【國王學苑】麥花臣結構大不同─《Prius / 1 Series / Civic Type R》前懸吊比較

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【國王學苑】麥花臣結構大不同─《Prius / 1 Series / Civic Type R》前懸吊比較

麥花臣懸吊(MacPherson strut)可以說是目前汽車工業當中最常使用的懸吊結構,由於結構簡單、佔據的底盤空間較小,而被普遍的使用在前懸吊系統當中。從經濟平價的掀背小車到《Porsche》著名的《911》車款身上,都可以看見麥花臣懸吊的應用。而為了不同車款的用途並且賦予車輛不同的操控特性,各車廠也有著不盡相同的麥花臣懸吊結構。本篇【國王學苑】就以《Toyota Prius》《BMW 1 Series》以及《Honda Civic Type R》三款不同品牌、不同特性的車款來深入的探討各自的麥花臣懸吊究竟有何不同之處。

Toyota Prius-單接頭彈簧柱麥花臣結構

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第一個登場的是Toyota Prius的麥花臣懸吊。這款車所使用的麥花臣結構是最基礎、最普遍也最簡單的麥花臣懸吊設計,而這種麥花臣結構在過去的BMW車款上被稱為單接頭彈簧柱(Single-joint Spring Strut)。基本上,麥花臣懸吊的組成非常單純,由一支避震器連接車體和轉向節(俗稱羊角),加上一支連接轉向節與車體的下支臂來控制懸吊幾何的變化,然後再加上一支方向機連桿控制前輪轉向。在非常少數的車款上,會將麥花臣做為後懸吊,這個時候方向機連桿則會被Toe連桿取代。

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▲麥花臣多半配置於前懸吊,因此結構當中都會有方向機連桿(紫色箭頭),若將麥花臣置於後軸,則會以Toe連桿取代。

從下圖中Prius的懸吊就可以看見,一支連接著車身和轉向節的避震器(紅色箭頭)、一支接近L型的下支臂(黃色箭頭)以及一支由方向機延伸而出的方向機連桿。由於是前驅車款,因此也可以看到懸吊結構內有著一支傳動軸(綠色箭頭)。這種麥花臣的下支臂以一個單一支點連接著轉向節(藍色箭頭所指處),所以才會有單接頭彈簧柱的別稱,至於「彈簧柱」指的就是彈簧與阻尼筒一體的避震器。

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以麥花臣懸吊的運作來看,連接著轉向節與車體的避震器負責懸吊系統上下做動,吸收路面起伏與震動。L型的下支臂一共有3個支點(下圖三個紅色箭頭處),1個支點連接轉向節,2個支點連接車體。許多麥花臣懸吊的下支臂都會類似這種L型的形狀,這是因為綠色虛擬線連接的兩個支點可以承受車輛過彎時的側向力,而黃色虛擬線連接的兩個支點則能夠承受加速與煞車的縱向力,是一個簡單卻又相當有效的幾何形狀。

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▲多數麥花臣懸吊都會使用L型的下支臂。

這種麥花臣結構因為結構簡單,所以在製造成本以及維修保養上有著許多優勢。但是也因為結構簡單,其懸吊的動態變化也較少,所以在懸吊幾何的設定上有著較多限制。

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▲單接頭彈簧柱麥花臣懸吊是最普遍的一種麥花臣結構。

BMW 1 Series-雙接頭彈簧柱麥花臣結構

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前面提到了BMW將最基本的麥花臣懸吊稱為單接頭彈簧柱,不過最早自E23 7 Series以及E24 6 Series兩個車型的時候,BMW就開始使用另一種他們稱為雙接頭彈簧柱(Double-pivot Spring Strut)的麥花臣結構,之後則逐步導入至3 Series、5 Series以及1 Series車系之上。

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▲E39車系的前懸吊仰視圖。

這次我們要看到的就是世代較新的F20 1 Series,同樣採用了雙接頭彈簧柱麥花臣結構。和單接頭彈簧柱最大的不同是,這種麥花臣結構把L型的下支臂改為兩支獨立的連桿,並且各自連接在轉向節上,使得轉向節端有兩個固定下支臂的支點(下圖兩個紅色箭頭所指),因此才會被稱為「雙接頭」彈簧柱。

雙接頭彈簧柱的基本運作原理和單接頭彈簧柱相同,雖然下支臂拆為兩支連桿,但是仍然不脫離一樣的原則,由藍色箭頭所指的控制臂連桿負責承受側向力道,黃色箭頭指的張力連桿(Tension Rod)則負責支撐縱向力道。

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▲雙接頭彈簧柱因為兩支下支臂透過兩個支點和轉向節連接而得名。

而在說明雙接頭彈簧柱的特點之前,我們要先來了解麥花臣結構的轉向軸心傾角(Steering Axis Inclination),簡稱SAI。以單接頭的麥花臣來說,SAI就是由避震器上座軸承和下支臂轉向節支點連接而成的虛擬軸心線(例如下圖紅色虛擬線)。這條軸心線持續向下延伸至輪胎接地面的交點和輪胎中心線(下圖綠色虛擬線)與接地面的交點之間的距離則稱為Scrub Radius(下圖藍色箭頭所指處)。由於Scrub Radius越大,輪胎在受力時的力矩就越大,使得車輪更容易在煞車、加速時產生Toe的變化,因此一般來說,車廠大多都傾向盡可能的縮小Scrub Radius。註:下方圖示雖為雙A臂(或多連桿)轉向節,但是SAI和Scrub Radius的原理概念和麥花臣懸吊相同。

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▲不同胎圈寬度對Scrub Radius產生的改變。

隨著新車款的胎圈尺寸越來越寬,單接頭彈簧柱的下支臂支點較難深入胎圈之內,因此SAI傾角也會較小,導致Scrub Radius增加。雙接頭彈簧柱正是為了解決這個問題而生,這種結構的兩支下支臂會如同下圖黃色虛擬線以及藍色虛擬線延伸,形成一個更深入輪胎內側的虛擬下支點(紅色箭頭所指),如此一來就解決了大尺寸胎圈造成Scrub Radius增加的問題。

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▲雙接頭彈簧柱的兩支下支臂各自的支點能夠延伸形成一個新的虛擬支點,將轉向軸心的支點往內推,縮短Scrub Radius。

Honda Civic Type R-雙軸心麥花臣結構

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除了上述的單接頭、雙接頭彈簧柱之外,對應渦輪化高輸出大扭力的前驅車之下,身為日系前驅性能掀背翹楚的Honda也發展出了一種特別的麥花臣結構,稱為雙軸心麥花臣懸吊(Dual Axis Strut Suspension)並且自FK2開始應用於Civic Type R當中。許多車迷都知道,前驅車在動力輸出達到一個程度之後,就會很容易在加速時產生「扭力轉向」的問題。造成扭力轉向的原因一方面是許多前驅車都有不等長的左右傳動軸設計,另一方面則是和懸吊幾何有關係。

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▲Honda Civic Type R所使用的雙軸心麥花臣懸吊。

為了解決這個懸吊幾何的問題,Honda開發了這種雙軸心的麥花臣結構,現在我們就來了解一下這種懸吊結構怎麼讓Type R在前驅性能車的領域當中立下不敗之地。

首先,Honda在開發Type R前懸吊時同樣遭遇到了SAI的問題,但是和前面提到狀況不同,而是SAI軸心線和輪圈中心點的距離過遠。同樣,這個距離的增加也代表著更長的力矩,使得傳動軸在輸出動力時更容易影響、拉扯車輪,造成扭力轉向或者是較不穩定的轉向反應。

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▲左圖為傳統麥花臣懸吊,其轉向軸心線與輪圈中心點的距離(紅線處)較遠;右圖的雙軸心麥花臣則距離較近。

為了拉近輪圈中心點與SAI軸心線的距離,Honda設計了一個帶有獨立轉向支點(紫色箭頭)的避震器支架和轉向節連接,形成一個新的轉向軸心(紅色虛擬線),而下支臂則連接著這個避震器支架,不再做為前輪轉軸的支點。這個新的轉向軸心因為更加靠近輪圈中心點,縮短了力矩,因此大幅減少了扭力轉向的問題,讓Type R縱使擁有超過300匹馬力,仍然有著相當穩定的轉向精準性。

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▲兩個紫色箭頭所指的轉向支點形成了紅色轉向軸心線,如果是傳統的麥花臣結構,轉向軸心線則會大約落在黃色虛擬線的位置。

當然,多了這個特殊設計的避震器支架使得結構更複雜,也造成了成本的上升,這就是為什麼這種雙軸心的麥花臣結構並沒有普及在其他車系之上的主要原因。但是也讓人不得不佩服這些汽車工程師為了解決車輛操控問題所想出的各種設計方案,發展至今也讓市場上的車款擁有越來越優異及均衡的操控表現。在詳讀完這篇文章之後,千萬不要再認為所有的麥花臣懸吊都是成本考量之下的「便宜貨」啦。

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▲一般麥花臣會以黃色箭頭所指的下支臂支點做為轉向支點,但是在Type R的懸吊當中,被紫色箭頭所指的新支點取代。

圖片來源:King Autos / BMW / Honda / Hofmann

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  • 血尿工程濕-山道

  • 定位小廚濕-洪小小

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共2則回應
好了啦超大盃
2021-11-15 15:32:14

🧐

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訪客
2021-11-14 19:07:23

BMW的雙球頭設定於下連桿,Benz&Audi則設定於上連桿 ... 如此方式設計主要是想改變 轉向時的阿克曼原理, 轉向時的 camber, Toe out on turn +車身傾斜角度 求出最佳的輪胎對地面的抓地力. 請參考. 宗興儀器.

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