【國王學苑】探索底盤絕對領域─《Audi S6》

2017-12-10 15:00:59

圖片來源：King Autos

自 【國王學苑】探索底盤絕對領域專題啟動至今，僅有《Volvo S90》一車在前懸吊採用「Double-Wishbone雙A臂」的懸吊設計。這是由於在「MacPherson Strut麥花臣」懸吊系統結構簡單以及成本低廉的優勢之下，現在市場上多半只有高階車款或者尺寸較大的車款會使用體積較大且成本較高的雙A臂懸吊系統。但是，前懸吊系統的設計是否僅有雙A臂和麥花臣可選？其實不然。在底盤工程不斷發展之下，有越來越多的工程師在這兩種傳統懸吊結構當中尋求更多的彈性以及變化，這次專題主角《Audi S6》就是相當好的例子。Audi在底盤懸吊設計方面一直有著相當深厚的功力，但是究竟這些設計背後的原理為何？就讓這一章的「探索底盤絕對領域」來解答。

前懸吊

圖片來源：Audi

「Double-Wishbone雙A臂」這種懸吊結構在一般車迷的心目中一直都是為操控而生的設計，的確，雙A臂結構在懸吊動態幾何的表現確實有著難以取代的優勢。但是其較複雜的結構也使得雙A臂必須要擁有足夠的空間才能夠達到最佳化的設定，隨著新世代車款配置了越來越大的輪圈、越來越寬的輪胎，懸吊系統的空間也逐漸被壓縮，迫使各車廠的底盤工程師必須尋求更有彈性的設計來達成最好的操控表現。

在Audi的官方資料當中，S6的前懸吊形式為「五連桿」，而其實這種懸吊結構即是由雙A臂變化而來的多連桿懸吊結構。所謂五連桿是由兩支上臂、兩支下臂以及方向機連桿總共五支連桿組成的懸吊系統，而從下圖能夠看到兩支上臂黃色延伸線的交點形成了如同雙A臂結構的上A臂，兩支下臂也為同樣原理。

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不過Audi為何將傳統雙A臂拆解為更加複雜的五連桿？在說明之前必須請讀者前往 Volvo S90專題前懸吊的段落重新複習「SAI轉向軸心傾角」與「Scrub Radius」的定義。

由於新世代性能車款使用了尺寸越來越大的胎圈，在有限的懸吊空間當中，假使採取傳統雙A臂的配置，懸吊幾何將無法達成最佳化設定，最明顯的部分即使「SAI轉向軸心傾角」與「Scrub Radius」對操控造成的影響。藉由將上下A臂拆為兩支連桿，上臂兩支連桿的交點與下臂兩支連桿的交點將會形成新的SAI角度，連帶縮小Scrub Radius的距離 (如下圖黃線所示)。假使Audi維持傳統雙A臂的設計，在空間限制之下，即使設定出良好的SAI角度，Scrub Radius的距離可能就不盡理想，反之亦然。

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由於S6標配了主動式氣壓懸吊系統，因此在綠色箭頭處可以看見避震器的部分以氣壓機構取代了彈簧。為了輕量化，Audi將懸吊連桿全部以鍛造鋁合金製成，而下支臂(紅色箭頭)彎曲的形狀則是為了避免在轉向時與輪胎相互干涉。另外，將下支臂拆解後也讓這兩支連桿能夠分別處理側向與縱向的受力，藍色箭頭所指的下支臂負責支撐側向受力，而紅色箭頭所指的C形下支臂則主要承受縱向受力。這讓Audi得以更有彈性的設定懸吊做動的特性來調整車輛的操控表現。

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在下圖中，可以看到白色箭頭所指的防傾桿，尺寸為28mm，連接防傾桿與避震器的防傾桿連桿(黃色箭頭)則也是使用鋁合金材質，而雖然照片中看不到，S6就連前軸的副車架也是以鋁合金打造，可見Audi在底盤輕量化的部分著實下了不少功夫。

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後懸吊

圖片來源：Audi

看到後軸的部分，Audi稱其後懸吊結構為梯型多連桿。為何是梯形？從由下往上的視角可以看見在這個看似有些複雜的結構當中，有著一支梯形的下支臂(以黃線示意)。

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從另一個角度觀察，可以看到其實S6的後羊角和彈簧托盤(這裡為綠色箭頭所指的氣壓機構而非彈簧)為一體成形的設計，梯形下支臂則以兩個支點固定於整個羊角結構當中。這支梯形連桿能夠提供絕佳的支撐性來承受側向與縱向受力，而根據Audi原廠資料，梯形下支臂是以鋁合金鑄造而成，採中空設計進一步的減輕重量；一體成形的彈簧托盤羊角結構同樣採用鋁合金鑄造而成。

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下圖的角度為由後往前的視角，能夠看到彎曲的上支臂(藍色箭頭)。這支上支臂以鋁合金鍛造而成，具有高強度以及輕量化的特性，主要作用是讓懸吊在上下運動時能夠產生Camber變化，維持輪胎過彎時的貼地性。另外還能夠看到黃色箭頭所指的防傾桿連桿(直徑21mm)，這支短短的連桿將防傾桿與梯形下支臂(綠色箭頭)連結，在過彎時與懸吊連動為車輛提供額外的支撐力來減少側傾現象。

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視角再轉至後懸吊結構的前方，可以看到取代彈簧的氣壓機構以及負責調整Toe角度的Toe連桿(紅色箭頭)，這支連桿也是後懸吊結構當中唯一一支沒有使用鋁合金製作的連桿。

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Audi開發出這套梯形多連桿懸吊是為了提供其轎車車型更加優異的後軸穩定性與操控表現，彈簧與阻尼桶身分離的設計也能夠進一步的減少懸吊系統壓縮行李箱空間。不過最主要的原因是，唯有在這樣的結構設計之下，Audi才得以同時達成輕量化、體積小以及操控最佳化的目標。而由於休旅車款的底盤空間較大，因此在Audi Q7車系上就能夠看見較為傳統的前、後雙A臂設計。

底盤測試儀

圖片來源：King Autos

Audi S6標配了「跑車化主動式氣壓懸吊系統」，可以藉由車內多媒體整合系統在「舒適」、「自動」以及「動態」三種模式之間切換。這套主動式懸吊系統除了能夠以氣壓調整車高維持舒適度之外，也能夠改變阻尼係數來達到更進階的車輛動態控制。但或許是這套主動式懸吊系統過於敏感，導致在執行底盤測試的時候只有「動態」模式得出正常數據，其他兩個模式則疑似電腦不斷介入改變阻尼而使得儀器難以判讀到正常的數據。

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從動態模式的底盤測試曲線圖來看，可以發現無論前後避震的圖形在低頻率震動(左側)時都有著較為和緩平直的曲線，直到震動頻率較高(右側)的時候圖形才開始出現較明顯的V型曲線。可以解讀出在低頻震動(路面起伏等狀況)之下，避震器維持了輪胎的接地壓力，而在高頻震動(爛路、坑洞等情況)時避震器則會吸收掉較多的路面衝擊以維持良好的行駛品質。

▼前軸底盤測試儀曲線

圖片來源：King Autos

▼後軸底盤測試儀曲線

圖片來源：King Autos

懸吊動態測試

圖片來源：King Autos

在懸吊動態測試項目當中，車輛前輪將會置於一塊能夠進行前後、左右以及對角線方向運動的平台上。藉由平台的移動可以模擬懸吊結構在承受縱向、側向以及綜合受力時產生的變化，以觀察懸吊動態時的穩定性。

根據Audi原廠資料，原廠在設計S6前軸的這套五連桿懸吊系統時，特意將下圖紅色箭頭所指的襯套使用較硬的材質，讓懸吊能夠對於側向受力有著優異的支撐性；而綠色箭頭所指的襯套則使用較軟的材質，在車輛受到路面衝擊等縱向受力時能夠擁有較為舒適平順的行路質感。

圖片來源：King Autos

從下方懸吊動態測試的影片能夠呈現原廠這個做法的實際成效，雖然下支臂內部的支點被下護板給遮蔽，但是在一開始縱向受力模擬的時候仍然能夠發現整組下支臂在受力之下產生前後擺動的現象；轉換為側向受力模擬的時候則僅有輪胎的形變，證實了下支臂的確有著相當良好的側向力支撐性，而Audi也表示他們正是利用此方法讓S6同時擁有舒適卻又運動化的操控感受。

影片來源：King Autos

定位角度

圖片來源：King Autos

在進行S6定位角度測量時，首先調出了這款車的原廠定位角度規範數值。因此在下圖當中可以看見右方紅框區塊為原廠定位角度的標準值，而左方則是現場實際測量的定位角度。從測量結果可以發現無論是前軸或者後軸的Toe角度都有過度Toe in的現象，前軸部分原廠標準的總Toe為+0.33±0.23度，但是這輛S6竟然有著+0.73的總Toe，而左、右輪的獨立Toe角度也都超出了原廠範圍。

圖片來源：King Autos

為什麼一輛原廠車會有著如此過度Toe in的原因不得而知，不過這裡可以說明一下過度Toe in對於車輛造成的影響。首先，Toe in對於車輛直行的穩定性有所幫助，但是過度Toe in非但不必要，還會加速輪胎耗損。操控方面，Toe in有助於動態的安定性，但是在這麼大角度的Toe in之下，轉向反應會較差，過彎時也會傾向轉向不足。簡單來說，會造成車輛跑直線很穩定，但是過彎時笨笨的。

但是撇開Toe的數值，S6所測得的Caster角度大約5度左右，雖然這樣的角度不算小，但是相對於現在許多新世代車款的懸吊設計來說，依然算是較為保守的設定。也因此，可以看到S6前軸會有著較大的靜態Camber數值來輔助較小的動態Camber變化，即使是原廠的前後Camber標準值也達到了-1.33度。

在完成了所有的測試與測量項目以後，不得不讚賞Audi工程師在底盤結構設計方面的努力。然而，在掀開引擎蓋之後卻對於整顆置於前軸之前的V8雙渦輪引擎頗有微詞。雖然將引擎位置推前能夠營造出更寬敞的車室空間，但是重心前移卻也削弱了這副優秀底盤應有的操控能耐，也難怪Audi車系除了R8這款超級跑車之外，都普遍有著轉向不足的「先天特性」，若是能夠將引擎位置後推一些，相信這輛S6應該會擁有更棒的操控表現。

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