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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 Part3:阻尼器

Date:17.06.28

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
 
 
 
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。

 
 
泄压阀
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。随着时间的推移,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。空气中含有水分,长期的曝气和油气混合循环,会导致乳化。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,以及流量和压力脉动。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。
 
•液压冲击
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,形成一个很大的压力峰值,这种现象称为液压冲击,这将使阻尼效应临时剧增,而且可能导致密封件和其他零件的损坏。
 
 
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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