原文：http://www.tonyfoale.com/Articles/Springs/Springs.htm 里的Springs跟Damping ============================================================================== 悬吊有两个主要的功能，第一个就是将骑士跟车上的机械与路面弹跳隔开来，来确保 骑士的舒适和机械可靠性和寿命。第二就是将轮胎稳稳的贴在地面。而悬吊系统里牵涉到 的问题非常多，像弹簧、阻尼、悬吊几何、簧上簧下质量。 [弹簧] 弹簧在平常使用时最重要参数的就是"弹性系数"。这个系数是用来判断弹簧的刚性大 小，而定义就是每伸长或压缩一个单位需要对弹簧多施加多少力，英制单位为lbs/inch。 所以如果一条弹簧是100 lbs/in就表示你"每"拉长或压缩1英寸就需要多施加100磅的力。 而有些弹簧的弹性系数在有效范围内是不变的，我们就称他为线性弹簧，但如果系数会随 着弹簧压缩而上升，就为渐进式弹簧，这种弹簧在机车避震上非常常见。另外要特别注意 的就是弹性系数与负载之间的差别。负载是指弹簧所支撑的重量，但是弹性系数是指你压 缩弹簧需要"额外"施加的重量。 弹簧包含非常多种形式，使用的材料也有许多选择，但是现实的限制让常见的种类变 得只有区区几种而已。而其中最常见的就是钢制螺旋弹簧，有缠绕螺距固定的线性弹簧， 也有可能是缠绕螺距越来越小的渐进式弹簧，这种弹簧内螺距较小的地方会先因压缩而导 致螺距间的空隙消失，因此有效范围剩下较大的螺距，刚性因此上升。另外有时候也会用 钢制的板簧或是扭力杆，不过都因为一些原因而渐渐被取代，仅管扭力杆在某些应用场合 上可以非常节省空间。另外值得一提的就是螺旋弹簧可以看成是绕成螺旋状的扭力杆，但 是却也因此产生扭力杆内不会有的弯曲应力与应力集中，因此在相同负载下，螺旋弹簧会 比扭力杆受到较大的应力，因此需要更粗的线径。 材质上除了钢，另外的选择就是钛了。他有两倍於钢的韧性与钢一半多一点的重量。 理论上，这能让钛制弹簧在同样强度下重量只有钢制的四分之一。不过实际上因为靠近弹 簧两端的线圈需要较密的螺旋来确保安装上的稳定，所以会比理论值还要低，大约二分之 一到三分之一。不过广泛使用钛制弹簧有个严重也是唯一的缺点--太贵了。以至於只有在 赛车这种严苛条件才有机会使用。 不过还要再讨论到气体或空气才能完成我们讨论弹簧材质的议题。空气能够简单提供 渐进式的弹性系数，我们用打脚踏车轮胎的帮浦来解释。首先把出风口挡住，然後压缩他 你会发现我们在压缩一点点时只要施很小的力，但是随着压缩行程增加，你需要施加的力 就越大，而且上升的非常快。气动的原件是由内部压力来支撑负载，而这个压力取决於静 压力与内部容积。这个压力跟内部容积成反比。也就是说如果你把容积压缩成一半，压力 会变成两倍，就能提供两倍的负载量。这个压力与体积的关系被称为波以耳定律，如果你 上课够认真的话一定听过。而其渐进式弹性系数能够提供的范围由元件的压缩比决定。 接着讲讲实际的例子，如果有位骑士认为对他来说软一点的弹簧比较好，那麽他只需 要选择合适的弹簧阻尼避震器让弹簧够软能配合他就好。不过如果这个人想要用气压避震 器可能就会有点麻烦了。他第一个想法一定是先放掉一点空气，不过这时问题也发生了， 因为需要足够压力来支撑车体跟骑士的重量，避震会先被压缩到压力够大为止。然而，这 个新的车高上被压缩後的气压避震器可能会因为压缩比过高而让弹性系数上升太快，而且 还因为避震器压缩而让轴距变短。如果他反过来灌了一些气体提高压力，弹性系数虽然能 调整回来但是又会提升车高。而且如果灌太多会让预载变太大，大到甚至需要骑过坑洞才 能压缩避震器，因此效果不如预期。除了再买一只特性不同的单体之外没什麽能做的了。 有些避震单体能让你小量的调整阻尼油的量，这样你可以调整阻尼器内部空气容积来 改变气压弹簧的弹性系数与渐进曲线。但是如果你再怎麽调都调不到合适的设定，那麽唯 一的选择就是移除安装避震单体座的焊点来调整杠杆力比了，不过潜望式前叉没办法这样 调整，但是通常潜望式前叉不会单单只用空气当作弹簧，所以问题不大。举例来说，我们 把摇臂上的下座从轮轴往车头方向移到摇臂的中央，而车架上的上座补偿性的移到合适的 位置，那麽悬吊系统里面的力比(避震器受力与轮轴受力比率)就变成了两倍。也就是说避 震单体需要承受车体的静荷重只有原来的两倍，因此能反过来让弹性系数提升一倍。改变 力比还会让避震器作动行程改变，如果摇臂摆动幅度相同，力比两倍的那组悬吊里避震器 的行程会只有一半。现在，因为行程变为一半避震单体的刚性变为两倍，让悬吊系统刚性 (wheel rate：让车轮移动单位距离需要施加的力)变成了一半，不过能让弹性系数的上升 曲率保持不变。但是同时车轮的行程范围变成了原本的两倍，可能还需要考虑到是否有空 间容纳的问题。问题还没结束，这样虽然能提升气压避震弹性系数，但是阻尼系数可能会 因此变得太小不够用。 在我的经验中，大部分使用者对零件市场里的气压避震的抱怨在於厂商过度炒作他们 的可调性。虽然只要找到合适的设定後，你就只需改变气体压力来完美的配合不同负载是 很棒的优点。不过前提是还要能提供可调整的阻尼，不过要能配合各种不同负载情况还是 有点困难。另外，不要对你老式的气压避震抱有太高的期待，如果你想要只靠调整气压来 配合你的调教，这是不太可能的。 [阻尼] 避免悬吊系统不受控制的振动非常重要。想像一下，如果你骑过一个大坑洞，然後把 你的悬吊行程全部吃尽了，在那个瞬间所有的能量都被存在弹簧内成为弹性位能。接着弹 簧会想要回复到自然长度(未受力时的长度)，因此把能量释放出来也就是弹簧回弹。如果 没有阻尼作用，这个能量会完全转换成车辆的动能，这会导致弹簧在回到自然长度後，车 身还有个向上的动能(弹簧给的)，接着弹簧变成开始伸长就这样一直来回振动下去，然後 你整条路就像骑着弹簧单高跷一样。所以如果加入阻尼，就能吸收掉全部或部分能量，让 振动消失。而阻尼吸收掉的能量会转换为热能，这也是为什麽越野摩托车赛的避震会有过 热的问题。所以阻尼可以看成能量吸收装置，需要依弹簧与车辆不同来调教。 在介绍油压阻尼之前，要先知道阻尼是由一堆摩擦力所造成而且其性质与我们的需求 背道而驰。首先就是黏擦(黏滞与滑动的中间状态)会很大，所以力一定要大於某个大小才 有办法启动悬吊系统，启动後摩擦力又会降低，不过要吸收能量阻尼器又必须动作才行， 吸收能量的大小又由摩擦大小决定。因此要达到足够的阻尼大小都会产生可观的黏擦，所 以黏擦也是判断避震好坏的一个重要参数。而黏擦大在实际骑乘上就是粗糙的路感而且对 小振动的反应不敏感，对悬吊系统的性能影响很大。 在阻尼器之中，油压阻尼需要启动的力很低，所以在低速(阻尼运动速度)时敏感度较 高，在高速时也能提供高阻尼力。油压避震的黏擦主要是油土封与阻尼棒的支撑衬套所造 成，因此有些制造商为了减低黏擦会采用PTFE(铁氟龙，又可称为聚四氟乙烯)制的油土封 ，PTEF是一种低摩擦材质。 油压阻尼因为内部设计不同而能有非常多样的特性。例如只有单向阻尼、压缩与回弹 有不同大小的阻尼、也能在运动范围内设定无阻尼区等等。早期，单向阻尼也就是只有回 弹阻尼的设计非常普遍，这是由於设计师希望能在骑过凸起时悬吊压缩能有最低的阻力。 让传到簧上质量的力能减到最小，确保骑士的舒适。而回弹时加上阻尼因为对骑士舒适度 的影响较低，所以便让阻尼在回弹时发生，因此这种形式的阻尼会需要双向阻尼大概两倍 的阻尼力，才能吸收相同大小的能量。但是这种方法会产生一些缺点，原因是在骑过单一 路面高凸时虽然会有良好的避震效果，但是在骑连续颠簸路面时会连续快速的压缩避震器 (因为压缩没有阻尼吸收能量)，而回弹又因为强大的阻尼力而非常缓慢，连续下来避震器 马上就会压缩到触底，接着就成为完全硬梆梆的车体了，而且如果路面够颠簸还可能第一 下就吃满全部行程。另外就是在高速(阻尼运动速度)下，也会造成回弹太慢，以至於骑过 凸起顶点时无法让轮胎与地面维持接触状态，造成抓地力下降的情况，在直线上这会降低 能承受的曳引力与煞车力，这就够糟了但是在弯中的影响会更严重。 所以现在几乎都是使用双向阻尼，不过两个方向的阻尼力会有不同大小。这虽然会让 骑士舒适度较差，不过却是必须的妥协。其中压缩与回弹阻尼的比例会依车辆用途不同而 有不同的调教。有些较贵的赛车改装品能提供双向独立调整，不过一般无法调整阻尼的避 震器压缩回弹阻尼力比例会固定在1:4~1:2之间。 在常见的油压阻尼内，阻尼力主要由黏滞力与流体动力所提供。黏滞阻尼在液体做剪 切运动时，会随着剪切运动的速度提升而变大，而剪切的运动速度则是阻尼棒与筒身相对 运动速度造成。流体动力阻尼则是会跟阻尼器内相对运动速度成平方正比，是因阻尼油经 过阻尼棒与阻尼棒上的孔的质量传递所造成。 黏滞阻尼因为是与运动速度成正比，所以数学上非常好计算，而且也很容易精确调整 到临界阻尼，或是想要的阻尼比(阻尼与临界阻尼的比率)。临界阻尼指的是恰好能阻止任 何振动或过冲现象的阻尼。 流体动力阻尼提供一般阻尼器里大部分阻尼力，然而如果没经过调整，很容易出现预 期外的效果。这是"平方"比所造成的现象，因此在高速时阻尼力会上升非常快速，在低速 时阻尼力则会非常小。因此可能在骑过小凸起时阻尼不够大，但大凸起时阻尼力又过大。 因此为了制造出令人满意的阻尼器，制造商需要跳脱传统上让液体流过小孔产生阻尼的想 法。而让过度高速阻尼降低的方法就是让阻尼孔更大，然後由泄压阀(blow-off valve)控 制在高速时打开。这个阀会让中间范围的阻尼不会因开孔变大而降低，但是低速时却会因 为推不开阀而让阻尼力过大，因此需要在阻尼棒上另外开溢流孔(bleed hole)，就是没有 泄压阀控制的小孔。 在用尽各种方法後，制造商最後终於把阻尼曲线调整到吻合实际应用。基本上，最後 阻尼器的反应很接近自然的黏滞阻尼。这样看来，直接把阻尼器设计成主要是第一种黏滞 阻尼好像比较明智，但是这种阻尼虽然可以用电力方面的技术来简单达成，却对现实上的 液力学非常不容易。 在好不容易做出满意的阻尼曲线後还没结束，设计师还需要跟阻尼器内部容积再大战 一场。换句话说，当阻尼棒因压缩而进入筒身後，阻尼器内部的容积就减少了。所以不能 只有无法被压缩的液体，需要加入可压缩的介质如空气来补偿这个变化。但是当阻尼棒上 下运动时，就像一个搅拌棒把气体跟液体搅匀，让阻尼大减。所以设计师近年来想了各种 巧妙的方法来解决这个问题。其中一个能简单避开问题的方法就是把阻尼棒整只穿过筒身 (像防甩头那样)，就能让内部容积完全不会改变，不过这却没办法对温度的膨胀做补偿因 此容易造成液压系统常有的泄漏问题，这种形式的阻尼已经很少用在避震器上了，但是在 防甩头上很常见。 很多年以前，Girling在他的双筒式阻尼采用了另一种聪明的设计。他利用尼龙制的 气袋装氟利昂气体取代在阻尼器内自由流动的空气。这种气体因为分子量很大，所以无法 流过尼龙气袋。不过这个产品的生命周期非常短，因为实在是太难制造了，不过後来有其 他的一些厂商又重新使用这个概念。而Girling後来想到的新方法是改用100 psi的氮气取 代空气，这会让油跟气体产生乳状液体，提供稳定的阻尼性质。 不过现在的设计趋势深深受到DeCARBON的影响，那就是利用浮式活塞将油气分离。常 见的有单一筒身或另外牵气瓶的设计。气体的压力(大到300psi)能确保所有油封都受压保 持油封的效果减少泄漏，同时能稳定阻尼和避免空蚀现象，不过会加速回弹。而有些避震 会提供气体压力的调整阀，能更精准微调避震。 影响骑乘品质与车辆在不同道路行驶的安定性能的因素除了弹簧和阻尼外还有非常多 因素。下次我们会再讨论这些问题，例如上升率连杆、簧上簧下质量、如何决定弹簧与组 尼比等等。 --

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