按鍵彈簧系統(tǒng)分析

本研究將所搜集之相關(guān)車輛懸吊系統(tǒng)之文獻，先區(qū)分為電子式與機械式兩大類，而其中機械式又可分為整體式懸吊系按鍵彈簧統(tǒng)及獨立式懸吊系統(tǒng)。

電子式

此型懸吊系統(tǒng)可采用電子式行駛平順性控按鍵彈簧制或可變阻尼懸吊，其四輪之避震器均以電子方式調(diào)整軟、硬程度，當駕駛者按下控制避震器軟或硬的開關(guān)時，電子控制組件會發(fā)出信號至每一避震器上方的電子線按鍵彈簧圈或小電動馬達，馬達會稍微轉(zhuǎn)動并打開或關(guān)閉活塞上不同尺寸的流口，以改變避震器內(nèi)液體流動的阻力；亦可於車輪前方設(shè)置聲納感測器，其原理為感測器發(fā)出一段段的聲波脈沖，不斷地偵測車輪前方的路況，當聲波觸及路面再反射回來所經(jīng)之時間被讀入電子控制組件，即可指出車身高度及路面之不規(guī)則性，電按鍵彈簧子控制組件隨即調(diào)整避震器，即可得到最好的行駛平順性及操控性；或者以空氣彈簧取代螺旋彈簧，此空氣彈簧懸吊系統(tǒng)可控制彈簧之剛性，并提供車身高度及水平之自動控制。此外，另有一種電子式主動懸吊系統(tǒng)，該系統(tǒng)舍棄了一般懸吊系按鍵彈簧統(tǒng)之彈簧及避震器改以液壓致動器替代之，其原理是以受壓液體之液壓能轉(zhuǎn)換為懸吊系統(tǒng)之機械動作能量，當車輪上下振動或車輛在轉(zhuǎn)彎時液壓致動器內(nèi)之按鍵彈簧感測器會感測到液體壓力之變化，并將此壓力變化訊號傳送至電腦，電腦於接收這些訊號并做適當之處理後，會輸出一控制訊號至一適當?shù)乃欧�閥，將高壓之液壓油經(jīng)由致動器內(nèi)的電腦控制閥門送出或送入，而使車輪上升或下降，以使按鍵彈簧輪胎與地面保持相同的接觸力，并維持車身的水平及良好的操控性，上述所有動作幾乎於瞬間發(fā)生，因此駕駛者不易察覺。

機械式

此型懸吊系統(tǒng)為絕大多數(shù)車輛所采用，此類型懸按鍵彈簧吊系統(tǒng)於車輛行經(jīng)不平整之路面時，車輪受震湯，而造成懸吊系統(tǒng)以被動方式作動，并導致彈簧的壓縮或伸長及懸吊機構(gòu)之作動。機械式懸吊系統(tǒng)依其懸按鍵彈簧吊方式可分為下列二大類：（1）整體式懸吊系統(tǒng)，如圖1 所示。（2）獨立式懸吊系統(tǒng)，如圖2 所示。

一、整體式車輛懸吊系統(tǒng)

此型懸吊系統(tǒng)（中國國家標準(CNS)，汽車懸吊裝置名詞）之基本構(gòu)造系以一支剛性車軸連接左右二輪，其特色為載重量大、構(gòu)造簡按鍵彈簧單、成本低廉、維修方便且占用空間較小，但因車身較高按鍵彈簧，易受地面傾斜影響，對於高速之穩(wěn)定性較差，且車軸連接左右二輪，其運動為連動方式，易發(fā)生橫向振動，以致於乘坐舒適性較差，故現(xiàn)今僅使用於重型車輛按鍵彈簧及少數(shù)小客車上。整體式懸吊系統(tǒng)可進一步區(qū)分為下列七種類型：

1、板片彈簧式按鍵彈簧

（i）縱向安裝板片彈簧式

此型懸吊系統(tǒng)（賴耿陽，民80 年）系由按鍵彈簧一組薄片，一層層的疊置而成，使彈簧於彎曲時不易斷裂，其設(shè)置於車身之縱向，并以U 型螺栓結(jié)合至車軸。最長板片的前端卷曲成彈簧銷孔，此銷孔藉螺栓與吊耳互相連接，吊耳之作用為吸收因震湯所導致板片彈簧撓曲的長度變化，而螺按鍵彈簧栓與吊耳間置以橡膠襯套，用以吸收震動，而不致於影響車身與吊耳；其後端也制成彈簧銷孔，此銷孔藉由?環(huán)與車身互相連接。此型懸吊系統(tǒng)依結(jié)合車軸之位置不同，可分為輪軸上方懸吊式(over slung type)與輪軸下方懸吊式(under slung 按鍵彈簧type)，一般小客車為減小底盤與車軸之高度差，常采用輪軸上方懸吊式。此型懸吊系統(tǒng)之特色為構(gòu)造簡單及成本較低，但板片彈簧本身的重量較重、觸地性差，較不利於操控性及舒適性，如圖3 所示。

（ii）橫向安裝板片彈簧式

此型懸吊系統(tǒng)（Lahu, 1996）與縱向安裝按鍵彈簧板片彈簧式之原理大同小異，其不同之處在於此型之板片彈簧與車軸呈平行設(shè)置，因此只需一付彈簧，然而，其缺點為水平方向的剛性較差，需加設(shè)懸吊臂按鍵彈簧以保持車軸之位置，如圖4 所示。

2、連桿式

此型懸吊系統(tǒng)（Brandt, 1995）之標準按鍵彈簧型為四連桿型。連桿式懸吊系統(tǒng)系以四支連桿連接剛性車軸與車身，使車身定位，其上連桿呈八字形，而下連桿呈平行設(shè)置。各連桿需承受驅(qū)動力、制動力、縱向力及橫向力。驅(qū)動力及制動力所造成之扭力及縱向力由上、下連桿共同承受按鍵彈簧；而橫向力則由上連桿獨自承受。避震器及彈簧僅具緩沖效果并無定位機能，如圖5 所示。

3、扭矩管驅(qū)動式
此型懸吊系統(tǒng)（黃靖雄，民69 年）系將後差速箱總成以管向前方延伸，傳動軸則裝置於扭矩管中；并藉一球型接頭安裝於變按鍵彈簧速箱後端，而剛性車軸貫穿後差速箱以連接二車輪。螺旋彈簧與避震器設(shè)置於剛性車軸上，橫向桿則置於車軸與車身橫向，以抵抗車身之橫向反力，加強橫按鍵彈簧向定位，再配合拖曳臂加強縱向定位，如圖6 所示。

4、雙軸式

此型懸吊系統(tǒng)（Laidely, 1989）可視為縱向安裝板片彈簧式的改良，將板片彈簧以串聯(lián)的方式相接，采用二支車軸以減輕路面之按鍵彈簧壓力及增加牽引力之懸吊方式，另設(shè)置平衡器以使二車軸之負載比率趨於一定值，如圖7 所示。

5、德迪翁式

此型懸吊系統(tǒng)（賴耿陽，民87 年）早在二按鍵彈簧十世紀之前即已開發(fā)成功。此型懸吊系統(tǒng)系將後差速箱總成裝置於橫梁或車體上，由連結(jié)左右車輪之固定車軸懸吊之，如圖8 所示。

6、扭力梁車軸式

此型懸吊系統(tǒng)（Shimatani, 1999）系以一按鍵彈簧支扭力梁來連接左右車輪，該梁之二端設(shè)置拖曳臂與扭力梁成剛性配合，拖曳臂具有足夠的剛性可抵抗縱向力，達成縱向定位；而扭力梁則用以調(diào)整車輛晃動按鍵彈簧之剛性；并利用橫向桿以抵抗橫向力與橫向位移；并於扭力梁二端設(shè)置彈簧與避震器，以加強車輛乘坐之舒適性，但由於該型僅具拖曳臂前方二接點與車身按鍵彈簧結(jié)合，因此結(jié)合處的橡膠襯套之剛性格外重要，而其襯套常因受橫向力作用而產(chǎn)生撓曲現(xiàn)象，因而導致懸吊系統(tǒng)失去平衡，如圖9 所示。

7、多連桿梁式

此型懸吊系統(tǒng)（Kato, 1995）系以數(shù)支連桿按鍵彈簧組合而成之新型懸吊系統(tǒng)。其主要特色為采用由控制桿、扭力梁與橫向桿所組成之史考特－羅素機構(gòu)(Scott-Russel mechanism)為主要架構(gòu)，按鍵彈簧其中，扭力梁為地桿；控制桿一端連接於扭力梁，另一端則連接於橫向桿之中央；而橫向桿一端連接於車身，另一端呈滑塊運動連接於扭力梁處。按鍵彈簧當車輪上下運動時，其僅呈垂直運動，而車軸不發(fā)生橫向偏移，同時也消除按鍵彈簧傳統(tǒng)整體式懸吊系統(tǒng)之剛性車軸受橫向力所造成頂起力及下壓力的問題，如圖10 所示。

二、 獨立式車輛懸吊系統(tǒng)

此型懸吊系統(tǒng)（中國國家標準(CNS按鍵彈簧)，汽車懸吊裝置名詞）之左右車輪能各自獨立作動，因此任一車輪上下跳動時，不致影響另一車輪，車身亦不致傾斜，且彈簧以下之非承載重量較輕，車按鍵彈簧輪的觸地性良好，具有較佳的乘坐舒適性及操控安定性。其缺點則為零件數(shù)增多、成本較高及構(gòu)造較復雜，且常需較大的設(shè)置空間，故現(xiàn)今多用於重視乘坐按鍵彈簧舒適性之小客車。

1、雙叉骨式

此型懸吊系統(tǒng)（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，如圖11 所示，控制臂的按鍵彈簧樞點位於車體或車架上，另一端以球型接頭樞接於轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)，而螺旋彈簧常置於上下控制臂之間，并與避震器組合使用；同時為減少車身滾動，而采用防傾桿以求車身安定。當車輛行駛遇路面不平時，控制臂之作動使車輪以接近垂直於地按鍵彈簧面的方向上下運動，故其乘坐舒適性良好，操控性亦相對提高。一種采取焊接方式將第一臂與第二臂(皆為輕薄金屬板構(gòu)件)相結(jié)合構(gòu)成之下控制臂設(shè)計，可達到按鍵彈簧輕量化之目的，且整體構(gòu)件之剛性并無受損，已發(fā)表於（Mukai, 1986）。一種可按鍵彈簧控制前展、零前展及前束之懸吊系統(tǒng)設(shè)計已發(fā)表於（Shibahata, 1988）。一種設(shè)置中間構(gòu)件以置放彈簧之設(shè)計使彈簧連接於車架及上橫導桿之間，以增加彈簧之最佳性能，已發(fā)表於（Schaible, 1989）中。為保持車輛受縱向力及橫向力時前按鍵彈簧束之穩(wěn)定性，而以前、後低桿取代下控制臂，且拖曳臂改以縱向設(shè)計，可增進乘坐之舒適性及操控之安全性（Lee,1994）。為修正外傾角曲線、改善胎面磨損按鍵彈簧以及增進轉(zhuǎn)向性能，因而將大王銷之上接點改為較上控制臂之接車身點為高之新設(shè)計已發(fā)表於（ Butler,1999）。一種上控制臂短、下控制臂長之懸吊系統(tǒng)按鍵彈簧，可減少輪胎磨耗、增進操控性及舒適性，并減少外傾角變化量之設(shè)計，已發(fā)表於（Kuhn, 1998）。綜上所述，此型懸吊系統(tǒng)已使用於較講求舒適性的小客車，且已發(fā)展出數(shù)種改良型的雙叉骨式懸吊系統(tǒng)，但皆符合此型懸吊系統(tǒng)之基本構(gòu)型。

（i）上下不等臂式

此型之下控制臂較上控制臂為長，如圖12 所示。當車輪上下跳動造成控制臂作動時，僅產(chǎn)生極少量之側(cè)滑，使輪距幾按鍵彈簧乎保持不變，但卻無法抑制車輪之偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（ii）平行連桿式

此型之上下控制臂互相平行且長度相等，如圖13 所示。當車輪上下跳動時，外傾角不會改變，因此車輪不會產(chǎn)生偏按鍵彈簧轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但是卻會產(chǎn)生明顯的側(cè)滑現(xiàn)象，造成左右輪距改變，輪胎易於磨損。

2、麥花臣式

此型為現(xiàn)今懸吊系統(tǒng)的主流（Muhr, 1994），以支柱取代上控制臂，故可增大車內(nèi)空間，如圖14 所示。支柱總成上端按鍵彈簧以橡膠絕緣體固定於車身，下端與轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)相連接，并設(shè)置張力桿以加強橫向定位。一種可使用於支柱上的伸縮套筒型避震器已發(fā)表於（Pflughaupt, 1981）。此外，針對懸吊臂進行改良，以使懸吊臂之內(nèi)部應(yīng)力均一，可增強懸吊臂之耐久按鍵彈簧性（Takeuchi, 1994）。與其他獨立懸吊系統(tǒng)相較，此型具有構(gòu)造簡單、成本低廉、性能良好以及占用較少空間之優(yōu)點，其缺點則為支柱軸、輪胎觸地點及支按鍵彈簧柱上安裝點三者不共線，導致支柱上產(chǎn)生彎矩，故需使支柱軸與螺旋彈簧偏置或在支柱內(nèi)使用低摩擦襯套，以克服彎矩所造成之負面影響。

3、擺動軸式

此型懸吊系統(tǒng)（Lahu, 1996）系藉驅(qū)動按鍵彈簧軸及控制臂以懸吊車輪，該驅(qū)動軸自差速器延伸至左右車輪，其功能除了傳輸扭矩之外，亦需支撐車重，并抵抗制動時的反作用力，故輪軸需有足夠強度。另按鍵彈簧於車軸上設(shè)置避震器及螺旋彈簧，以增加乘坐舒適性。當車輪上下振動時，擺動軸以萬向接頭為中心作圓弧形擺動，易產(chǎn)生側(cè)向滑動，加速輪胎磨損。又因按鍵彈簧其外傾角的變化，以致於造成轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度的問題，不利於車輛之操控性。為改善此一缺點，可適度增長驅(qū)動軸之長度或降低萬向接頭之位置，如圖按鍵彈簧15 所示。而另一種控制臂之樞軸與驅(qū)動軸內(nèi)側(cè)接頭在同一線上者屬斜擺動軸式，如圖16所示。

4、拖曳臂式

（i）全拖曳臂式

此型懸吊系統(tǒng)（Lahu, 1996）之特色在於按鍵彈簧拖曳臂之樞軸與輪軸相互平行，而該拖曳臂藉樞軸與車身相連接，如按鍵彈簧圖17 所示。當車輪上下振動時，經(jīng)由拖曳臂將振動之能量傳遞至彈簧，并由彈簧吸收之，以避免影響車輪之縱向及橫向定位。此型懸吊系統(tǒng)之優(yōu)點為占用空間按鍵彈簧較少，可使車內(nèi)空間加大，適用於小型車輛。

（ii）半拖曳臂式
此型懸吊系統(tǒng)（賴耿陽，民87 年）之特色在於按鍵彈簧拖曳臂之樞軸不與輪軸平行，而是呈傾斜設(shè)置，主要應(yīng)用於後輪驅(qū)動或四輪驅(qū)動之小客車，如圖18所示。該拖曳臂連接於懸吊橫梁，而該橫梁系透過橡膠絕緣體安置於車身。另采用防傾桿以減少車身傾斜及輪胎跳動。該懸吊橫梁與拖曳按鍵彈簧臂間之旋轉(zhuǎn)軸線傾斜角度稱之為後退角，若後退角愈小，則愈接近全拖曳臂式之特性；反之，後退角愈大，則愈接近擺動軸式之特性。

（iii）雙拖曳臂式

此型懸吊系統(tǒng)（Lahu, 1996）系以二支呈上按鍵彈簧下平行之拖曳臂加強車輪之縱向及橫向定位，其余構(gòu)型與全拖曳臂式懸吊系統(tǒng)完全一致，現(xiàn)今多應(yīng)用於高承載之車輛，如圖19 所示。

5、後導引臂式
按鍵彈簧
此型懸吊系統(tǒng)（中國國家標準(CNS)，汽車懸吊按鍵彈簧裝置名詞）為拖曳臂式之改良型，其樞軸設(shè)於輪軸後方且與輪軸相互平行，而該導引臂也可上下擺動傳遞振動能量於彈簧及避震器，如圖20 所示。此型懸吊按鍵彈簧系統(tǒng)需裝置防傾桿，以加強車身穩(wěn)定。

6、搖臂式

此型懸吊系統(tǒng)（中國國家標準(C按鍵彈簧NS)，汽車懸吊裝置名詞），如圖21 所示，系采用搖臂機構(gòu)以限制車輪之振動范圍，并以螺旋彈簧緩和車輪之震湯。該搖臂機構(gòu)因承受極大之應(yīng)力，所按鍵彈簧以需有較高之強度。此型懸吊系統(tǒng)之優(yōu)點在於占用空間較小。該搖臂機構(gòu)結(jié)合空氣彈簧及板片彈簧之應(yīng)用已發(fā)表於（Raidel, 1988）。按鍵彈簧

7、液體減壓式

此型懸吊系統(tǒng)（Palitto, 1982）系於大王銷(ki按鍵彈簧ngpin)上安裝液體彈簧。車輛之轉(zhuǎn)向扭力可經(jīng)由大王銷傳遞至彈簧及避震器，使車身保持平衡，如圖22 所示。

8、多連桿式

此型懸吊系統(tǒng)（Reimpell; Stoll, 1996）具有按鍵彈簧較大的幾何變化與設(shè)計自由度，其系以數(shù)支連桿達成車輪之縱向與橫向定位，與雙叉骨式懸吊系統(tǒng)相似，可視為雙叉骨式的改良型，如圖23 所示。與其他型按鍵彈簧式之懸吊系統(tǒng)相比較，多連桿式懸吊系統(tǒng)可減少車輪外傾角及車輛滾動中心(roll center)高度的變化，有助於穩(wěn)定方向與控制轉(zhuǎn)向，可提升車輛的直進性、減少胎面磨損與車輛轉(zhuǎn)向之頂起現(xiàn)象，屬於一種較先進之懸吊系統(tǒng)，然而其零件較為按鍵彈簧復雜且更精密，以致於整個懸吊系統(tǒng)之重量、體積及成本均會增加。

（i）雙橫梁式

此型懸吊系統(tǒng)（Knowles, 1995）之特色按鍵彈簧在於具有二支橫梁(I-beam)，分別用以支撐左右前輪，任一橫梁之一端經(jīng)由具橡膠成分之樞軸連接於車架，另一端則連接於輪軸，如圖24 所示，而螺旋彈按鍵彈簧簧置於橫梁活動端與車架之間，另以半徑臂縱向連接車架與橫梁活動端，以防止車輪之縱向移動。當車輪上下振動時，橫梁之活動端上下移動因而壓縮或伸展按鍵彈簧彈簧。由於此型懸吊系統(tǒng)可承載較大之重量，故多半用於小卡車。

9、六連桿式

（i）史帝芬森一型

此型懸吊系統(tǒng)（Shinji, 1994）之基本構(gòu)按鍵彈簧造主要系由兩支三元桿與四支二元桿所構(gòu)成，即一上控制臂與一下控制臂為三元桿而另一上控制臂與一剛性構(gòu)件為二元桿所組成，如圖25 所示。此型懸吊系統(tǒng)之優(yōu)點在於：因采用二支上控制臂，可以有效控制滾動中心的高度位置，改善按鍵彈簧外傾角的變化，因而使懸吊系統(tǒng)的設(shè)計自由度更為寬廣，以增進車輛之操控性。

（ii）史帝芬森二型

此型懸吊系統(tǒng)（Lee, 1994）之基本構(gòu)造按鍵彈簧有別於史帝芬森一型之處在於：其下控制臂與接合臂(connecting arm)為三元桿，車身、上控制臂、轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)與中心臂(central arm)為二元桿，如圖26 所按鍵彈簧示。此型懸吊系統(tǒng)之優(yōu)點在於：其連桿配置之獨特性，使得外傾角之變化量得以控制於最小之范圍內(nèi)，可改善車輛之直進性，并減少輪胎之磨耗（Lee,1997）；當車輛轉(zhuǎn)向時可使外側(cè)車輪之外傾角保持負值，以增加輪胎之抓地力，使車輛轉(zhuǎn)按鍵彈簧向更加平穩(wěn)（Lee, 1994）；當車輪上下振動時車輛之滾動中心(roll center)的高度變化量較小，使得操控穩(wěn)定性增加（Lee, 1997）。其改良型（Lee, 1995）雖增按鍵彈簧加一短桿，但基本架構(gòu)仍為史帝芬森二型。

（iii）史帝芬森三型

此型懸吊系統(tǒng)（Lee, 1994）之基本按鍵彈簧構(gòu)造有別於史帝芬森一型之處在於：車身與接合臂(connectingarm)為三元桿，上控制臂、下控制臂、轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)與中心臂(center arm)為二元桿，如圖27 所示。此型懸吊系統(tǒng)之優(yōu)點包括：車輪外傾角變化量較小；車輛轉(zhuǎn)向性較佳；引擎室按鍵彈簧空間較大，使維修人員方便拆卸引擎室內(nèi)之零組件；此外，由於車輪之瞬心遠離懸吊系統(tǒng)，因此車輛之滾動中心(roll center)的高度變化不大，提供了較佳之操按鍵彈簧控穩(wěn)定性。

（iv）瓦特二型

此型懸吊系統(tǒng)（Luger, 1991）之基本構(gòu)按鍵彈簧造主要系由兩支三元桿與四支二元桿所構(gòu)成，即一上控制臂與底盤為三元桿而一下控制臂、轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)、壓力桿與控制桿為二元桿所組成，如圖28 所示。按鍵彈簧此型懸吊系統(tǒng)之優(yōu)點在於：因避震器樞接於壓力桿與控制桿的接點上，使得因路面凹凸不平所導致懸吊系統(tǒng)上下跳動之力量，傳遞至避震器時可充分由避按鍵彈簧震器所吸收，以大幅增加避震器之減震功能。

結(jié)論

本研究系將已廣泛搜集與車輛懸吊系統(tǒng)相關(guān)之各種文獻加以分析與歸納，首先將車輛之懸吊系統(tǒng)先區(qū)分為電子式與機械式兩大類，其中機械式又可分為整體式懸吊系統(tǒng)及獨立式懸吊系統(tǒng)，而整體式懸吊系統(tǒng)可分為板片彈簧式、連桿式、扭矩管驅(qū)動式、雙軸式、德迪翁式、扭力梁車軸式按鍵彈簧與多連桿梁式等七種；而獨立式懸吊系統(tǒng)可分雙叉骨式、麥花臣式、擺動軸式、拖曳臂式、後導引式、搖臂式、液體減壓式、多連桿式、雙橫梁式及六連桿式等十種。而上述所述各型懸吊系統(tǒng)中，現(xiàn)今較廣泛被采用，處於車輛懸吊系統(tǒng)的主流地位，首推雙叉骨式、麥花臣式以及多連桿式，但這三型懸吊系統(tǒng)并無法減少外傾角的變化與側(cè)向位移的發(fā)生，因此，有些研究專家企圖以六連桿史帝芬森型以改善上述之缺失，但因受限於連桿機構(gòu)之浮動桿的可動性，仍無法有效將外傾角的變化與側(cè)向位移量改善至最小范圍，唯有六連桿式瓦特一型因其機構(gòu)類型之獨特性，按鍵彈簧而使得連桿機構(gòu)之浮動桿的可動性高，因此能夠完全改善上述之缺失，達到一理想車輛懸吊系統(tǒng)之設(shè)計。