RockShox悬架导论

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2017-12-09 CB 图帝 全山地学堂

RockShox悬架导论

译注:《Rockshox Suspension Theory Guide》由SRAM于2015年发布,全文包括概述、弹簧、阻尼器、摩擦、底架和几何、调整6大部分,它系统而全面地阐述了自行车避震器的工作原理、组成结构和影响避震器工作的参数,有较高的理论参考价值。为了更好地帮助国内车友理解其中的知识,经SRAM授权,译者对该书作了翻译。出于严谨,译者对个别内容作了适当的补充和修正,专业名词大多参照工程领域的规范译名,对于难以查到规范译名或规范译名不够形象的,则采用摩托车、山地车玩家的习惯称谓。受篇幅所限,全文分为6篇发布。——CB图帝

一、概述

作用

悬架由避震器和相关的连杆、转点组成,用于吸收自行车车轮在撞击障碍和下降、坠落时产生的冲击和震动。在这一过程中,避震器(避震前叉、后避震器)压缩以吸收冲击产生的能量,并暂时储存,然后通过伸展来释放能量,或者通过阻尼消耗能量。悬架的具体作用在于:

•操控性

防止车手因冲击而失控。

•牵引力

确保车轮在必要时保持与地面接触。

•舒适性

防止车手因冲击而疲劳或受伤。

•耐用性

防止自行车因冲击而损坏。

RockShox悬架导论

结构

避震器由三个主要元素组成:

•弹簧

弹簧可以通过吸收、储存和释放来控制能量,使自行车或车手免受过度的冲击和震动。

•阻尼器(压缩和回弹)

阻尼器帮助弹簧控制能量,将其转换成热量,限制悬架压缩和伸展的速度。

•底架

安装弹簧和阻尼器,使避震器与自行车连为一体。

二、弹簧

功能

弹簧是从载荷吸收能量的装置。它利用材料特性和结构特点,在受力变形时,将机械功或者动能转变为变形能,并储存在弹簧中,直到能量释放,弹簧恢复到原来的未压缩位置。弹簧对能量吸收能力用弹簧刚度来衡量,也就是产生单位变形所需的载荷,计算方法是载荷增量和变形增量之比,在英制中,两者的单位分别是磅和英寸。比如,弹簧需要200磅的力来压缩1英寸,则称其为200磅弹簧。

螺旋弹簧

螺旋弹簧由弹性材料绕制成螺旋线圈状,螺旋的形状允许弹簧以线性的路径伸缩。螺旋弹簧的刚度由材料(钢、钛合金、碳纤维复合材料等)、材料直径(线径)和展开长度等决定。有效展开长度则与线圈外径、有效圈数等有关。弹簧的总长度与刚度无关,只与外观尺寸有关。

较粗的线径=较高的刚度(更多的材料参与变形)=感觉硬

较长的展开长度=较低的刚度(更大的杠杆作用)=感觉软

载荷与变形之间的关系曲线称为弹簧的特性线。一般来说,螺旋弹簧具有固定的刚度。当线圈被压缩时,压力与被压缩的距离成固定比例增加,特性线也就是一条直线,这称为线性。例如,如果1英寸的行程需要200磅的力,则2英寸需要400磅。

线圈并紧

弹簧在压缩时,部分线圈彼此接触并紧成一个整体,使弹簧的实际有效圈数减少,刚度增大。当线圈全部并紧,则无法被压缩。

双刚度弹簧和渐进弹簧

双刚度和渐进弹簧都属于非线性弹簧,通常有不同的线圈间距(节距)。在压缩时,节距较窄的部分线圈将率先并紧,留下较宽的线圈用于行程的其余部分。即在行程的第一部分是一个刚度,剩余的行程转换到更高的刚度。双刚度弹簧的刚度变化比较明显和突然,而渐进弹簧节距是逐渐变化,刚度的升幅较为平滑。

弹簧屈曲

细长的弹簧在受力压缩到一定程度时,会向外弯曲,弯曲量最大的地方通常是线圈的中间。

起步阻力

当弹簧被压缩时,它会对任何压缩弹簧的物体施加反作用力,为了进一步压缩弹簧,必须克服这个反作用力,所以这个力也称为起步阻力。

预载

原始状态的螺旋弹簧不受压力,不产生起步阻力。给予一定的预载,弹簧会适量压缩,这样会产生起步阻力和更硬的感觉。在避震器上,弹簧的压缩行程通常大于避震器的行程,所以正常范围的预载不影响避震器行程。

弹簧失效

在长时长的压缩之后(如频繁使用、过度冲击、长期预载),螺旋弹簧将疲劳并且不能再恢复到原始长度,这是弹簧失效的表现之一。这种失效不改变弹簧原有的刚度,但改变了弹簧的长度。预载调节钮或垫块可以补偿变短的弹簧长度。但是,由于弹簧长度缩短,节距变短,因此线圈将提前并紧,情况严重时会影响避震器刚度和行程。

气弹簧

气弹簧是利用密闭容器中空气(或惰性气体)的可压缩性而制成的弹簧。容器中有一个或多个移动的腔壁,称为气活塞。在压缩时,气活塞推入气室,挤压气体。气室内的气体分子数量保持不变,但体积减小,结果是气压增加。对于将推动气活塞的力,气压会产生与之成比例的反作用力。最后,气压抵抗活塞的继续压缩(压缩行程结束),当载荷减弱,增加的气压将迫使气室膨胀(回弹行程),气压随之下降。气室会继续膨胀,直到没有压力差或机械结构限制其进一步膨胀,避震器复原,也就是俗称的触顶。

压力=气体的量/体积

与线性的普通螺旋弹簧不同,气弹簧具有渐进的特性线,表现为一条曲线(非)。当气弹簧被压缩时,继续压缩弹簧所需要的力呈指数地增加。

气弹簧中的压力由气体的量与体积之比决定。可以通过气室总长度和触顶时的气压为基准,来估算行程中的任何一个位置的压力。

例如:取4英寸长的气室,加压至100 psi。用活塞将气室压缩到2英寸长,使气室容积减少了50%,压力增加了一倍。剩余的气室长度是2英寸。再将气室压缩到1英寸长,使气室的剩余体积再减少50%,压力也再次加倍。重复这个过程,体积减少一半且压力加倍,结果就是整个行程中气压呈指数增加。

初始容积

关系气弹簧曲线的一个重要因素是气室的初始容积。活塞直径相同时,较长的气室具有更大容积和更平缓的弹簧曲线。如果容积减小,则随着活塞推入气室,压力增加得更快。

压力与力

一个常见的误解是,气室中的压力等于启动压缩所需的力量。其实并不是这样,但两者之间也是有关的。衡量力和弹簧压力之间的关系,一种简单方法是认识压力表达的常见单位(英制),磅/平方英寸(psi),也就是每平方英寸上的磅数。磅是力的单位,平方英寸是活塞表面积的单位。通过确定活塞表面积,并把力除以面积,就可以计算抵抗气压力所需的力量。在物理学中,这里所称的压力应该是压强,但在工程领域中,通常不加以区分。

压力=力/面积

气弹簧中的起动阻力

加压的气体对气室内所有表面施加力,作用在活塞上则产生起动阻力。因此,类似于预载的螺旋弹簧,气弹簧在行程一开始时就有点坚硬的感觉。

负弹簧

可以使用负弹簧来克服弹簧行程开始时的起动阻力。负弹簧的弹力将起动阻力减少了相同的量级。负弹簧还可以减少触顶时各部件引起的震动。

机械负弹簧

螺旋或橡胶负弹簧可以与正气弹簧相对配置。预载的机械弹簧放置在与气活塞的对面,弹簧的弹力也就减小了气弹簧的起动阻力。

负气弹簧

负气弹簧也与正气弹簧相对配置。加压气室放置在与正气室活塞的对面,负气弹簧的压力也就减小了正气弹簧的起动阻力。因为两个气弹簧作用在相同的活塞上,所以当活塞向正气室移动时,负气室增大,气压下降。回弹时,较大的正气室压力推动活塞向负气室移动,直到压力平衡或触顶。

预压量

当车手坐在或以进攻姿势站在自行车上时,避震器压缩的量称为预压量。预压量允许悬架除了压缩还可以伸展,以便在坠落、下降或转弯时保持牵引力。预压量可以通过螺旋弹簧的刚度、预载或者气弹簧的气压来调整。

三、阻尼器

能量

能量有许多形式,如压力、运动和热量。虽然能量不能凭空消灭,但它可以从一种形式转变为另一种形式。作用于悬架的冲击力传递到避震器中,进而可以通过限制流体流动而变成摩擦力,摩擦力将能量转变为热量,热量分散到流体中并最终释放到大气中。

阻尼器的功能

弹簧压缩的速度取决于压力的速率,弹簧伸展的速度则取决于弹簧的类型、储存的能量多少以及释放压力的速率快慢。在现实中,这些因素通常会使弹簧压缩或伸展太快,导致悬架不稳定。液压阻尼器是利用通过油口的油流产生摩擦力,来降低其通过速度的装置,与弹簧相结合,可以有效地控制弹簧压缩和伸展的速度。

构造

阻尼器有多种结构。基本要素是:

•阻尼器本体

提供一个缸体以容纳阻尼部件和流体。

•流体(阻尼油)

阻尼介质。油流在通过油口时产生摩擦力,且油有助于消散由摩擦产生的热量。

•活塞

活塞上有油口,可以在阻尼油中来回移动。阻尼油也可被迫通过活塞流动。

•密封件

防止阻尼器中的油溢出或是被污染,且不妨碍阻尼轴杆进出阻尼器本体。

•阻尼轴杆

将避震器的结构件与阻尼器本体中的部件相连。

油流

通过加压,油可被迫以一定的速率流动,具体取决于作用在油上的压力、油口的尺寸以及油的粘度。油基本是不可压缩的,当油被加压时,它会流动或将压力传递到系统内的任何其他部件。当阻尼器开始工作,轴杆推动活塞,在活塞的一侧增加油压,油通过油口,流向活塞另一侧油压较低的空间。当油流过这些油口时,产生摩擦力。摩擦力将悬架传递的能量转化为热量,有效地阻碍悬架的运动。

排量

在大多数系统中,活塞通过油移动时,轴杆也要进出阻尼器。轴杆有体积,进入已经充满油的系统,将在阻尼器内产生额外的压力。类似于舰船的排水量,阻尼器必须转移多余的油,补偿此体积,以释放多余的压力。

开放系统

在开放系统中,油被转移到系统中任何可用的空腔。这种系统的优点是设计简单,减少了热量积聚。如果是开放油浴系统,阻尼油还可以为阻尼器以外的零件提供润滑。缺点是阻尼油和空气没有分离,在工作中容易产生曝气(油气混合)。

封闭系统

在一些封闭系统中,内置了浮动活塞(IFP),用于补偿轴杆的体积。IFP在阻尼器中分离了油和空气,但是与固定的密封头不同,IFP能够在阻尼器内前后移动。IFP也由机械或气弹簧支撑。当轴杆进入阻尼器时,加压的油推动IFP,压缩IFP弹簧及其后面的空间,补偿轴杆的体积。一旦轴杆退出,IFP弹簧将推动IFP和油回到原来的空间。封闭系统的一个显着的优点是油气分离,降低曝气的可能性。另一个优点是随着油升温,IFP可补偿油的膨胀。此外,IFP弹簧对油提供背压,降低了油中悬浮气泡膨胀,防止其影响阻尼油路。IFP设计的缺点包括系统复杂性、增加的摩擦力以及气压给IFP带来的起动阻力。有的系统使用可膨胀的油囊来代替IFP,这种结构的就没有由IFP气压产生的起动阻力。

通轴系统

在通轴设计中,轴杆的体积在进入阻尼器一侧时,从另一侧移除,也就不存在排量这一问题。

阀门和阀片

如果油的粘度和压力不变,就要通过固定或可变的油口尺寸来控制流量。油口大小通过以下方式确定:

•直接制造预定大小的油口。

•通过针阀、套管、厚垫片等,调整阻塞油口的物料量,改变油口大小。

•在油口上堆叠阀片。在一定油压下,阀片会翘起让油流动,阀片的各种组合可调节流量。弹簧阀门可用于代替阀片或与阀片一起使用。阀门的弹簧也可以通过预载来调节。

单向阀

在大多数阻尼系统中,分离回弹和压缩油路非常重要,只有这样,对一个油路的调整才不会影响另一个油路的性能。为了定向控制油流,就要在系统中设置单向阀。单向阀的目的是允许油在一个方向上通过活塞,同时限制或消除相同油口处的回流,这要通过特定的油口设计来实现。当油流过活塞时,单向阀打开,允许油流过可调节的那些油口。在油回流时,单向阀将关闭并迫使油流经其他的可用油口。单向阀可以由阀片或弹簧阀门构成。

泄压

通过调整单向阀的弹簧压力,就可以根据油压调节流量,这就变成了一个泄压阀。对于单纯的单向阀来说,弹簧压力越小,流量越大,阻尼效应也就越小。对于泄压阀来说,弹簧压力越大,就需要越高的油压来打开阀门,阻尼效应也就越明显。综合利用单向阀和泄压阀,可以设计出多个阻尼油路。

速度敏感

一些阻尼器设计有多个油路,用于在回弹或压缩冲程中调节低速和高速油流。压缩或回弹冲程产生的油压,迫使阻尼油流经每个可用的路径。阻力最小的路径最先打开,随着流速的增加,压力也增加,阻力最小的路径已不能满足流量。此时,增加的油压使额外油路打开。通过调整油口的尺寸和单向阀的弹簧压力,便可以针对各种压力情况控制阻尼。

低速阻尼

使用不同尺寸的油口来调节低压时的主流量。

•低速压缩

调节慢速压缩时的流量,例如车手的重心变化,以及转弯或压抬时的悬架压缩。

•初始行程回弹(低速回弹)

避震器在行程中前段,弹簧反弹力较弱,油流速度较慢时,控制回弹流量,比如在接受中小型的冲击后。初始行程并不是一个明确的范围,而是说明越接近悬架触顶位置,初始行程回弹的控制功能越明显。

高速阻尼

使用压力阀调节高压时的次级流量。

•高速压缩

调节高速冲击时的流量,例如碰撞、下落和跳跃着陆。

•锁定

限制油流量,防止悬架进一步压缩,直到突破预定的压力阈值。

•踩踏平台

类似于锁定,但启动压缩所需的力量较小。

•末段行程回弹

当悬架在行程中后段,弹簧处于高弹力时,油流速度较快时,控制回弹流量,比如经受一个大的冲击后。同样的,末段行程也并不是一个明确的范围,而是说明越接近悬架触底位置,末段行程回弹的控制功能越明显。在接近悬架触顶位置时,油压可能不足以打开这一油路。

外部调节

一些阻尼器有用于回弹、压缩或两者兼有的外部调节机构。低速压缩阻尼调节通常使用针阀或套管,来不同程度地阻塞主油口。较少的阻塞允许较大的流量,较多的阻塞会减少流量并导致油压增加。一旦油压足够高,则高压油路被激活。高压油路也可以通过调节机构进行外部调节,一般是增加或减少阀门的弹簧预载。

导向环

导向环是安装在活塞上的一圈耐磨材料,处在活塞与阻尼器本体的内壁之间。其主要功能是在两个组件之间提供耦合。当活塞移动时,导向环可以减小摩擦力。通常,导向环还为活塞提供密封。但在一些设计中,导向环不具有完全的密封性,而是允许有围绕活塞的油路,油可以在阻尼器本体内壁和导向环之间,活塞和导向环之间流动,或者两者兼有。如果不需要有活塞周围的油路,也可以使用密封圈代替导向环。但如果在动态活塞上使用密封圈,摩擦力会更大。

阻尼失效

•温度变化

当阻尼器工作时,摩擦力会使油升温。升温会降低油的粘度,减弱阻尼。当阻尼器静止,油就才会冷却并恢复原来的粘度。如果油温过低(如冬季),则粘度增大,阻尼效应也随之增大。随着时长的推移,反复升温和降温将永久地改变油的粘度,降低其各种性能。一旦发生这种情况,恢复原始阻尼特性的唯一方法是换油。

•曝气

当阻尼器中有气体存在时,如空气或氮气,系统中的油会因重力沉于下方,气体则浮在顶部。当阻尼器工作时,气体会被拉入油成气泡。当阻尼器静止,气体也再次上浮到顶部。每次启动悬架,都会重复此过程。如果阻尼器快速工作,使得气泡不能浮到顶部,它们将在油中分解和分散,形成泡沫。这种比纯油密度低的泡沫将改变阻尼特性。如果能够休息一下,气泡可能再次上浮到油的顶部,气体与流体相分离。由于升温或曝气而导致的阻尼性能的暂时性降低被称为衰减。

•乳化

一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中,称为乳化。当液体污染物如水进入阻尼器时,它们往往先与油分开。然而,阻尼器的快速工作最终会分解污染物,直到其颗粒足够小,悬浮在油中,造成油的粘度和性能变化。长期的曝气和油气混合循环,也会使油中密布难以消逝的微小气泡。一旦发生这种情况,重力和过滤都不能分离他们。

•气穴

即使努力排气,总会有极少量的气体仍然溶解在油中,或以气泡的形式悬浮在油中。在极低压或高温下,这些气体会析出,气泡会膨胀。在阻尼器中,气泡随着油流过油口,产生湍流和噪音。如果存在曝气问题,则气穴更为明显。

•阻塞

阻尼器中的任何异物都可能堵塞孔口,改变流量和阻尼特性。

•液力阻塞

当阻尼器循环时,阻尼器轴杆的体积进入到系统中,相应体积的油被迫转移。通常,油可以向空腔移动,或者在封闭阻尼器中,油可以对浮动活塞或气囊的补偿空间加压。如果油无法被转移,轴杆将无法进入系统,从而锁定阻尼器。错误的油量或多余的污染物可能会导致这种状况。

•峰值

当油口尺寸不足以适应高速油流时,油将在油口处迅速积聚,导致油压突然增加,阻尼效应临时剧增。

四、摩擦

载荷分布

•前叉

当前轮与地面的凸起接触并滚动时,载荷以弧形路径从前到后传递到前叉上。加上各种因素的影响,还会产生扭转、侧向载荷或轴向载荷。

•后避震器

载荷可以从不同的方向传递到后避震器上,这取决于后避震接座和车架设计。

衬套的功能

•在前叉中

提供内外管之间的牢固接触面,消除横向间隙,有助内管平滑地垂直运动。

•在后避震器中

提供轴眼与车架接座之间的牢固接触面,消除横向间隙,有助轴眼平滑地旋转。

提供阻尼轴杆与密封头之间的牢固接触面,消除横向间隙,有助轴杆平滑地垂直运动。

衬套的减摩性能

•内涂层

根据功能和成本,衬套的套管可以由钢、铝或塑料制成。如果套管由金属制成,则接触表面可以再涂覆低摩擦力的材料,用于减少摩擦和磨损。当这种涂层最终磨损时,应更换衬套,以消除部件之间的间隙,在极度磨损的情况下,金属与金属接触,将彻底损坏接部件。塑料衬套不需要涂层,因为它已经是低摩擦力的材料。润滑油可以与衬套合并使用,以进一步减少摩擦并延长衬套的使用寿命。

•衬套尺寸

当衬套相对于另一个表面移动时,载荷、表面平滑度和材料类型将影响摩擦的大小。这种摩擦将磨损衬套的接触表面。可以增加整个衬套的长度,来增大接触表面积。接触表面积增大,摩擦力也就分布在更大的面积上,使磨损减少。除了减少磨损之外,由于部件之间产生更多的重叠,更长的衬套还可以增加前叉的刚度。

•油槽

一些衬套具有狭小的油槽,可以使润滑油更均匀地流动且覆盖活动部件。除了减少摩擦,油的流动还会带走摩擦产生的热量。

其他摩擦因素

•导向环

除了控制活塞周边的油流,导向环也可以用作活塞和管壁之间的衬套。有的活塞直接用导向环的材料制造,活塞本身直接接触管壁,不需要另外安装导向环或衬套。

•管壁处理

用某些材料处理管壁,可以使其表面更光滑,有效地减少相对其他部件移动时的摩擦力。常见的处理方式有硬质阳极氧化、PTFE(聚四氟乙烯)浸渍、镀铬和氮化物等,这些方式的减磨效果不同,磨损的速度也不同。

•密封和静摩擦力

密封件如O形圈、U形圈、尘封等可防止润滑油泄露和污染物进入。密封件发生弹性变形,在密封接触面上造成接触压力,产生密封效果。接触压力同时施加到活动部件上,则必然会产生一定的静摩擦力。这种摩擦力带来了“粘滞”的感觉,虽然可以通过润滑油来降低一些,但密封的系统中总会有静摩擦力存在。

•后避震器的衬套和安装扭矩

如果后避震器设计成在车架中以一定角度旋转,那么安装时正确的扭矩很重要,这样才能容许避震器自由旋转。安装太紧的话,将导致衬套过早磨损,并且可能会使避震器无法旋转而弯曲,导致部件磨损或漏油。

五、底架和几何

舵管(转向管)

舵管将前叉连接到车架、碗组和把立上。

•有牙和无牙

早期的舵管在顶部具有与碗组配合的外螺纹,并将把立夹在舵管内部。大多数现代化的前叉舵管都没有螺纹,直接通过碗组和把立从外面夹紧。

•直径

普通的等径舵管直径为1.1125,1.25和1.5英寸。常见的锥形舵管顶部直径为1.25英寸,基座处直径扩大至1.5英寸。

•长度

舵管的最终切割长度取决于头管长度、碗组高度以及垫圈高度。在无牙系统上,把立的高度也影响舵管的长度。

叉肩

在非倒冲的结构中,叉肩连接舵管和内管。它对于前叉的强度和刚度有至关重要的影响。

•减少材料

可以在特定位置将叉肩挖空或开槽以减轻重量,而不会显著影响整体强度或刚度。

•重叠

指叉肩和内管接头的接触面积。更多重叠可以增加刚度,但也增加了重量,因为叉肩的材料也增加了。

内管(上管)

内管也称为立柱,连接将前叉的上下部结构,并容纳弹簧和阻尼器。内管也对前叉的强度和刚度有重要影响。

•管径

内管的直径决定了前叉的外观尺寸。较粗的管径提高了强度和刚度,但也需要搭配较大的叉肩和外管,这会使前叉的重量增加。

•管壁厚度

影响强度、刚度和重量的另一个因素是内管的壁厚。可变壁厚的内管有较好的重量强度比,但因为内管的外表面与外管密封件及衬套相互,所以壁厚的变化在内部。如要将阻尼器或气弹簧放置在变径的内管中,必须再包裹等径的内部套管,以确保活塞,密封件和导向环能够正常移动。

CSU

叉肩、舵管和内管通过盈配合、粘合或螺栓夹紧等方法来接合,这一整套组件称为CSU(Crown-Steerer-Upper tube)。

外管组件

通常,外管组件是一体铸造而成,但一些老旧的设计用螺栓来连接外管和叉桥。

•叉脚(车轮安装座)

对于非倒冲的结构,前轮和制动器都安装在外管上。早期的安装座是开口的,车轮轴心为9mm,通过螺栓或快拆轴安装,现在通常采用15或20mm通轴系统,以提高刚性和强度。

•制动器安装座

包括用于碟刹的柱式碟刹座(PM)和国际标准碟刹座(IS);用于吊刹、V刹或者液压圈刹的安装柱,以及吊刹所需要的过线座。很据前叉的预期用途,制动器和车轮安装座可组合设计。

•外形

材料的分布决定了外管的造型,特定的设计可以增加强度和刚度,减轻重量且美观。

行程

避震器行程同车轮运动行程有一定的关系。对于前叉,车轮大多直接安装在避震器上,因此车轮行程和避震器行程相同。在后悬架系统中,避震器到车轮之间可能有很多连杆和转点,受杠杆系统的影响,所得车轮的行程可能不同于避震器行程。车轮行程和避震器行程之间的关系通常用杠杆比来表示。例如,1英寸行程的避震器与一个杠杆系统结合,产生2英寸的后轮行程,杠杆比就是2:1。

渐增型和渐减型悬架

随着后悬架的运动,杠杆比可能会改变。

•渐增型

也称为上升率。如果杠杆作用减小,那么传递到避震器的碰撞力也将减小。随着悬架运动,这使得避震器越发难以压缩。避震器行程对应的车轮行程也增加了。渐增型悬架系统可以配合螺旋弹簧避震器,因为螺旋弹簧的线性可以补偿力的递减,从而可以利用到所有的后避震冲程,同时也可以提高螺旋弹簧避震器抵抗触底的能力。此外,渐增型悬架系统也可以配合大气室的气压避震器。

•渐减型

也称为下降率。如果杠杆作用增大,那么传递到避震器的力也将增大。随着悬架运动,这使得避震器越发容易压缩,避震器行程对应的车轮行程也减少了。渐减型悬架系统可以配合小气室的气压避震器,因为气弹簧的渐进刚度可以补偿力的递增,延缓避震器触底,同时也可以使气压避震器的压缩特性更为平缓。此外,渐减型悬架也可以配合渐进螺旋弹簧。

前叉行程

行程影响前叉的总长度。以后轮为支点,前叉长度的变化会影响各种高度位置,进而影响整个自行车与地面的角度关系。前叉长度的变化也会影响前轮的拖曳距。

拖曳距

拖曳距反映的是转向轴线(舵管中心线)同地面的交点与轮胎同地面的接触点之间的关系。当转向轴线前伸,轮胎在转向轴线后面拖曳时,其倾向于自主地保持在于轴的后方,类似有偏心距的万向脚轮。这种自定心效果在自行车转向时产生稳定性,越长的拖曳距,越能够使自行车不容易因障碍而改变方向,对高速和崎岖的地形越有利。拖曳距也对转向控制的灵活度也有影响。因为拖曳距产生额外的稳定性来抵抗转向,所以越长的拖曳距,转向需要的力量越大。但这在高速和崎岖的地形中也是有利的,能够避免转向过度和矫正过度。

拖曳距由多个因素决定,在大多数山地车上,决定拖曳距的主要因素是头管角度,前叉斜度和偏置距:

•头管角度:车架头管同水平面的夹角,由车架几何,前叉长度和轮胎/轮组尺寸综合决定。

•前叉斜度:前叉内外管同垂直方向的夹角。

•叉肩偏置距:转向轴线到内外管的中心线的距离。

•轴心偏置距:从车轮轴到前叉内外管中心线的距离。

重心保持

除了转向响应之外,较长的前叉可以让车手的重心保持在车上,在下坡进入崎岖地形时,避免车手翻车。

行程和爬坡、下坡

长行程的前叉提供更好的避震性能,转向更稳定,且有助于车手保持重心,所以它们更适合下坡。短行程的前叉对转向更敏感,且使车手的重心靠前,更适合上坡。

预期用途

虽然悬架的某些方面可以有选择地进行调整,来满足特定车手、骑行风格和地形的需要,但这种调整显然具有局限性。比如,设计为XC骑行的前叉必需轻量,对行程可以有选择的范围,但也绝不可能延长到适合DH比赛的长度,因为这将需要更坚实和更大的部件,会使前叉过重,不适合XC骑行。反过来说,XC前叉也能装上DH自行车,但是强度、刚性和几何显然不适合DH比赛。

六、调整

弹簧

调整弹簧时,车手体重是主要考量。预压量可以衡量弹簧刚度是否适合车手的体重。预压量通常是总行程的10-30%,既可以使车轮在各种地形上保持牵引力,又不会浪费太多的行程。在调整悬架的其他方面之前,应先确定弹簧设置,包括气弹簧的曲线。

前叉行程

爬坡时,短行程比较有利,因为车身几何使得低速时转向更方便,车手的重心也更靠前,能够更好地保持前轮牵引力。下坡时,长行程比较有利,因为当以较高速度接触障碍物时,需要增加减震能力。此外,车身几何提供更多的操控稳定性,防止转向过度和矫正过度。较高的车头也将车手的重心后移,防止车手前翻。

阻尼和行程预留

调整阻尼的主要考量是预留行程。悬架有一定的行程,如果行程过早用得太多,那在仍然需要时就无法避震了。适当地调整阻尼,悬架才能够妥善处理连续冲击。

回弹阻尼

•初始行程回弹(低速回弹)

初始行程回弹设置太弱则悬架伸展过快,可能会产生弹跳效应,悬架跳动并扰乱牵引力。太强会防止悬架快速伸展,只能使用剩下的行程来接受下一次冲击或重心转移。重复的冲击配合太强的回弹设置会产生堆积效应,导致行程逐渐耗尽,且车头角度变陡,不利于稳定控车。

•末段行程回弹(高速回弹)

如果初始行程回弹设置是针对最佳牵引力而设,不足以防止堆积效应的产生,则末段行程回弹可临时绕开初始行程回弹设置,使避震器能够在接受下一次中大型冲击之前尽可能地快速伸展。

压缩阻尼

•低速压缩

低速压缩设置太弱会使悬架在重心变化(如身体移动、制动、转弯和姿势变换)期间使用太多行程,太强会使悬架对较小的冲击反映迟钝。

•高速压缩

高速压缩设置太弱会使连续冲击(如颠簸、下降和着陆)消耗太多的行程,太强会使得悬架对较大冲击感觉很生硬。

•锁定/踩踏平台

在爬坡时,限制悬架的作用可能更有利,这样就能保持从车手到传动系统的稳定能量传输,因为当车手重心前移或踩踏发力,悬架会吸收这种能量。锁定一般是堵塞低速油路,通过高速压缩油路特定的开启阈值或者泄压压力,来防止悬架压缩。踩踏平台也是类似的方式,但阈值通常可以调整。较轻的平台设置使悬架在平滑地形上能够锁定,但小冲击下又可以压缩。更硬的平台设置需要更大的冲击才能压缩悬架。

调整误区

•弹簧刚度和预载

如果避震器的螺旋弹簧刚度太低,则预载可以使悬架更坚硬些。然而,预载也增加了起动阻力,悬架启动压缩时,会感觉较硬。过大的预载也可能导致触顶的感觉太明显,以及弹簧过早屈曲和失效,这可能使悬架因为线圈提前并紧而减少行程。

•弹簧刚度和回弹阻尼

弹簧有反弹力,所以在调整弹簧刚度后,要按相应调整回弹阻尼。

•弹簧刚度和压缩阻尼

如果弹簧刚度太低,增强压缩阻尼可以使悬架更硬。然而,压缩阻尼不能支撑车手的重量,所以虽然悬架更硬,但预压量太多,没有足够的行程。太强的压缩阻尼也会使冲击感更强。

•阀片和油的粘度

大多数高性能悬架有广泛的外部可调性,无需调整阻尼阀片或改变油的粘度。如果期望的调整超出外部调节机构的能力,可以调整阀片配置或油粘度,但这种调整将影响悬架的其他方面,并且可能超出设计的功能表现或结构性能。(完)

词汇表

Axle offset轴心偏置距

Aeration曝气

Air Spring气弹簧

Beginning Stroke Rebound 初始行程回弹

Brake Arch 叉桥

Breakaway Force 起动阻力

Blow-off泄压

Bottom Out 触底

Bushing衬套

Cavitation气穴、空穴

Chassis 底架

Check Valve单向阀

Coil Bind线圈并紧

Coil Deflection弹簧屈曲

Coil Set弹簧失效

Coil Spring 螺旋弹簧

Compression压缩

Crown叉肩

Damper 阻尼器

Damper shaft阻尼轴杆

Displacement排量

Dual Rate Coil Spring双刚度弹簧

Emulsification乳化

Ending Stroke Rebound 末段行程回弹

Falling Rate渐减型

Fork 前叉

Glide ring导向环

Head angle头管角度

High Speed Compression高速压缩

Hydraulic lock液力阻塞

Internal Floating Piston 浮动活塞

International Standard Mount 国际标准刹车座

Leverage Ratio 杠杆比

Load 载荷

Lockout锁定

Low Speed Compression低速压缩

Lower Leg下管,外管

Negative Spring负弹簧

Offset偏置距

Packing up 堆积效应

Piston活塞

Platform 踩踏平台

Pogo 弹跳效应

Post Mount 柱式刹车座

Preload预载

Pressure压力

Progressive Rate Coil Spring渐进弹簧

Rake前叉斜度

Rear Shock 后避震器

Rebound回弹

Rising Rate渐增型

Sag预压量

Seal密封件

Seal Head 密封头

Shim阀片

Speed Sensitivity速度敏感

Spiking峰值

Spring 弹簧

Spring Rate 弹簧刚度

Stanchion 立柱

Steerer Tube转向管,舵管

Suspension悬架

Shock Absorber避震器

Stroke冲程

Through Shaft 通轴

Top out触顶

Trail拖曳距

Travel 行程

Upper Tube上管,内管

Valve 阀门

Volume体积,容积

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