乘用車多連桿懸掛的研究與發展

秦雷

0引言

汽車行駛的平順性和操縱穩定性是衡量懸掛性能好壞的主要指標。目前汽車消費者已逐漸將汽車行駛的平順性和操縱穩定性指標作為選擇汽車的一個重要參考因素，汽車行駛的平順性和操縱穩定性技術已從不同角度越來越多地影響人們的生產和生活。

現今的車輛懸掛應具有良好的乘坐舒適性，懸掛的動態變形小的特性，對任何輸入的響應都很快的特性。新世紀以來，乘坐舒適性要求近乎苛求，同時又要求操控穩定底盤性能，多連桿懸掛便應時而生。多連桿懸掛可以達到其他懸掛方式所達不到的性能要求，即便其結構復雜，零件精度高，制造成本增加，由于其綜合性能上的優異表現，目前在所有懸掛中占據主流。

1多連桿懸掛結構介紹

多連桿懸掛通常是由五根連桿及一減振器組成，即兩根上控制臂、兩根下控制臂，再加上一轉向桿及一減振系統，而懸掛一側以球接頭與車身連接，另一側以球接頭與轉向節臂(knuckle)相連，而彈簧減振器也使用球接頭連接與下控制臂與車身之間，轉向節臂則通過一旋轉接頭與輪胎相連，故轉向節臂與輪胎之間僅允許相對的旋轉運動，為了方便分析，將轉向桿視為地桿，由于此型之多連桿懸掛是由雙橫臂式懸掛衍生而來，且因各有兩根上控制臂及兩根下控制臂，所以形成一虛擬的主銷中心線，此主銷中心線為一瞬間的旋轉軸，隨著懸掛的位置而變化。傳統懸掛因受主銷中心線的限制，導致若干設計參數受到了影響，而多連桿懸掛則擁有一瞬間的主銷中心線，突破這層障礙。轉向節臂在三維空間上的位移被控制臂與轉向桿所限制，當汽車行駛時，外力由輪胎傳至懸掛，一部分由彈性接頭吸收，而另一部分則由減振器來吸收，此懸掛有一個自由度，因此此機構唯一獨立輸入變數來自減振器，且機構的位置由減振器的長短唯一決定。

一般研究多連桿懸掛虛擬主銷中心線分析，有三種方法。其一是簡單圖解幾何運算，此方法雖簡單，但準確度低，并受限制，無法精確地分析多連桿懸掛的運動。其二是利用Finite center analysisby curve fitting，定位輪胎上下接觸面，并分別求得位移曲線，再利用線性 (curve fitting)求出圓心，連接兩圓心即求得理論主銷中心線，此種方法雖比前種準確，但誤差仍較大。其三是使用瞬時螺旋軸定理，利用這種方法來求主銷中心線時，一次只可求出一個位置，而懸掛的運動復雜，包含輪胎的上下跳動及轉向等，若要將懸掛所有位置都求出，那將會是一個非常耗時且耗力的工作。

經過各種文獻的廣泛收集，并且加以分析整理，發現各類型的多連桿懸掛有以下諸多優點：第一，多連桿懸掛由于設計自由度較大，故易于控制外傾角(camber angle)、滾動中心(roll center)及俯仰控制中心(pitching center)等懸掛參數，降低轉向連桿的負荷，減小轉向力，因側風及路面不平造成的車身敏感度下降，并保證輪胎的回復力。第二，輪胎在上下運動時，因懸掛結構的影響，致使車輪側滑量變化輕微，從而輪距變化較小，可以降低輪胎的磨損，減少主銷偏移量(kingpin offset)，使驅動力(driving force)的影響降低。第三，多連桿懸掛由于所需的裝配空間較小，因此可降低汽車底盤并增大發動機艙空間，并可提供較大的后傾角(caster angle)，故可提升轉彎性能。第四，多連桿懸掛由于其結構的關系，可在剎車時產生前束(toe-in)的效果，進而提高剎車的操控性能，提高行車的安全性。多連桿懸掛是目前最為先進的懸掛結構。

多連桿懸掛雖然有上述優點，但有一些缺點也需要注意。第一，此種懸掛為達到其他懸掛方式達不到的性能要求，故其結構較復雜，設計難度高。第二，其零件精度要求較高，維修困難，費用高，相對其他型式懸掛，成本增加很多。第三，多連桿懸掛所使用的接頭為彈性旋轉接頭，若此彈性接頭的剛性低則轉向的精確度會受到影響，若剛性太高又會降低駕乘舒適性。但綜合而言，仍是目前最佳的懸掛，發展極具潛力。

2多連桿懸掛依機構形式分類

多連桿懸掛直到目前為止，并無一明確清楚的定義，故本文經廣泛收集多連桿懸掛文獻，包含論文、學術期刊及專利公報等，參照分類法原則，依機構的形式進行分類，將其分為雙橫臂式衍生的多連桿懸掛、麥弗遜式衍生的多連桿懸掛及特殊構型的多連桿懸掛，并依其懸掛的不同機構類型及特性予以進一步的探討，詳述如下。

2.1雙橫臂式衍生的多連桿懸掛

一般常見的多連桿懸掛，以機構的型式區分可分為上下控制臂分離式、下控制臂分離式及上控制臂分離式三種，這里不作贅述。

2.2麥弗遜式衍生的多連桿懸掛

此型懸掛是由麥弗遜式懸掛衍生而來。麥弗遜式懸掛 (MacPherson strut suspension)又稱支柱式懸掛，常用于小客車的前懸掛上，支柱上端利用橡膠件把持在車身上，支柱下端與轉向節相連，減振器為圓柱型，安裝在支柱部位。此新型的懸掛于1977年首先由德國的寶馬汽車公司(BMW)研發完成，雖然其機構較簡單，但是已為多連桿懸掛的發展揭開了序幕，此懸掛構造簡單，占用的空間較小，但是當路面較顛簸時，車輛容易跑偏，且若汽車靜止不動或速度較慢時，所需的轉向力也較大。為了彌補不足，麥弗遜式衍生的多連桿懸掛便應運而生，最初結構設計時，為了最佳后傾角，并彌補麥弗遜式懸架系統的不足，改以雙下控制臂代替原來的單下控制臂。此種機構的兩端分別與車身及轉向節臂相接，且雙下控制臂與轉向節臂相接的位置必須要上下對齊排列，此構型的懸掛除了可得到最佳后傾角外，亦可避免當汽車靜止不動或速度較慢時，轉向力較大的問題。此新型的懸架系統于1977年首先由德國的寶馬汽車公司(BMW)研發完成，雖然其機構較簡單，但是已為多連桿懸架系統的發展揭開了序幕。

2.3特殊結構多連桿懸掛

根據不同車輛的一些特殊用途，也產生多種特殊構型的多連桿懸掛。

3多連桿懸掛依年代區分

多連桿懸掛的發展已有二十多年的歷史了，早在1977年，德國的寶馬汽車(BMW)就已開始使用麥弗遜式多連桿懸掛，只是當時并無此名稱，一直到1983 年奔馳系列車(Mercedes Benz)首先將多連桿懸掛這個概念應用于W201 車型上，并大大地改善了懸掛的性能，因此多連桿懸掛這個名詞才慢慢受到矚目。自1988 年起，許多學者開始多方面研究，范圍包括雙橫臂式衍生的多連桿懸掛、麥弗遜式衍生的多連桿懸掛及特殊構型的多連桿懸掛等各種類型。研究于1991年至1995 年達到頂峰，其后因懸掛的性能提升及設計上的問題等因素，故其發展慢慢著重于上下控制臂分離式多連桿懸掛。

4多連桿懸掛依地區區分

全世界從事車輛多連桿懸掛研究之地區涵蓋歐美亞三大洲，亞洲包含日本、韓國、中國及埃及，其中以日本投入的研究最多，且多集中在雙橫臂式衍生的多連桿懸掛，從事廠商包括日產汽車(Nissan)、馬子達汽車(Mazda)、三菱汽車(Mitsubishi) 、本田汽車(Honda) 、本田汽車(Toyota)等。而韓國方面也投入相當多的研究，從事廠商為現代汽車公司(Hyundai)。歐美各國汽車廠也廣泛針對各類型的多連桿懸掛進行研究，但還是以雙橫臂式衍生的多連桿懸掛為主，包括德國的寶馬汽車公司(Bayerische Motoren WerkeGmbH)、奔馳汽車(Mercedes Benz)、Holland NewayInternational, Inc. 與瑞典的富豪汽車(Volvo)等。

5結束語

本文完成車輛多連桿懸掛相關的分類，簡單了解各類型懸掛的演變及其構型。架系統性能提升有許多方法，以結果來說，主動式懸掛可算是性能最好的懸掛，但因其能量消耗過大、成本費用高、占用空間大、元件重量重等問題，使主動式懸掛較不具商業價值，而多連桿懸掛則不需要額外的能量消耗，并可兼顧各種懸掛參數，從而達到其他懸掛方式所達不到的性能要求，因此多連桿懸掛將成為未來汽車懸掛發展的主流。由所收集之文獻可以看出，本文所述的懸掛主要以雙橫臂式衍生的多連桿懸掛為主，其中又以上下控制臂分離式多連桿懸掛為發展趨勢，由于此懸掛的虛擬主銷中心線設計自由度還比其他兩者大，因此最具發展潛力。

參考文獻：

[1]J. Knapczyk; S. Dzierzek “ Displacement andForce Analysis of Five-Rod Suspension WithFlexible Joint, ” Trans. ASME, J. Mech. Des.,1995, 117, P532-538.

[2]A Kouichi Ushio, “New Multi-link Suspension,”Proceedings of 6th International Pacific conferenceonAutomotive Engineering, 1991, P975-985.

[3]張啟先.空間機構的分析與綜合[M].機械工業出版社, 1984.

[4]孫桓，陳作模.機械原理[M].高等教育出版社, 1996.（02）

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