液氣壓懸吊發展及其技術

摘要：車輛懸吊決定了底盤性能和舒適性，隨著科技的進步和人們對行車舒適性要求的提高，懸吊系統也經歷不斷的演進。汽車發展初期所使用的是剛性懸吊，但在不平坦的路面上會產生很大的顛簸，對艙內人員、貨物產生很多負面影響，同時也降低了車輛的耐用性。因此人們開始使用避震懸吊，即在車輪和車身之間加裝金屬、橡膠等材質的彈簧，這種懸吊方式能夠吸收震動，使行駛更加平穩，並讓長途、高速的運輸成為可能。隨著長途運輸、載重量提升等需求，承重量、調整性更高的空氣彈簧懸吊隨之產生，其可以透過空氣壓力來調節懸吊高度和硬度，以配合車輛不同載重、配重時的需求，底盤性能也隨之提升。現在氣壓懸吊系統不斷地發展，已經具備如懸吊高度調整、懸吊軟硬調整、主動防傾等功能。本文將先介紹懸吊系統的目的、數學模型，再進一步介紹空氣彈簧懸吊系統中，一種常被重型車輛常採用之液氣壓懸吊(Hydropneumatic suspension)。
Abstract：Vehicle suspension is an important component that determines chassis performance and comfort. With advances in technology and increasing demand for driving comfort, suspension systems have undergone continuous development and evolution. With the increasing demand for long-distance transportation and heavier loads, air spring suspension with higher load capacity and adjustability has also emerged. Air spring can adjust suspension height and hardness through air pressure to meet the requirements of vehicles with different loads, and improve driving comfort. The development of air suspension systems has now evolved to incorporate various advanced functions, such as suspension height adjustment, suspension hardness adjustment, and active anti-roll, among others. This article will first introduce the purpose and mathematical model of suspension systems, and then further introduce one of the main designs used in heavy-duty vehicles in air spring suspension systems, the hydropneumatic suspension, and its design concepts.

關鍵詞：重型車輛、液氣壓懸吊、空氣彈簧
Keywords：Heavy-duty vehicle, Hydropneumatic suspension, Air spring

前言
懸吊有兩個最主要的目的，其一是將路面、外界的擾動與車身隔離，二是減少輪胎與路面間正向力的變化。
由於路面非如理想中為平面，路面的凸起和凹陷會產生垂直方向的震動，如圖1，懸吊系統的作用就是通過彈簧和避震器等裝置來隔離路面傳遞到車身的震動，降低車身受路面輸入產生的響應，從而提高行車的舒適性和穩定性。

圖1 車輛懸吊系統簡圖

另外當汽車行駛時，輪胎會因為車身(body)姿態的側傾(roll)、俯仰(pitch)、外界擾動如路面、側風等因素使輪胎地面間正向力不斷地變化。這個正向力的變化連帶影響輪胎與路面間摩擦係數的穩定性，因此影響車輛操控安全。懸吊系統可通過彈簧和避震器等裝置減緩輪胎與路面接觸壓力的變化，從而提高車輛的行駛穩定性和操控性。
而現代車輛的懸吊系統中便是使用機構、彈簧、阻尼器以及輪胎等零組件互相配合來滿足這兩大設計需求。
懸吊系統簡化模型
在車輛工程中，傳遞率(Transmissibility Ratio)是用來衡量車輛懸吊系統的振動隔離能力的一個重要參數，在初步設計階段一般以簡化的四分之一車模型進行計算。
圖2是將整車簡化的四分之一車模型以及其傳遞率，模型由兩個質量和兩個彈簧阻尼系統。分別為簧上、簧下質量，彈簧阻尼系統則分別代表懸吊避震與輪胎。

圖2 路面輸入-車身響應傳遞率

傳遞率表示輸入振動與輸出振動之間的比例關係，通常橫軸使用輸入頻率表示。傳遞率越小，表示車輛的懸吊系統越能夠隔離輸入振動，提高車輛的舒適性和穩定性。因此傳遞率大於1表示車身響應大於路面輸入。小於1則較輸入小，代表懸吊能減緩路面的顛簸，因此可以用來評估懸吊系統的性能，並作為改進設計的參考依據。
另外從圖中可以看到傳遞率在輸入頻率1 Hz、10 Hz附近有兩個峰值，這兩個頻率是車輛懸吊系統的兩個共振頻率，兩個頻率值則受彈簧與輪胎剛性以及簧上、簧下質量決定。
圖3則是路面輸入與輪胎形變間的傳遞率，理論與圖2相同，但是將輸出改為輪胎形變。輪胎形變同時與輪胎與地面間正向力相關，因此當傳遞率越高表示正向力受路面輸入的影響越大，導致輪胎與路面間摩擦係數不穩定，而從圖上可以看到同樣有兩個共振頻率。

圖3 路面輸入-輪胎形變傳遞率

通常車輛設計初期，簧上、簧下質量以及輪胎便已經被決定。這個情況下，只剩下懸吊彈簧較能依需求改變剛性來調整懸吊系統共振頻率，因此彈簧為決定懸吊系統特性的重要元件。