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技术专题丨避震器知识从入门到精通 - RockShox悬架导论 Part2:弹簧

Date:17.06.22

by chinabike

图/文:CB - 图帝



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、底架与几何、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
 
 
 
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,弹簧恢复到原来未压缩的位置。弹簧对能量吸收的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300磅的力来压缩1英寸,则称其为300磅弹簧。
 
 
A. 螺旋弹簧(Coil Spring)
 
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300磅的力,则2英寸需要600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
在长时间的压缩之后(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。
 
 
 
B.气弹簧(Air Spring)
 
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,于是气压增加。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,避震器复位,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。当气弹簧被压缩时,继续压缩弹簧所需要的力呈一定指数增加。
 
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
可以使用负弹簧来抵消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避震器各部件引起的震动。
 
 
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气活塞的另一面,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另一面,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,负气室体积增大,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,也就是我们常说的SAG。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。
 
 
悬架导论内容分为6篇,将每周定期更新,对避震器感兴趣的朋友千万不要错过!
 


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