纵向力,达成纵向定位;而扭力梁则用以调整车辆晃动之刚性;并利用横向杆以抵抗横向力与横向位移;并於扭力梁二端设置弹簧与避震器,以加强车辆乘坐之舒适性,但由於该型仅具拖曳臂前方二接点与车身结合,因此结合处的橡胶衬套之刚性格外重要,而其衬套常因受横向力作用而产生挠曲现象,因而导致悬吊系统失去平衡,如图9 所示。

   7、多连杆梁式

   此型悬吊系统(Kato, 1995)系以数支连杆组合而成之新型悬吊系统。其主要特色为采用由控制杆、扭力梁与横向杆所组成之史考特-罗素机构(Scott-Russel mechanism)为主要架构,其中,扭力梁为地杆;控制杆一端连接於扭力梁,另一端则连接於横向杆之中央;而横向杆一端连接於车身,另一端呈滑块运动连接於扭力梁处。当车轮上下运动时,其仅呈垂直运动,而车轴不发生横向偏移,同时也消除传统整体式悬吊系统之刚性车轴受横向力所造成顶起力及下压力的问题,如图10 所示。

   

   

   二、 独立式车辆悬吊系统

   此型悬吊系统(中国国家标准(CNS),汽车悬吊装置名词)之左右车轮能各自独立作动,因此任一车轮上下跳动时,不致影响另一车轮,车身亦不致倾斜,且弹簧以下之非承载重量较轻,车轮的触地性良好,具有较佳的乘坐舒适性及操控安定性。其缺点则为零件数增多、成本较高及构造较复杂,且常需较大的设置空间,故现今多用於重视乘坐舒适性之小客车。

   1、双叉骨式

   此型悬吊系统(Knowles, 1995)之特色在於具有上下控制臂,因控制臂呈Λ型故取其名,如图11 所示,控制臂的枢点位於车体或车架上,另一端以球型接头枢接於转向关节,而螺旋弹簧常置於上下控制臂之间,并与避震器组合使用;同时为减少车身滚动,而采用防倾杆以求车身安定。当车辆行驶遇路面不平时,控制臂之作动使车轮以接近垂直於地面的方向上下运动,故其乘坐舒适性良好,操控性亦相对提高。一种采取焊接方式将第一臂与第二臂(皆为轻薄金属板构件)相结合构成之下控制臂设计,可达到轻量化之目的,且整体构件之刚性并无受损,已发表於(Mukai, 1986)。一种可控制前展、零前展及前束之悬吊系统设计已发表於(Shibahata, 1988)。一种设置中间构件以置放弹簧之设计使弹簧连接於车架及上横导杆之间,以增加弹簧之最佳性能,已发表於(Schaible, 1989)中。为保持车辆受纵向力及横向力时前束之稳定性,而以前、後低杆取代下控制臂,且拖曳臂改以纵向设计,可增进乘坐之舒适性及操控之安全性(Lee,1994)。为修正外倾角曲线、改善胎面磨损以及增进转向性能,因而将大王销之上接点改为较上控制臂之接车身点为高之新设计已发表於( Butler,1999)。一种上控制臂短、下控制臂长之悬吊系统,可减少轮胎磨耗、增进操控性及舒适性,并减少外倾角变化量之设计,已发表於(Kuhn, 1998)。综上所述,此型悬吊系统已使用於较讲求舒适性的小客车,且已发展出数种改良型的双叉骨式悬吊系统,但皆符合此型悬吊系统之基本构型。

   (i)上下不等臂式

   此型之下控制臂较上控制臂为长,如图12 所示。当车轮上下跳动造成控制臂作动时,仅产生极少量之侧滑,使轮距几乎保持不变,但却无法抑制车轮之偏转现象。

   

   

   (ii)平行连杆式

   此型之上下控制臂互相平行且长度相等,如图13 所示。当车轮上下跳动时,外倾角不会改变,因此车轮不会产生偏转现象,但是却会产生明显的侧滑现象,造成左右轮距改变,轮胎易於磨损。

   2、麦花臣式

   此型为现今悬吊系统的主流(Muhr, 1994),以支柱取代上控制臂,故可增大车内空间,如图14 所示。支柱总成上端以橡胶绝缘体固定於车身,下端与转向关节相连接,并设置张力杆以加强横向定位。一种可使用於支柱上的伸缩套筒型避震器已发表於(Pflughaupt, 1981)。此外,针对悬吊臂进行改良,以使悬吊臂之内部应力均一,可增强悬吊臂之耐久性(Takeuchi, 1994)。与其他独立悬吊系统相较,此型具有构造简单、成本低廉、性能良好以及占用较少空间之优点,其缺点则为支柱轴、轮胎触地点及支柱上安装点三者不共线,导致支柱上产生弯矩,故需使支柱轴与螺旋弹簧偏置或在支柱内使用低摩擦衬套,以克服弯矩所造成之负面影响。

   

   

   3、摆动轴式

   此型悬吊系统(Lahu, 1996)系藉驱动轴及控制臂以悬吊车轮,该驱动轴自差速器延伸至左右车轮,其功能除了传输扭矩之外,亦需支撑车重,并抵抗制动时的反作用力,故轮轴需有足够强度。另於车轴上设置避震器及螺旋弹簧,以增加乘坐舒适性。当车轮上下振动时,摆动轴以万向接头为中心作圆弧形摆动,易产生侧向滑动,加速轮胎磨损。又因其外倾角的变化,以致於造成转向不足或转向过度的问题,不利於车辆之操控性。为改善此一缺点,可适度增长驱动轴之长度或降低万向接头之位置,如图15 所示。而另一种控制臂之枢轴与驱动轴内侧接头在同一线上者属斜摆动轴式,如图16所示。 

   

   

   4、拖曳臂式

   (i)全拖曳臂式

   此型悬吊系统(Lahu, 1996)之特色在於拖曳臂之枢轴与轮轴相互平行,而该拖曳臂藉枢轴与车身相连接,如图17 所示。当车轮上下振动时,经由拖曳臂将振动之能量传递至弹簧,并由弹簧吸收之,以避免影响车轮之纵向及横向定位。此型悬吊系统之优点为占用空间较少,可使车内空间加大,适用於小型车辆。

   (ii)半拖曳臂式

   此型悬吊系统(赖耿阳,民87 年)之特色在於拖曳臂之枢轴不与轮轴平行,而是呈倾斜设置,主要应用於後轮驱动或四轮驱动之小客车,如图18所示。该拖曳臂连接於悬吊横梁,而该横梁系透过橡胶绝缘体安置於车身。另采用防倾杆以减少车身倾斜及轮胎跳动。该悬吊横梁与拖曳臂间之旋转轴线倾斜角度称之为後退角,若後退角愈小,则愈接近全拖曳臂式之特性;反之,後退角愈大,则愈接近摆动轴式之特性。 

   

   

    (iii)双拖曳臂式

   此型悬吊系统(Lahu, 1996)系以二支呈上下平行之拖曳臂加强车轮之纵向及横向定位,其余构型与全拖曳臂式悬吊系统完全一致,现今多应用於高承载之车辆,如图19 所示。

   5、後导引臂式

   此型悬吊系统(中国国家标准(CNS),汽车悬吊装置名词)为拖曳臂式之改良型,其枢轴设於轮轴後方且与轮轴相互平行,而该导引臂也可上下摆动传递振动能量於弹簧及避震器,如图20 所示。此型悬吊系统需装置防倾杆,以加强车身稳定。

   

   

    6、摇臂式

   此型悬吊系统(中国国家标准(CNS),汽车悬吊装置名词),如图21 所示,系采用摇臂机构以限制车轮之振动范围,并以螺旋弹簧缓和车轮之震汤。该摇臂机构因承受极大之应力,所以需有较高之强度。此型悬吊系统之优点在於占用空间较小。该摇臂机构结合空气弹簧及板片弹簧之应用已发表於(Raidel, 1988)。

   7、液体减压式

   此型悬吊系统(Palitto, 1982)系於大王销(kingpin)上安装液体弹簧。车辆之转向扭力可经由大王销传递至弹簧及避震器,使车身保持平衡,如图22 所示。

   

   

   8、多连杆式

   此型悬吊系统(Reimpell; Stoll, 1996)具有较大的几何变化与设计自由度,其系以数支连杆达成车轮之纵向与横向定位,与双叉骨式悬吊系统相似,可视为双叉骨式的改良型,如图23 所示。与其他型式之悬吊系统相比较,多连杆式悬吊系统可减少车轮外倾角及车辆滚动中心(roll center)高度的变化,有助於稳定方向与控制转向,可提升车辆的直进性、减少胎面磨损与车辆转向之顶起现象,属於一种较先进之悬吊系统,然而其零件较为复杂且更精密,以致於整个悬吊系统之重量、体积及成本均会增加。

   (i)双横梁式

   此型悬吊系统(Knowles, 1995)之特色在於具有二支横梁(I-beam),分别用以支撑左右前轮,任一横梁之一端经由具橡胶成分之枢轴连接於车架,另一端则连接於轮轴,如图24 所示,而螺旋弹簧置於横梁活动端与车架之间,另以半径臂纵向连接车架与横梁活动端,以防止车轮之纵向移动。当车轮上下振动时,横梁之活动端上下移动因而压缩或伸展弹簧。由於此型悬吊系统可承载较大之重量,故多半用於小卡车。

   

   

   9、六连杆式

   (i)史帝芬森一型

   此型悬吊系统(Shinji, 1994)之基本构造主要系由两支三元杆与四支二元杆所构成,即一上控制臂与一下控制臂为三元杆而另一上控制臂与一刚性构件为二元杆所组成,如图25 所示。此型悬吊系统之优点在於:因采用二支上控制臂,可以有效控制滚动中心的高度位置,改善外倾角的变化,因而使悬吊系统的设计自由度更为宽广,以增进车辆之操控性。

   (ii)史帝芬森二型

   此型悬吊系统(Lee, 1994)之基本构造有别於史帝芬森一型之处在於:其下控制臂与接合臂(connecting arm)为三元杆,车身、上控制臂、转向关节与中心臂(central arm)为二元杆,如图26 所示。此型悬吊系统之优点在於:其连杆配置之独特性,使得外倾角之变化量得以控制於最小之范围内,可改善车辆之直进性,并减少轮胎之磨耗(Lee,1997);当车辆转向时可使外侧车轮之外倾角保持负值,以增加轮胎之抓地力,使车辆转向更加平稳(Lee, 1994);当车轮上下振动时车辆之滚动中心(roll center)的高度变化量较小,使得操控稳定性增加(Lee, 1997)。其改良型(Lee, 1995)虽增加一短杆,但基本架构仍为史帝芬森二型。

   

   

   (iii)史帝芬森三型

   此型悬吊系统(Lee, 1994)之基本构造有别於史帝芬森一型之处在於:车身与接合臂(connectingarm)为三元杆,上控制臂、下控制臂、转向关节与中心臂(center arm)为二元杆,如图27 所示。此型悬吊系统之优点包括:车轮外倾角变化量较小;车辆转向性较佳;引擎室空间较大,使维修人员方便拆卸引擎室内之零组件;此外,由於车轮之瞬心远离悬吊系统,因此车辆之滚动中心(roll center)的高度变化不大,提供了较佳之操控稳定性。

   (iv)瓦特二型

   此型悬吊系统(Luger, 1991)之基本构造主要系由两支三元杆与四支二元杆所构成,即一上控制臂与底盘为三元杆而一下控制臂、转向关节、压力杆与控制杆为二元杆所组成,如图28 所示。此型悬吊系统之优点在於:因避震器枢接於压力杆与控制杆的接点上,使得因路面凹凸不平所导致悬吊系统上下跳动之力量,传递至避震器时可充分由避震器所吸收,以大幅增加避震器之减震功能。

   

   

   结论

   本研究系将已广泛搜集与车辆悬吊系统相关之各种文献加以分析与归纳,首先将车辆之悬吊系统先区分为电子式与机械式两大类,其中机械式又可分为整体式悬吊系统及独立式悬吊系统,而整体式悬吊系统可分为板片弹簧式、连杆式、扭矩管驱动式、双轴式、德迪翁式、扭力梁车轴式与多连杆梁式等七种;而独立式悬吊系统可分双叉骨式、麦花臣式、摆动轴式、拖曳臂式、後导引式、摇臂式、液体减压式、多连杆式、双横梁式及六连杆式等十种。而上述所述各型悬吊系统中,现今较广泛被采用,处於车辆悬吊系统的主流地位,首推双叉骨式、麦花臣式以及多连杆式,但这三型悬吊系统并无法减少外倾角的变化与侧向位移的发生,因此,有些研究专家企图以六连杆史帝芬森型以改善上述之缺失,但因受限於连杆机构之浮动杆的可动性,仍无法有效将外倾角的变化与侧向位移量改善至最小范围,唯有六连杆式瓦特一型因其机构类型之独特性,而使得连杆机构之浮动杆的可动性高,因此能够完全改善上述之缺失,达到一理想车辆悬吊系统之设计。

 
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