【汽車技術系列 – 懸掛系統簡介】

汽車懸掛系統 (Suspension) 俗稱避震,故名思義就是一套將汽車車身承托於車輪之上的機械系統。透過彈簧、吸震筒及連桿構成。懸掛系統主要的功能包括吸收來自路面經車輪傳來的彈跳與震動令車輛運行時更舒適,另外亦為車輛提供良好的操控性及煞車安全性,是汽車設計中非常重要的一環。今次我們會簡介現代汽車比較常見的幾種設計與及每重設計的特色及原理上的優點及缺點。由於不同種類的汽車對其懸掛系統的要求都不盡相同,所以其實不能說那一種懸掛設計絕對比另一種設計優秀,而今時今日汽車的懸掛系統技術已經相當成熟先進,所有懸掛都可以透過優秀的工程設計而達到極佳的功效,視乎車廠的設計人員的功力。

彈弓 (Springs) 與吸震筒 (Shock Absorbers)

首先我們先介紹一下懸掛系統非常重要的兩項部件,就是彈弓與吸震筒。

應該無人不知道彈弓是甚麼,而應用在汽車懸掛的彈弓功能就是乘載車身重量及為懸掛系統提供彈性,配合吸震筒一同工作吸收來自路面經車輪傳來的震動。在設計方面,工程師可選擇不同的彈弓粗幼,長短而至回彈率(Spring Rate,以英文字母 「K」 為代號,一般以kg/mm為單位,量度彈弓的硬度) 而得到不同的功能效果。

吸震筒 (Shock Absorber) 就是一支由密閉的管、注入阻尼油(damping oil) / 高壓汽體(gas charge),內有一個活塞(piston)連接一支活塞桿(shaft),管內的油 / 高壓汽體為活塞上下活動時提供阻尼(damping),而吸震筒的主要功能就是為懸掛系統提供這種阻尼抗力,與彈弓一同運作為車身吸收及緩衝來自路面經輪胎傳來的彈跳及震動,為行車帶來穩性定、舒適性。

市面上的吸震筒大致可分為單管式(Monotube)及雙管式(Twintube)。

Monotube故名思義就是使一支密閉筒,筒內有一個浮動活塞(floating piston)將阻尼油及高壓汽體分開,而且活塞一般設計得更大,而且可以油入更多的阻尼油,而且阻尼油只隔著一重外壁有利散熱,所以Monotube理論上緩衝效能更佳更穩定,反應更直接,但生產須比較精密的工藝,成本比較高。

Twintube並沒有浮動活塞(floating piston) 分開阻尼油及汽體,而且汽體只是環境氣壓(ambient pressure)而亦非高壓,當行車時車身震動激烈時阻尼油亦有機會起泡,令緩衝效能下降,而且雙管式設計散熱效能不及單管式,所以理論上Twintube 整體性能不及Monotube。但Twintube勝在生產要求技術不高 ,成本容易控制。

防傾桿 (Sway Bar / Anti Roll Bar)

防傾桿(俗稱蝦鬚)是一種富韌性的鋼材製作橫桿,連接左右懸掛的以達致減少車身在轉向時的傾側。

前防傾桿的形狀一般不一樣,安裝在前方的防傾桿由於要繞過很多安在車頭引擎倉的部件,一般形狀會有更多彎曲。

防傾桿其實是一個很簡單但相當聰明的設計,桿的左右尾一般會以一支小連桿(俗稱狗骨)連接左右懸掛的吸震筒或下搖臂。如上圖所示,當行車轉右時,物理上左邊的懸掛會被壓縮,而左懸掛則會被拉長,這時防傾桿便會被扭動,而它的韌性便會產生抗扭力,有效減少及平衡左右懸掛在轉向時產生的上下行程,令車身過彎時減少傾側。

由於前輪負責車身轉向,前防傾桿一般比較重要而且效果比較明顯。前防傾桿今時今日在大部份汽車上已成為標準配置,有一些入門級汽車則未必配置後防傾桿。

最常見的懸掛系統設計簡介

麥花臣支柱 Macpherson Strut (獨立式懸掛)

麥花臣支柱(Macpherson Strut) 是由美國汽車工程師Earle S. Macpherson 於1945年研發的,當時他受聘於美國Chevrolet,為當時一台名為Cadet的經濟小車設計,後來Cadet 項目於1947年被取消了,同年他亦轉到Ford工作。他的設計最後於1949的Ford Vendette 中量產。

Earle S. Macpherson (1881 – 1960)
麥花臣先生
1949 Ford Vendette,第一台採用麥花臣支柱的量產車

麥花臣支柱而結構比較簡單,避震機直接連在轉向節臂(Steering Knuckle)上面,而節臂則連在下搖臂上,佔用空間不多。 麥花臣支柱其實算是減省了上搖臂的簡化版雙願骨。

理論上的優點: 結構簡單,由於部件比較少,生產成本較低,佔用空間不多。

理論上的缺點: 由於結構簡單, 設計上可調較的空間較少。

應用: 設計合適於前懸掛,廣泛使用於前輪及四輪驅動汽車。

前輪驅動的Honda Integra Type R DC5 由DC2的前後雙搖臂轉為採用前麥花臣支柱後雙搖臂,但依然能保持優秀的操控性,可見不同的懸掛制式是可透過設計工藝而成就良好的性能。

4WD四驅跑車Subaru WRX STI,採用的亦是前麥花臣支柱後雙搖臂。

FR 前置引擎後輪驅動的TOYOTA 86亦是採用前麥花臣支柱後雙搖臂。

雙搖臂 / 雙願骨 (Double Wishbone) (獨立式懸掛)

雙搖臂 / 雙願骨 又稱為雙A臂,由上下兩支A字形的搖臂連接轉向節臂,避震機穿過上搖臂連在下搖臂上,跟麥花臣支柱比較,結構及可活動的連接點明顯較多,可調較的空間比較大,但在所難免佔用的空間亦比較多。

雙搖臂又被稱為雙願骨(Double Wishbone),願骨(Wishbone)是鳥類動物頸部下方的一塊V型骨頭,古羅馬人示願骨為吉祥之物,許願時兩個人可各自手執一邊,一起拉斷願骨,如果願骨在正中間折斷,兩個人的願望都可成真。

雙搖臂的上下搖臂形狀的確與願骨很接近,所以又被稱為雙願骨。

理論上的優點: 由於設計上可調較的部件較多,工程師能藉此能調較出極佳轉向操控性。

理論上的缺點: 由於結構較為複雜部件較多,製作成本一般比較高,而且佔用空間較多,令前方的引擎倉及後尾廂空間上需作妥協。

應用: 前後懸掛皆可,廣泛使用於前、後及四輪驅動汽車。由於可調較出極佳性能,經常被跑車及著重操控性能的汽車採用。

MAZDA MX-5 NA – 前後獨立雙搖臂,以一台1989年出產的入門級跑車,總是一個相當優秀的配置

HONDA INTEGRA TYPE R DC2 – 前後獨立雙搖臂,仍有很多人認為DC2比改用了前麥花臣支柱後雙搖臂的DC5操控更勝一籌

HONDA NSX NA – 前後獨立雙搖臂

MAZDA RX-7 FD3S – 前後獨立雙搖臂

Toyota Supra A80 – 前後獨立雙搖臂

ALFA ROMEO 4C – 前後獨立雙搖臂

多連桿 Multi-Links (獨立式懸掛)

多連桿基本上是一個泛稱,基本上包括了所有比雙搖臂更多連桿數目的懸掛設計,有一些多連桿設計其實基本上是以雙搖臂設計為基礎再加入更多一些可活動連桿。

理論上的優點: 由於設計上可調較的部件較多,比雙搖臂更多,工程師能得到更大的空間能調較出極佳操控性。

理論上的缺點: 由於結構比較複雜,而且部份數目繁多,生產成本比較高,並且佔用空間比較大,後尾廂空間可能需要作出妥協。

應用: 前後懸掛皆可,但用於後懸掛比較常見。廣泛使用於高性能跑車及著重操控性能的汽車採用。

這是Mercedes Benz的 5-links rear suspension,由五支可活動連桿連接節臂,可說是比較複雜的後懸掛設計。

Nissan Skyline GTR34 的前懸掛設計頗為獨特,其實大致上亦是一個雙搖臂設計加入了更多可活動的連接,而官方資料亦都稱它為多連桿設計,亦是比較少數的前多連桿懸掛系統。

BMW 3 系 – 前麥花臣支柱,後多連桿

Mercedes Benz C Class – 前麥花臣支柱,後多連桿

Mazda RX-8 – 前雙搖臂,後多連桿

扭力桿 Torsion Beam (非獨立式懸掛)

扭力桿俗稱一字擔,故名思義就是左右懸掛安裝於一條直擔之上,所以設計上並非獨立式懸掛,理論上左右懸掛在行車時會相互影響。而直擔設計上會帶有韌性,藉以吸收來自左右懸掛的轉扭力量。

理論上的優點: 扭力桿結構比較簡單,部件很少,但以理論上生產成本平較低,而且佔用空間不多,用於後懸掛時尾廂空間無需有太大的妥協。理論上橫向剛性比較強,如果設計得宜強剛性有利於操控。

理論上的缺點: 由於非獨立懸掛,左右懸掛連在同一條擔上,行車時會左右懸掛相互影響,所以行車的舒適度與及操控性能設計理論上比不上獨立懸掛,但現時汽車的懸掛設計已非常成熟,扭力桿也可以透過設計造出良好的行車表現。

應用: 現時多數用於前輪驅動汽車的後懸掛,由於成本較低,很多時會用於入門級的汽車產品。但今時今日各大車廠的懸掛設計技術已相當成熟,扭力桿應用於著重操控的高性能車種已完全沒有問題。

HONDA CIVIC TYPE R FN2 – 前麥花臣支柱,後扭力桿

HONDA CIVIC TYPE R FK2 – 前麥花臣支柱,後扭力桿

Ford Fiesta ST – 前麥花臣支柱,後扭力桿

最後,雖然各個懸掛系統的設計各有先生的優點及缺點,但基本上都可以透過設計而獲得良好的性能,都係果句,睇下車廠工程師o既功力啦!