避震器&彈簧的配合及原理

因為在MOBILE01找不到比較詳細關於避震器&彈簧的文章,
所以上網去找了篇文章和版友分享.

懸吊系統存在的意義有二：隔離路面的不平使行駛更舒適；
行經不平路面時保持輪胎與路面接觸。
而改良懸吊對『賽車手』來說只有一個目的就是改善操控性。

彈簧的工作原理及改裝:
現行懸吊系統的彈簧以圈狀彈簧最常用，
原因是容易製作、性能效率高、價格低。彈簧在物理學上的定義就是儲存能量，
當我們施一固定的力於彈簧，它會產生變形，
當我們移開施力則彈簧會有恢復原狀的趨勢，
但彈簧在回彈時震盪的幅度往往會超過它原來的長度，
直到有磨擦阻力的出現才會減緩彈簧回彈後造成的自由震盪，
這減緩彈簧自由震盪的工作通常是避震器的任務。

一般的彈簧是所謂的『線性彈簧』，
也就是彈簧受力時它的壓縮變形量是遵循物理學上的『虎克定律』：
F=KX，其中F為施力，K為彈力係數，X則為變形量。
舉例來說有一線性彈簧受力50Kg時會造成2cm的壓縮，
之後每增加50Kg的施力2cm一定會增加的壓縮量。將此一彈簧裝在一部車上，
假設其承受的重量為250Kg，則在車子靜止時它會產生10cm的壓縮量，
當這部車行經崎嶇路面時，彈簧除了承受車子的重量外還要承受來自路面的衝擊，
有了這些衝擊的存在將使彈簧的壓縮量大於原來的10cm，
而這衝擊所造成的壓縮量的增加，將以懸吊碰到『緩衝止擋器』（Bump Stop）為上限，
假設這個範圍也是10cm。那麼兩項總和20cm就稱為『彈簧的行程』（Spring Travel）。
而整個彈簧的行程從0到20cm正表示彈簧的受力為0到500Kg。
事實上懸吊的彈簧還有其他的壓力存在，
即使彈簧完全伸展時彈簧仍會受到壓力以便讓彈簧本身固定在車上，
所以以上述的例子來說彈簧也許是受力範圍也許是100到600Kg。
在傳統彈簧、吸震筒式的懸吊設計上，
彈簧扮演支持車身以及吸收不平路面和其它施力對輪胎所造成的衝擊，
而這裡所謂的其它施力包含了加速、減速、剎車、轉彎等所對彈簧造成的施力。
更重要的是在震動的消除過程中要保持輪胎與路面的持續接觸，維持車子的循跡性。
而改善這輪胎與路面的接觸是我們改善操控性的首要考慮。

彈簧的硬度選擇是要由路面的崎嶇程度來決定，越崎嶇要越軟的彈簧，
但要多軟則是個關鍵的問題，通常這需要經驗的累積，
也是各車廠及各車隊的重要Know-How。
一般說來軟的彈簧可以提供較佳的舒適性
以及行經較崎嶇的路面時可保持比較好的循跡性。
但是在行經一般路面時卻會造成懸吊系統較大的上下擺動，影響操控。
而在配備有良好空氣動力學組件的車，軟的彈簧在速度提高時會造成車高的變化，
造成低速和高速時不同的操控特性。

彈簧的改裝 彈簧的改裝主要是要改善操控性，
也就是要改用較硬的彈簧或是較短的彈簧。
彈簧控制了很多有關操控的因素，彈簧的改變會造成很複雜的操控特性改變。
以硬度的增加來說，可提高懸吊的滾動抑制能力，減少過彎時車身的滾動。
而車高的降低則可同時降低車身的重心，減少過彎時車身重量的轉移，提高穩定性。
而車高的降低也可兼收美觀的效果。

降低車身切忌土法煉鋼
降低車身最簡單的方法就是把彈簧切短，單純以材料的觀點來看，
把彈簧切短並沒有什麼不對，只有彈簧廠商才會反對。
但是把彈簧切短彈力係數增加有限，
通常並不足以避免懸吊行程縮短後所可能造成的坐底情況。
通常來說使用切過的彈簧的車開起來會有很可怕的操控特性，
而這是為了省錢常造成的錯誤。
在麥花臣支柱式懸吊設計的車子還會導致其他設定的問題，
大部分支柱式懸吊設計的車可以容許車身降低1英吋而不會有坐底的問題，
但是如果降低超過1英吋時懸吊的支柱必須配合變短或改變支點位置
以便求得足夠的懸吊行程，否則很容易發生坐底的情況。
縮短支柱時也意味著避震器也要跟著改短。
這些改裝時必須有的配合動作應該是改裝廠商的工作，
你所要注意的是是否有適合你的改裝部品。
總之，降低車身時最好選擇以市場現有的改裝部品來改裝，切忌土法煉鋼。

懸吊是大多數人改裝計畫的第一步，
而懸吊的改裝通常都是由換裝一套較硬的避震器開始著手。
曾經說過彈簧最主要的功用是用來消除行經不平路面的震動，
既然有了可消除震動的彈簧，那麼又要避震器做什麼呢？
避震器它並不是用來支持車身的重量
而是用來抑制彈簧吸震後反彈時的震盪和吸收路面衝擊的能量。
假如你開過避震器壞掉的車，你就可以體會車子通過每一坑洞、起伏後餘波盪漾的彈跳，
而避震器正是用來抑制這樣的彈跳。
沒有避震器將無法控制彈簧的反彈，車子遇到崎嶇路面時將會產生嚴重的彈跳，
過彎時也會因為彈簧上下的震盪而造成輪胎抓地力和循跡性的喪失。
最理想的狀況是利用避震器來把彈簧的彈跳限制在一次。

阻尼
當我們以一固定的速度壓縮或拉伸避震器其所產生的阻力就稱為阻尼。
這阻力來自於避震器作動時，活塞會把阻尼油加壓使其通過小孔徑的閥門，
如果改變閥門的孔徑就可以改變阻尼的大小。
在日本自動車規格（JASO C602）規定
以作動速度0.3m/s時的阻力大小來代表避震器的性能，我們稱為阻尼係數，
單位為Kgf，所謂較硬的避震器就是作動時可產生比較大的阻力。
當我們讓避震器以非常慢的速度壓縮或拉伸時，它的阻力只有來自機構內部的摩擦力，
阻尼油幾乎不產生阻力。但是當作動速度增加時，
阻力的增加會和避震器作動速度變化率的平方成正比，
也就是說作動速度增為2倍時阻力卻會增為4倍。
避震器的阻力可分為壓縮和回彈兩部份，壓縮阻力和彈簧的硬度有加成效果，
作動時可增加彈簧的強度，而回彈阻力則是發生在彈簧受路面衝擊壓縮後的反彈行程，
這也是避震器存在的最大理由，它是用來抵擋彈簧壓縮後再將輪胎壓回地面的力量，
減緩反彈的衝擊並保持車輛的平穩。一般道路用的避震器，
吸震行程的阻力通常遠小於回彈行程，因為吸震行程的阻力太大時會影響行路舒適性，
對道路用車來說衝擊時和反彈時的阻尼力量比值大約是1:3，
但對賽車來說則為1:2~1:1.5，較高的比值會降低舒適性，
但卻可改善行經不規則路的循跡性。

避震器與車身重量的轉移
進彎和出彎時車身重量轉移（Weight Transfer）的速度會影響操控的平衡，
這影響會持續直到重量轉移完成，而車身重量轉移的速度是由避震器所控制，
改變避震器在壓縮和拉伸行程的速度可改變車身動量轉移的速度。
避震器越硬重量轉移的速度越快，重量轉移越快則車身子的轉向反應也越快。
過彎時轉動方向盤，輪胎會產生一個滑移角（Slip Angle），進而產生轉向力，
這力量作用在滾動中心（Roll Center）和重心（Center of Gravity），
然後導致車身重量轉移，車身產生滾動（Roll）。
此時彎外輪的轉向力會隨著滑移角的增大及車身重量的轉移而加大，
車子在達到最大轉向力及完成重量轉移後會建立一個過彎姿勢（Take a set），
由於避震器控制重量轉移的速度，因此也會影響建立過彎姿勢的速度。
由於轉向反應對操控很重要，因此我們希望過彎姿勢的建立越快越好，
但也不可太快，必須有時間讓車手去感覺過彎姿勢的建立，並感受循跡性的極限，
如果重量轉移太快會讓車手來不及去感覺，
因此設定一個車身重量轉移的速度讓熱車手去感覺極限的接近，
並且有所反應是車輛懸吊設定時的重要課題。
我們常說車隊會依不同的車手而有不同的車輛設定，對懸吊系統設定來說，
不同的車手由於駕駛技術和習慣的不同，對轉向反應的感覺速度及反應速度也會不同，
因此需要不同的懸吊設定，以求得車手的充分發揮。

避震器的改裝
在大部分市售車上，製造商都會使用最軟而且最便宜的避震器，
以降低成本並獲得一般駕駛狀態下最柔軟舒適的行路性。
但是若要用來應付劇烈駕駛則這些避震器就無法勝任了。
所謂避震器的改裝實際上是換上阻尼較硬、品質較好並且能和彈簧充分配合的避震器，
選擇一組適合的避震器是最重要的，要在舒適性和操控性之間取得折衷尤其困難。
若用在賽車上那麼一切以操控為依歸不必考慮舒適性，
但是要用在一般道路上就必須有所妥協，這時一組阻尼可調式的避震器，
就可提高實用性，尤其在道路多變的台灣，可調式避震器似乎是可認真考慮的投資。

前面說過避震器的壓縮阻力和彈簧的硬度有加成的效果，一組彈簧只有一種性能表現，
要改變彈簧的硬度唯有更換另一組不同彈力係數的彈簧，
有了可調式避震器正可彌補此一缺憾，隨路況調高阻尼也等於調硬了彈簧，
畢竟調硬避震器要比換一組彈簧來的得輕鬆的多，甚至有所謂電子調整式避震器，
只要在操作車內的旋鈕即可輕易的改變阻尼，達到懸吊設定微調的效果。
改裝時要先選定一品質好的品牌，然後再從這品牌的系列產品中選出適合的規格型號。
一支好的避震器必須有高精密度的柱栓及密閉性良好的油封，
高品質的阻尼油（優質的阻尼油是阻尼衰退及氣泡現象的治本之道），
再加上填充高壓氣體的氣室設計，當然最好是可調式的。
選定品牌後，就得面臨搭配性的問題，
在懸吊改裝過程中最棘手的課題就是避震器和彈簧的搭配，
如果你的車降低車身超過2英吋或是彈簧硬度增加超過20%，
你就必須把避震器一併更換。硬的避震器和硬的彈簧要相互搭配，
因為彈簧的硬度是由車重來決定，而較重的車需要較硬的避震器。
所以在賽車或高性能車上的避震器要比一般車上的硬，用以匹配較硬的彈簧。

假如避震器太軟會造成車身上下的擺盪，如果太硬會造成太大的阻尼，
使彈簧無法正常運作，而且會因為避震器的阻尼作用而造成行駛時車高的改變。
由於避震器製造商通常不會提供他們產品太詳細的相關技術資料，
因此當你要為一部車作懸吊設定時你唯有不斷的嘗試錯誤。
不過別擔心，搭配性的問題可交給為你服務的改裝店去煩惱，
針對車主的需要搭配出最佳的懸吊組合是一家專業改裝店的基本責任，
也是顧客的基本權益。而根據經驗，最適合台灣多變路況的道路版懸吊搭配，
是以較軟的彈簧（當然是漸進式的），配上較硬的可調式避震器，
以避震器的硬度補彈簧強度的不足，加上可自由調整的阻尼，獲得高度的路況適應性。


最後這是我自己的疑問?
採用可調式避震器時,
假使我一年365天有360天都是開一般市區路所以調軟一點,
但有5天要放假去花蓮玩所以調硬點,
這樣會不會因為不適應而無法100%感受循跡性的極限?