悬架系统

(重定向自悬挂系统

悬吊系统,亦称为悬掛系统悬载系统(英语:Suspension),乃是一种由弹簧减震筒连杆所构成的车用系统,用于连接车辆与其车轮,一台车辆的前轮与后轮悬架设计有可能会使用不同设计。悬架系统扮演双重的角色,让车辆的操控刹车合乎良好的动态安全与操驾乐趣,并保持车主的舒适性及隔绝适当的路面噪音、弹跳与震动。这些特性通常都互相牵制,因此悬架的调整就必须找到两者兼顾的设定。悬架系统同时也保护车辆本身或车上的货物行李,避免因颠簸而磨耗或损坏。

福特T型车前轮的悬吊系统元件

这篇条目主要是有关四轮(或多轮)车辆的悬架。若需要两轮车辆悬架的相关资料,可参阅摩托车悬架单车悬架英语Bicycle suspension

历史 编辑

在古早的埃及,就已经出现过板式弹簧的踪迹。古代的兵工学家使用板式弹簧,以弯曲的板状材料加强他们的攻城武器,起初的效果还不错。后来在投石器上所使用的板式弹簧更为精密,而且可以使用好几年。弹簧不一定由金属制造,也可使用坚硬的树枝组合,当作弹簧,就像制弓一样。

网站阅读 编辑

马车 编辑

 
汽车的5种悬架连接,弹簧被省去,由上而下:
  1. Live axle with Watt bar 活轴悬架;
  2. Suspension like on a bike fork 类似脚踏车前叉的悬架;
  3. Swing axle 摇轴式悬架;
  4. Double wishbone 双A臂(多连杆式)悬架;
  5. MacPherson 麦弗逊支柱式悬架

在19世纪早期,大部分的英国四轮马车都有配备弹簧;木制弹簧用于轻型单马车辆来避震,而较大的马车弹簧则采用铁制。这些铁制的弹簧由低碳钢制成而且通常叠成多层成为板式弹簧[1]

英国的铁制弹簧不适用于当时美国大陆粗糙不平的路面,转弯过快时甚至会导致马车解体。在1820年代,新罕布夏州康科特市的Abbot Downing公司开发出一种系统,借此让驿马车的车体能够支撑在称作“thoroughbraces”的皮带上,这样车厢的动态可改善成摆荡的动作,而不是像弹簧悬架那样剧烈的上下震动。(有时驿马车本身也被称作“thoroughbrace”。)

汽车 编辑

汽车在早期开发时,视为自身动力推进的马车。但是相对来讲,马车是设计用来低速行驶的,因此它们的悬架并不适用于内燃机引擎所能产生的高速行驶。

1903年,德国的Mors汽车公司首次将车辆安装了减震筒。1920年,Leyland汽车公司在悬架系统中加入了扭杆装置。1922年,Lancia Lambda开创先例地使用独立前轮悬架,在1932年以后的市售车辆上更为常见。[2]

重要属性 编辑

弹簧刚性 编辑

弹簧刚性(或称悬架刚性)是悬架伸缩时,用来设定车高或其定位的要素之一。车辆载重大的通常会搭配更硬的悬架来抵销额外的重量负载,否则可能在途中(或弹跳时)压毁了车辆。较硬的弹簧通常也用于性能用途,因为这时候悬架在弹跳时是经常性下压的,这时会导致可用的弹跳伸缩量变少,造成破坏性的下压力。

弹簧太硬或太软都会造成车辆失去悬架性能。一般来说,比较经常性载重的车辆具备较重或较硬的弹簧,其弹簧刚性接近车重的上限值。这样让车辆可以在控制性受载重惯性的限制下,正常地载货并操驾行驶。驾驶一台空的载货用卡车可能会对乘客感到较不舒适,是因为与车重相关的高弹簧刚性。赛车可以说是具备较硬的弹簧,而且会呈现不舒适的颠簸。然而,虽然两者均具备硬弹簧,但实际上一台2000磅的赛车与一台10000磅的卡车,其两者的弹簧刚性则是全然不同的。高级房车、计程车或客运巴士通常可以说是具备较软的弹簧。车辆的弹簧若是老化或损坏,行驶时容易贴近地面,悬架的总压缩量会降低,车体也容易侧倾。性能跑车的弹簧刚性有时不只是为了车重或载重的需求。

弹簧刚性的数学应用 编辑

弹簧刚性是一个比值,用来测量一个弹簧在偏斜时被压缩或伸展时的阻抗。按照虎克定律,弹力强度随着偏斜增加而增加。简单来讲,这个现象可以由下列公式所述:

 

其中

F为弹簧的施力
k为弹簧的刚性
x为静力平衡时的位移量,其长度为弹簧压缩或延展时。

由于本身车重、车辆载重、悬架系统的空间限制或性能需求等因素下,弹簧刚性会受限在一段狭小的分布区段。

弹簧刚性的单位通常由N/mm表示(或lbf/in)。例如一个线性的弹簧刚性表示为500 lbf/in,其代表弹簧每压缩一英寸,它可以施压500磅力。而一个具有非线性的弹簧刚性,代表它的压缩力与施力的关系无法适当地对应于一个线性模型。例如,第一英寸会施压500磅力,第二英寸会施压额外的550磅力(因此总共是1050磅力),第三英寸则会施压另外600磅力(总共达1650磅力)。相较之下,一个500 lbf/in的线性弹簧压缩了三英寸之后的施压力则只有1500磅力。

线圈弹簧的弹簧刚性可由简单的代数方程来计算求得,或是由弹簧测试机来测量。弹簧常数k可由下列公式计算:

 

其中d为线材直径,E为弹簧的弹性系数(例如钢铁的系数大约为30,000,000 lbf/in²或是207 GPa),N为线圈的缠绕次数,而D为线圈直径。

悬架刚性 编辑

悬架刚性为针对车辆轮架所测量出有效的弹簧刚性,但不只是单独对弹簧刚性做测量而已。

悬架刚性通常等于或小于弹簧刚性。一般来说,弹簧会固定在控制臂、摇臂或某些其他种类的枢轴支承机构上。假设前述例子中的弹簧刚性计算出为每吋500磅力,如果将车轮垂直移动一英寸(车辆是静止的),则弹簧可能仅压缩了一小部分的量。假设弹簧只移动了0.75英寸,杠杆臂比率可能为0.75到1,则悬架刚性可由弹簧刚性比值的平方倍(0.5625)而求得。将比值做平方倍的目的在于它对于悬架刚性有两个作用存在,这个比值同时影响了施力大小与位移量。[3]

独立悬架系统下的悬架刚性就非常简单明了,但对于某些非独立悬架系统的设计就必须考量到一些特殊状况。以车轴的纵向角度来看,若由前方或后方来看,悬架刚性可以由前述的方式去测量得出。然而由于轮架并非独立的,在加速或减速时侧向来看,支点会位在无限远的位置(因为前后轮都移动了)。过弯与加减速时的有效悬架刚性也往往有不一样的结果,将弹簧的定位尽可能地靠近车轮可以将悬架刚性的差异降到最小。

侧倾力耦百分比 编辑

在车辆摇晃时,侧倾力耦百分比为车身各轴线上发生的有效悬架刚性数值,为车辆总侧倾率的某个比值。侧倾力耦百分比在精确平衡车辆的操控上是非常关键的因素。

一台侧倾力耦百分比70%的车辆,在过弯时会将本身70%的悬架载重转移到车辆前方。

重量转移 编辑

重量转移通常针对单一车轮在过弯、加速或刹车等状况下,相较于该轮净重时的情形。过弯的轮载重必须先得知静止时的轮载重,并依照每个轮架的簧上载重、簧下总重,或是顶举力的大小来增减。有些赛车业界会使用一些假名词,或是将顶举力和悬架载重转移等因素统一用一个词组名词来称呼,例如“side bite”。通常会这样做的理由在于,他们可能没必要知道这么详细,或是刻意混淆对手而不让对方得知车辆的性能,因此使用一般人容易接受的拟人词汇。

非承载重量转移 编辑

非承载重量转移是由非悬架支撑的车辆元件重量所计算求得,这些元件包含了轮胎、轮圈、刹车、轮轴、控制臂一半的重量,以及其他的元件。这些连接于车身的元件会假设成无重量(便于计算用途),然后放在同样的动态负载。过弯时,前轮的重量转移会等于:前轮非承载总重×重力×前轮非承载重心高度÷前轮车轴宽度。此算法同样适用于后轮。

悬架系统类型 编辑

独立式悬架(悬架)系统包含了以下系统:

英文 中文 优点 缺点
Swing axle 摇轴式
Sliding pillar 滑动支柱式
MacPherson strut 麦弗逊支柱式 1.整体悬架组件结构简单、重量轻,作为车头悬架组件时,可有效减轻车头重量。
2.占用空间小,其响应速度和回弹速度敏捷,减震能力十分突出。
1.抗侧倾及抗制动时点头的能力较弱。
2.缺乏一定的稳定性。
Chapman strut 查普曼支柱式
Upper and lower A-arm Suspension (Double Wishbone Suspension) 双叉臂式 (又称为双A臂式或双鱼骨式或不等长控制臂式) 1.响应速度和回弹速度可以控制,减震能力突出。
2.整体悬架组件的强度和抗冲击能力出色。
使用后轮胎与轮面的接地面积大,贴地性好,路面适应性好,可减少轮胎磨损。
1.整体悬架组件需要占用比较大的空间,组件重量也较重。
2.增加维修保养时的复杂度,在定位悬架及四轮定位时,参数也较难确定。
Multi-link Suspension 多连杆式 1.悬架受到压缩时可通过连杆对车轮定位主动进行精确的调整,能尽可能的使轮胎与地面保值垂直,贴地性非常出色。
2.操控性能非常出色,这种类型的悬架能最大限度的发挥轮胎的抓地力,并可大幅度提高整车的操控极限。
1.结构复杂,造价相对比较昂贵。
2.占用空间大。
semi-trailing arm suspension 半拖曳臂式 属独立式悬架系统,使用于后轮悬架,比拖曳臂悬架复杂。
swinging arm 摇臂式
leaf springs 叶片弹簧式


非独立式悬架(悬架)系统包含了以下系统:

英文 中文 详情
Satchell link
Panhard rod
Watt's linkage 澳洲福特汽车所发明,可改善活轴或固定轴悬架的操控性
WOBLink
Mumford linkage
Live axle 活轴悬架 有传动功能的Beam axle
Twist beam 扭力梁式悬架 亦称Torsion beam axle,以钢梁搭配左右两支拖曳臂,路面高度起伏不大时左右轮不会互相拉扯,可算半独立式悬架系统,中小型车后悬架常使用,使用此悬架系统也可明显增加车尾行李厢空间,扭力梁式悬架可透过如福斯汽车添加内建液压避震增加舒适性或Opel汽车添加Watt's连杆增进操控性。扭力梁式悬架虽使用拖曳臂,但并非拖曳臂悬架,纯拖曳臂式悬架左右两只拖曳臂中间无扭力梁连结,操控较不稳定近代汽车中已十分少见。扭力梁式悬架也非扭力杆式悬架,扭力杆式悬架使用剖面为十字型之类的短钢棒连接车轮,是较为简单的设计。
Beam axle 无传动功能称Solid axle,有传动功能称Live axle,通称Beam axle
leaf springs used for location (transverse or longitudinal)



汽车底盘采独立悬架系统可使各个车轮轮胎独立跳动起伏,不会互相拉扯影响车辆行驶平衡,增加操控性与舒适性,只是成本较非独立悬架(如固定轴悬架Solid Axle)高。

装甲战车悬架系统 编辑

早期战车底盘为固定悬架,震动大机动性差,后来采用农耕机叶片弹簧悬架,但改善有限。 1930年代美国人John Walter Christie发明坦克用全轮独立悬架系统,但与美国军方因规格问题未达成协议,苏联买去这技术专利,让苏联发展出行驶恶劣路面如履平地的BT-7T-34坦克,越野机动能力远胜纳粹坦克,成为击败纳粹德国主力军队改写历史的发明。英国另有一种Horstmann坦克悬架是Christie悬架系统的变异版,但故障率较高。

另一种二战后沿袭至今的坦克悬架系统为扭力杆(Torsion-bar)悬架,避震行程不如Christie悬架,但占空间比Christie悬架系统小,可容纳大车轮与重装甲,也可装避震器(减震筒),今日重装甲坦克常用。1991年的英国挑战者2坦克则使用类似雪铁龙汽车的液压气动式悬架系统。

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

参考资料 编辑

  1. ^ Adams, William Bridges. English Pleasure Carriages. London: Charles Knight & Co. 1837 [2008-09-09]. (原始内容存档于2020-09-11). 
  2. ^ Jain, K.K.; R.B. Asthana. Automobile Engineering. London: Tata McGraw-Hill. : pp. 293–294. ISBN 007044529X. 
  3. ^ Spring Rate vs Wheel Rate. [2008-09-17]. (原始内容存档于2021-02-11). 

外部链接 编辑