由零學起
懸掛系統ABC

Posted 18/01/22

被懸掛系統密集交錯的支架和撐桿打敗了?不打緊,等我們慢慢由零學起。

WORDS:龍慶祥

提到汽車的懸掛系統,讀者可能馬上聯想到改裝零件廣告上色彩繽紛的彈簧和避震器。它們的確是系統中重要部份,彈簧的功能是支撐車身重量,車輪輾過凹凸不平的路面,透過彈簧伸縮能減少對車身的衝擊。但彈簧的特性好像水面漣漪,震動一旦被激發便會沒完沒了,車廂搖呀搖,裏面的乘客並不好受,於是需要使用避震器把震動抑制。除了這兩種零件外,懸掛系統還有連桿和相連的襯套(bushing),它負責掌管着車輪活動軌跡,對操控性至關重要,通常再加一根防傾桿,這就是一套完整的懸掛系統了。它跟引擎內部零件不同,它是外露的,只要你懂得基本原理,只憑着觀察懸掛結構和用料,那怕只是一幅靜態圖片,也能想像得到它的行走動態。若你擁有這等功力又遇上精良的設計,必然會駐足欣賞而垂涎欲滴。

懸掛系統的功能有幾方面,首先是讓車內乘客舒適,抑制因路面不平引致的巔簸跳動。第二,它要維持車胎和地面良好接觸以提高操控性,要做到這一點必須減少彈跳車輪離地時間和盡量保持車輪與地面垂直。第三,連接車身與車輪以傳遞推動和煞車的力量,因此必須有足夠強度。第四,前懸掛需要提供空間給轉向機構,獨立式懸掛的連桿末端甚至會成為轉向關節(steering knuckle)的擺動軸心,因此設計時有更多的限制。

這張剛好一百年的照片中,Henry Ford身邊的Model T已經成功脫離dead axle的舊世界。

汽車懸掛設計可分為非獨立式和獨立式兩種,今期我們先探討非獨立式,亦即是左右兩邊的懸掛互相連結,不能獨立活動。它源於馬車年代,那時候車軸沒有動力,是一根不會轉動的桿子,亦即dead axle,功用只是把左右車輪串起來。換句說話只有車輪會轉,車軸卻不會轉動。這支車軸會固定在葉片式彈簧,以求吸震,彈簧兩端固定在車架,這就成為了一個簡單的懸掛系統。可想而知,這種非獨立懸掛的兩輪,經常與路面保持垂直是它最大優點,因此到了汽車時代仍然被保留下來。早期的汽車使用鍊條帶動(chain drive),鍊條由波箱接到車輪上的鍊輪(sprocket),車軸依然是不轉動的,跟現時的電單車有點相似。但當汽車動力逐漸增加,以鍊條傳送動力再不足以應付了,於是想到改為將動力直接透過車軸傳到車輪。這樣的話車軸就必須要轉動了,但一根會轉動的車軸怎樣固定它呢?於是在車軸外加一個鑄鐵的軸套,好比把原子筆的筆芯套上一個筆管,再把筆管固定於車架。這種結構稱為live axle,雖然笨重但簡單可靠,商用車輛一直沿用至今,即使乘用車,到七八十年代還有不少後驅車使用。

1885年的Benz patent motor car是以鏈條傳送動力至車輪,車軸卻不會轉動。另見到葉片彈簧嗎?

後來前驅車興起,後軸採用沒有動力的dead axle,車軸不動,只有輪子會轉,因此懸掛設計的自由度大得多了。另外鑑於前驅車普遍有轉向不足的特性,於是工程師設計出一種改良型的非獨立後懸掛,名為扭力樑(torsion beam),樑身本身有平衡車身抗傾側功能,並能透過巧妙的力學原理強化操控。大家看看圖解,方法是將扭力樑與車身底盤的固定點設定在樑的前方,與後軸有着一定距離,這樣拐彎時車身的離心力,跟後輪和地面間摩擦產生的向心力作用下,令固定點的膠bushing變形,扭力樑輕微擺動改變後輪指向(外彎車輪toe out,內彎車輪toe in)以幫助轉向,提高過彎的靈活性,因此雖然這設計的乘坐感及不上獨立懸掛,但小型前驅車一直很喜歡使用。編輯歐陽國安早前拍攝的Peugeot 306 GTI-6影片,所講述的後輪非主動轉向,正是這種原理了。至於其他懸掛又是怎樣運作呢?稍後有機會再介紹。

Torsion beam這個名字到今天還時不時在Audi A1這類小型前驅車中亮相
Audi A4的五連桿後懸掛,與A1的torsion beam一比之下就知複雜與佔用空間兼而有之。

原文來自《TopGear極速誌》 2021年4月 第151期