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让汽车变魔毯? 浅谈电子避震器发展

发表于2020-08-06

用什幺来比喻世界上最理想的避震器?答案是魔毯!因为避震器的最高境界,贴切的形容是让轮胎均匀地贴在地面上,并在任何时候、路况、状态均是如此。

坦白说,这是难以到达的境界,难处在于一部车只有一套避震器、只有一种设定、只能对付一种路况,想要因应生活中各式状况、不同驾驶者的需求,岂不是要好几套避震器才够用?没错,电子避震器正是针对这个想法而衍生的设计,且日渐普及、步入纯熟,人人都能像阿拉丁一样享用魔毯。

对大众而言,电子避震器是近几年才普及的名词,然而资深的赛车迷对此肯定不陌生。因为90年代的F1赛车便允许採用自动调整的悬吊系统,车辆可因应路况做出最适化的阻尼设定,当FIA在1994年取消电子避震器之后,F1才全面改用传统的机械式避震器。

当时FIA禁止F1车队使用电子避震器的原因,是为了降低参赛成本,避免大小车队之间的差距,好让比赛出现激烈的竞争局面。这恰好与市售汽车的走向相反,90年代中期量产车开始出现电子避震器的配备,刚开始仅止于顶尖的超跑,例如Ferrari F50。

但不是每个人都买得起F50,多数人根本无法体会电子避震器的奥妙,也因代价昂贵,使其直到上个世纪末才逐渐融入大众生活,这也是最晚平民化的电子配备。

从市售车的演变来看,电子避震器是从高价车款逐渐往下延伸,最着名的是M.Benz的Airmatic、BMW 7系列的EDC-C及Porsche的PASM系统。至于平价的市售车款也在这几年步入电子化,像是Opel Astra的IDS+,甚至国产房车也导入了这项配备,这证实了电子避震器的成本大幅降低,功能的突破亦是日新月异。

先认识避震器原理
再谈电子系统作动

顾名思义,避震器就是避免震动的零件,它可消弭路面传来的跳动,让车身维持平稳。

市面上的避震器是由减震筒与弹簧组合而成,两者各自负责不同的功能,减震筒的作用力单纯分成伸张、压缩两种方向,内部设有阻尼机构可抵销伸张或是压缩的力量。简单来说,当悬吊压缩的时候减震筒抵抗下压力,而升起伸张的当下,减震筒又产生抵抗舒张的力量,这抵抗的能力,便可视为阻尼的大小。

避震器可概分为减震筒与弹簧两大部分,各自负责维持车身稳定的功能。

弹簧的功能不难理解,它只能产生单方向的力量,当悬吊需要上升的时刻,弹簧负责的是伸展功能,让车辆恢复原来的高度;反之,当处于压缩状态下,弹簧则是抗拒下压,避免避震器发生触底的状况。

减震筒与弹簧是否搭配得宜,意味着行驶时车身是否平稳。我们时常以过软、偏硬来形容避震器,这是因为车身运作的频率让驾驶者感到过弯的信心不足或是乘坐的不适。

然而一套避震器只能有一种适用範围,想要增加就要藉由电子技术控制阻尼及弹簧的变化。在介绍电子避震器的型式与原理之前,我们先让各位简单了解电子悬吊的设定方式。

高级房车是最早採用电子避震器的领域,图为Audi A8电子避震器的透视图。

阻尼係数两大派别
阀门可调&电磁控制

阻尼係数等于是减震筒抗拒相对方向力量的程度,简单来说,阻尼係数愈高者,减震筒的动作速度愈慢,愈能吸收高速、剧烈驾驶状态时的能量,阻尼强弱则与内部液压状态有关,那幺一套阻尼可调整的避震器的原理如何?

一般是从两个地方着手:第一、将减震筒内的阀门设计成为可以转动的型式,改变内部阀门的孔径尺寸,孔径愈大,内部液压油的流动速度愈快,阻尼就降低;反之,阻尼就愈强。

第二、改变液压油的黏度,当液压油的黏度愈高,流动速度愈慢,阻尼也就愈强。那要如何在车内改变液压油的黏度?目前的做法是在液压油内加入磁性成分,利用电流改变磁性吸附的原理,因而做出不同的液压油黏度变化。

关于市售车方面,减震筒内建阀门调整机构的设计运用的时间最早、也最为广泛,上有高单价的BMW、下至国产Mitsubishi Grunder,甚至连改装品牌(如日系Tein EDFC系列)都是採用这种作动原理的避震系统。

电磁式避震器让人印象深刻的是Cadillac MRC(Magnetic Ride Control),由于是运用电流控制液压油的流动黏度,改变阻尼的时间可以快到1/1000秒,即使身处高速状态也能迅速调整阻尼的软硬,这是目前作动速度最快的电子避震器。

电子避震器的长相其实与一般避震器差异不多,只是多一根装在塔顶上的控制线路。

 

电子避震器目前仍以减震筒内的阀门可变设计为大宗,M.Benz更辅以气压弹簧造就Airmatic声名远播。

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降低车高不只是好看
目的是均衡四轮配重

多数人对于车身高度的看法只在于视觉,总觉得车身降得不够低、看起来不够杀,这当然是错误的观念,正确来说,调整车身高度的主要用意是营造理想的四轮配重、增进操控。由于每种车款的引擎位置、驱动方式不同,藉由车高调整可以改变先天车头或是车尾配重不均的问题。

一般的调整方式是尽量缩小前后车身的配重差距,但这只是静态配重,动态配重可就複杂了。比方说,上坡时的车头荷重减轻,前轮抓地力不足,也就造成了转向不足(推头);下坡时,前轮的荷重偏高,后轮却是空空如也,假如能让四轮配重长时间维持在均衡状态,操控也就更加稳当。

目前电子避震器的车高调整作用,升高车身高度多半是为了增加进入恶劣环境的,像是Land Rover的EAS强调越野功能的SUV所採用。房车或是跑车亦有相关功能,作用在于降低高速行驶时的底盘上扬力,当然,这还可降低进出停车场时磨擦底盘的风险。

悬吊电子化的首要优点,是让汽车迅速适应各种环境,M.Benz的Airmatic电子气压避震器发展纯熟,确保不同路况的功能性。

弹簧磅数难行车调整
气压/液压最佳选择

弹簧在静态的作用是维持车高,动态则是抗拒侧倾、维持车身平稳。如何设定弹簧?

简单来说就是更换不同磅数的弹簧,然而装在车上的避震器只有一套弹簧,在无法当场拆装的前提之下,如何在行车状态中改变弹簧的磅数?由于绝大多数的弹簧採用金属材质,这种弹簧并无法在行车时变更磅数。

不过,我们可以在避震器上装置气垫式气压筒,运用高压的力量达成维持车身高度、抗拒侧倾的功效,这不也是另一种型式的弹簧吗?既然是压力大小的游戏,只要利用高压泵浦就可以调整气压或液压,也就能随时在车上调整弹簧的磅数。

这种以气压/液压取代金属弹簧的市售车,运用最纯熟、最具知名度者非M.Benz的Airmatic莫属,主要是採用在高级房车E-Class与S-Class 之上,对于乘坐舒适性极有帮助。

至于电子式液压避震系统,仍要推举M.Benz的ABC(Active Body Control),由于液体具有不可压缩的物理特性,透过高压泵浦将液压油强制送到弯外端,如此不只具有卓越的降低侧倾功效,又能保持高度的舒适,这也是造价不菲的配备。

在液压油内加入磁性成分,再利用电流改变磁性吸附的原理发展出的电磁避震器,因造价高昂大多运用在跑车等级。

所有资讯透过整合
最终完成各个动作

了解电子避震器的机械原理之后,最后要谈的是车身动态系统的整合,这是最複杂、却也是说明文字最简短的部分。简言之,之所以成为「电子」系统,就是融入了电子侦测、电脑判断的过程,与动态控制系统相同,要如何取决哪个角落避震器的阻尼软硬、车身高低,需要透过车内的感测系统,像是行车速度、加速G力、转向舵角、油门、煞车…等行车资讯,将这些讯息送至电脑进行判断,再驱动避震器的作动。

电子避震器亦有车高调整功能,大多运用在SUV越野时,Land Rover EAS系统即为代表。

 

电子避震器必须与电脑、感应器、线路一一整合,与动态控制系统有异曲同工之妙。

这一连串的过程与ESP动态控制系统如出一辙,均隶属于汽车网路的整合範围内。至于在哪个时候要让避震器变软还是硬?该高或是低?我们不再进一步说明,这是车厂工程师的专业所在,也就是所谓的调校。透过调校,才得以呈现属于每个车厂的自我精神。

随着跑车的马力巨幅成长,愈显电子避震器的重要性。

 

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