避震器強化特輯連載(3/13) 彈簧一直回彈怎麼辦?減震筒的作用這時後就看出來了

 

彈簧在吸震過程中會不斷的回彈,使車身仍有餘波蕩漾的彈跳,等於在開一台跳跳車,影響行車的穩定性,因此需要減震筒內的「阻尼作用」來限制彈簧跳動的次數,增加避震器的剛性。「阻尼(Damping)」到底是什麼?就以生活中常見的門弓器來說,當輕輕開門時,門弓器內的油壓缸阻力很小,很容易推開門;一旦很用力推門,阻力反而變大而不好推。同樣的原理也應用在汽車的避震器,當彈簧受到較大的伸縮力時,減震筒內的阻尼效應會給予較大的抑制力。

 

一般減震筒內含黏度高的液壓油(阻尼油),當彈簧伸縮時會連帶減震筒內的活塞推擠液壓油,讓油通過小孔徑的閥門時產生阻力,這阻力就能產生阻尼,當減震筒以慢速伸縮,阻力只來自機構的摩擦力,液壓油幾乎沒有阻尼力產生,可當彈跳速度變大時,阻尼力就會以2倍數增加(液體不可壓縮的原理)。此外,閥門孔徑的大小和液壓油的黏度都能改變阻尼力,一般較硬的避震器,液壓油難通過較小的孔徑而產生較大的阻尼力,彈簧就不容易被伸縮,來增加輪胎循跡性,卻降低了行車的舒適性。反之較大的孔徑使阻尼力變小,增加彈簧的Q度。

 

減震筒會將衝擊力轉換成熱能,這些熱能會使液壓油加溫,加熱到一定溫度後會開始變稀,導致通過閥門孔徑的阻力變小,稱為「阻尼熱衰退」。為避免這種現象,可加大減震筒的阻尼油室以提高油量改善,或改成倒插式避震器(減震筒在上),讓阻尼油室遠離煞車系統來減少傳熱。

倒插式避震器最早應用在越野摩托車上,因為效能和壽命都優於正插式,阻尼不容易熱衰退,能應付競賽中激烈的飛躍動作,後來也發展到汽車競賽。

阻尼力可分為「壓縮」和「回彈」兩個行程,壓縮阻力能抑制彈簧吸震的速度,而回彈阻力則在彈簧受路面衝擊後,減緩輪胎再壓回路面的反彈力,以保持行車的平穩度,若壓縮阻力太大則會影響乘坐舒適性(硬的避震器),所以一般道路版避震器的壓縮阻力遠小於回彈阻力,較有Q度,無論軟硬的差距,減震筒只能允許彈簧每次被衝擊時回彈一次,然後回到基準點,也是避震器存在的價值。

基本上彈簧和減震筒的軟硬度是互配的,而彈簧硬度是由車重決定的,較重的車需要較硬的避震器,操控和舒適才能兼備。

避震器強化特輯連載(1/13) 原來古時候的避震器 只有「彈簧」的概念?

若要回溯到人類將馬匹作為交通工具的幾千年前,先人已經知道要在車軸和車身之間加彈簧來提高乘坐的舒適性和耐用度,原因是遠征時期為了達到戰爭和競技的目的,人們發現就算訓練馬匹再敏捷和快速,沒有堅固又能緩衝振盪的車體結構,車廂內的乘客就得承受跌盪的痛苦,高速過彎就立馬喪失車輪的循跡性,根本無法在高速下行駛,因此人類最早的戰車誕生,當時以多幅式輪圈、輪軸、軸承、以及軸承上的皮帶減震機構組成,當時的機械工藝已達到最高峰,而這些基礎結構影響今天汽車底盤的功力非常深遠。

 

走到羅馬帝國時代,結構簡單卻承載效果驚人的「葉片彈簧」開始出現,並裝載於重甲的戰車輪軸上,從歐洲到亞洲的歷史中都出現過這樣的設計,可見其戰力不平凡,而且一路沿用到工業革命乃至今日的貨車上,只不過在馬車橫行的年代,輕型車廂採用木片作為彈簧,而重甲的車廂則改用碳鐵葉片。

這是改良後被裝配到四輪車上的避震器,圓盤裡頭內藏高摩擦力的碟盤和空氣的可壓縮性來抑制支臂的作動,進而減少葉片彈簧的震盪。

後來到了內燃機作為車輛動力主要來源的新時代,馬車時代的避震器已經跟不上工業革命後期的龐大動力升級的腳步,當車子載重變大、速度又比馬還快時,葉片彈簧無法即時減緩衝擊力,造成車子不斷的搖晃,於是一連串的懸吊改良設計就此展開,尤其在避震器方面。1898年法國自行車手J.M.M Truffault首次將「彈簧」和「減震筒」組合成的避震器應用在他的自行車上,隔年美國自行車同好者Edward Hartford與J.M.M Truffault合作開發首款的氣壓避震器,到了1901年才被後人改良並裝載到四輪車上。當年Ford Model T(美國第一台量產車)採用「Hassler」避震器,利用橢圓彈簧搭配支臂的反作用力,抑制過多的震盪。

1920年代Ford Model T具備最早期的橢圓彈簧,該款避震器在當年被稱作「Hassler」。

避震器強化特輯連載(2/13) 彈簧如何減震?物理學上怎麼看!

 在傳統彈簧(圈狀彈簧)和減震筒組合的避震器設計上,彈簧依然扮演支撐車重以及吸收不平坦路面對輪胎造成的衝擊,也包括車子在加減速﹑煞車﹑轉彎對彈簧的施力。

輪胎為了保持在崎嶇路面的接觸,彈簧的K值造就吸震的強弱,讓這台皮卡能快速的前進。

簡單來說,彈簧在物理學上可看作先儲存衝擊力的能量,當車子快回到水平姿態時,再釋放能量使車子回到正確軌道。其實彈簧用的碳鋼或合金鋼材質中會參拌矽﹑鉻﹑錳等其他金屬元素,增加材質的彈性﹑抗拉強度和疲勞限度來承受衝擊,在彈簧的兩端受力時,鋼線受到剪應力變形而有彈力,以抵消兩端的外力。彈簧的變形量是根據物理學的「虎克定律 F=KX」而定,其中F為受力,K為材料的彈性係數,X為變形量。舉例來說,假設彈簧K值是固定的,受力50kg(F)時會造成20mm的壓縮(X),之後每增加50kg的壓力就會增加20mm的變形量,由公式就能看出,對彈簧施力愈大,就得被壓縮(或拉伸)更多來保持輪胎跟地面的接觸,維持車子的循跡性。然而彈簧的變形量有限,加上車子在靜止時已經有一定的壓縮量,除了支撐車重之外還要承受來自路面的衝擊,使彈簧的壓縮空間變小,因此原廠避震彈簧較長來增加伸縮量,並以避震器裡的Bump Stop(避免減震筒內的零件相碰而耗損)碰到避震器上座為極限,稱為「彈簧的行程」,受力範圍也僅限於此。

競賽中的Rally車為應付非常多的跳躍動作,使用很長的彈簧來增加壓縮空間,以避免「觸底」的狀況,落地後保持底盤的穩定性。

當車子過彎時彈簧被壓縮到「觸底」(彈簧行程用盡,無壓縮空間)的情況發生,壓力就會傳到胎面,胎面也超出極限後就會喪失循跡性,所以彈簧的軟硬度和行程長短都非常重要,以避免「觸底」的狀況,使一般乘坐車的車身相對較高,意味著重心的提昇,對操控表現有一定的影響力,過軟的彈簧贏得舒適,卻是操控上的障礙,除非像常跑爛路的越野車,就需要較軟的彈簧才能持續輪胎與路面的接觸,同時得拉長彈簧的行程。

6kg和5kg荷重的對比,K值愈高,壓縮量愈少,彈簧的行程較短,代表能承載更大的荷重,提高操駕的極限。

關於彈性係數(K值)的大小事

K值跟彈簧的材質特性和尺寸有關,是一種抵抗形變的能力,其單位為kg/mm,表示每下壓1mm需要的公斤數,K值愈大就代表彈簧愈硬,能負載更多的力量,就是從公式F=KX得到的荷重與變形量比值(正比),也是彈簧好壞的關鍵。