彈簧與阻尼 - 機車

原文：http://www.tonyfoale.com/Articles/Springs/Springs.htm
裡的Springs跟Damping

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懸吊有兩個主要的功能，第一個就是將騎士跟車上的機械與路面彈跳隔開來，來確保

騎士的舒適和機械可靠性和壽命。第二就是將輪胎穩穩的貼在地面。而懸吊系統裡牽涉到

的問題非常多，像彈簧、阻尼、懸吊幾何、簧上簧下質量。

[彈簧]
彈簧在平常使用時最重要參數的就是"彈性係數"。這個係數是用來判斷彈簧的剛性大

小，而定義就是每伸長或壓縮一個單位需要對彈簧多施加多少力，英制單位為lbs/inch。

所以如果一條彈簧是100 lbs/in就表示你"每"拉長或壓縮1英吋就需要多施加100磅的力。

而有些彈簧的彈性系數在有效範圍內是不變的，我們就稱他為線性彈簧，但如果係數會隨

著彈簧壓縮而上升，就為漸進式彈簧，這種彈簧在機車避震上非常常見。另外要特別注意

的就是彈性系數與負載之間的差別。負載是指彈簧所支撐的重量，但是彈性系數是指你壓

縮彈簧需要"額外"施加的重量。

彈簧包含非常多種形式，使用的材料也有許多選擇，但是現實的限制讓常見的種類變

得只有區區幾種而已。而其中最常見的就是鋼製螺旋彈簧，有纏繞螺距固定的線性彈簧，

也有可能是纏繞螺距越來越小的漸進式彈簧，這種彈簧內螺距較小的地方會先因壓縮而導

致螺距間的空隙消失，因此有效範圍剩下較大的螺距，剛性因此上升。另外有時候也會用

鋼製的板簧或是扭力桿，不過都因為一些原因而漸漸被取代，僅管扭力桿在某些應用場合

上可以非常節省空間。另外值得一提的就是螺旋彈簧可以看成是繞成螺旋狀的扭力桿，但

是卻也因此產生扭力桿內不會有的彎曲應力與應力集中，因此在相同負載下，螺旋彈簧會

比扭力桿受到較大的應力，因此需要更粗的線徑。

材質上除了鋼，另外的選擇就是鈦了。他有兩倍於鋼的韌性與鋼一半多一點的重量。

理論上，這能讓鈦製彈簧在同樣強度下重量只有鋼製的四分之一。不過實際上因為靠近彈

簧兩端的線圈需要較密的螺旋來確保安裝上的穩定，所以會比理論值還要低，大約二分之

一到三分之一。不過廣泛使用鈦製彈簧有個嚴重也是唯一的缺點--太貴了。以至於只有在

賽車這種嚴苛條件才有機會使用。

不過還要再討論到氣體或空氣才能完成我們討論彈簧材質的議題。空氣能夠簡單提供

漸進式的彈性系數，我們用打腳踏車輪胎的幫浦來解釋。首先把出風口擋住，然後壓縮他

你會發現我們在壓縮一點點時只要施很小的力，但是隨著壓縮行程增加，你需要施加的力

就越大，而且上升的非常快。氣動的原件是由內部壓力來支撐負載，而這個壓力取決於靜

壓力與內部容積。這個壓力跟內部容積成反比。也就是說如果你把容積壓縮成一半，壓力

會變成兩倍，就能提供兩倍的負載量。這個壓力與體積的關係被稱為波以耳定律，如果你

上課夠認真的話一定聽過。而其漸進式彈性系數能夠提供的範圍由元件的壓縮比決定。

接著講講實際的例子，如果有位騎士認為對他來說軟一點的彈簧比較好，那麼他只需

要選擇合適的彈簧阻尼避震器讓彈簧夠軟能配合他就好。不過如果這個人想要用氣壓避震

器可能就會有點麻煩了。他第一個想法一定是先放掉一點空氣，不過這時問題也發生了，

因為需要足夠壓力來支撐車體跟騎士的重量，避震會先被壓縮到壓力夠大為止。然而，這

個新的車高上被壓縮後的氣壓避震器可能會因為壓縮比過高而讓彈性系數上升太快，而且

還因為避震器壓縮而讓軸距變短。如果他反過來灌了一些氣體提高壓力，彈性系數雖然能

調整回來但是又會提升車高。而且如果灌太多會讓預載變太大，大到甚至需要騎過坑洞才

能壓縮避震器，因此效果不如預期。除了再買一隻特性不同的單體之外沒什麼能做的了。

有些避震單體能讓你小量的調整阻尼油的量，這樣你可以調整阻尼器內部空氣容積來

改變氣壓彈簧的彈性系數與漸進曲線。但是如果你再怎麼調都調不到合適的設定，那麼唯

一的選擇就是移除安裝避震單體座的焊點來調整槓桿力比了，不過潛望式前叉沒辦法這樣

調整，但是通常潛望式前叉不會單單只用空氣當作彈簧，所以問題不大。舉例來說，我們

把搖臂上的下座從輪軸往車頭方向移到搖臂的中央，而車架上的上座補償性的移到合適的

位置，那麼懸吊系統裡面的力比(避震器受力與輪軸受力比率)就變成了兩倍。也就是說避

震單體需要承受車體的靜荷重只有原來的兩倍，因此能反過來讓彈性系數提升一倍。改變

力比還會讓避震器作動行程改變，如果搖臂擺動幅度相同，力比兩倍的那組懸吊裡避震器

的行程會只有一半。現在，因為行程變為一半避震單體的剛性變為兩倍，讓懸吊系統剛性

(wheel rate：讓車輪移動單位距離需要施加的力)變成了一半，不過能讓彈性系數的上升

曲率保持不變。但是同時車輪的行程範圍變成了原本的兩倍，可能還需要考慮到是否有空

間容納的問題。問題還沒結束，這樣雖然能提升氣壓避震彈性系數，但是阻尼係數可能會

因此變得太小不夠用。

在我的經驗中，大部分使用者對零件市場裡的氣壓避震的抱怨在於廠商過度炒作他們

的可調性。雖然只要找到合適的設定後，你就只需改變氣體壓力來完美的配合不同負載是

很棒的優點。不過前提是還要能提供可調整的阻尼，不過要能配合各種不同負載情況還是

有點困難。另外，不要對你老式的氣壓避震抱有太高的期待，如果你想要只靠調整氣壓來

配合你的調教，這是不太可能的。

[阻尼]
避免懸吊系統不受控制的振動非常重要。想像一下，如果你騎過一個大坑洞，然後把

你的懸吊行程全部吃盡了，在那個瞬間所有的能量都被存在彈簧內成為彈性位能。接著彈

簧會想要回復到自然長度(未受力時的長度)，因此把能量釋放出來也就是彈簧回彈。如果

沒有阻尼作用，這個能量會完全轉換成車輛的動能，這會導致彈簧在回到自然長度後，車

身還有個向上的動能(彈簧給的)，接著彈簧變成開始伸長就這樣一直來回振動下去，然後

你整條路就像騎著彈簧單高蹺一樣。所以如果加入阻尼，就能吸收掉全部或部分能量，讓

振動消失。而阻尼吸收掉的能量會轉換為熱能，這也是為什麼越野摩托車賽的避震會有過

熱的問題。所以阻尼可以看成能量吸收裝置，需要依彈簧與車輛不同來調教。

在介紹油壓阻尼之前，要先知道阻尼是由一堆摩擦力所造成而且其性質與我們的需求

背道而馳。首先就是黏擦(黏滯與滑動的中間狀態)會很大，所以力一定要大於某個大小才

有辦法啟動懸吊系統，啟動後摩擦力又會降低，不過要吸收能量阻尼器又必須動作才行，

吸收能量的大小又由摩擦大小決定。因此要達到足夠的阻尼大小都會產生可觀的黏擦，所

以黏擦也是判斷避震好壞的一個重要參數。而黏擦大在實際騎乘上就是粗糙的路感而且對

小振動的反應不敏感，對懸吊系統的性能影響很大。

在阻尼器之中，油壓阻尼需要啟動的力很低，所以在低速(阻尼運動速度)時敏感度較

高，在高速時也能提供高阻尼力。油壓避震的黏擦主要是油土封與阻尼棒的支撐襯套所造

成，因此有些製造商為了減低黏擦會採用PTFE(鐵氟龍，又可稱為聚四氟乙烯)製的油土封

，PTEF是一種低摩擦材質。

油壓阻尼因為內部設計不同而能有非常多樣的特性。例如只有單向阻尼、壓縮與回彈

有不同大小的阻尼、也能在運動範圍內設定無阻尼區等等。早期，單向阻尼也就是只有回

彈阻尼的設計非常普遍，這是由於設計師希望能在騎過凸起時懸吊壓縮能有最低的阻力。

讓傳到簧上質量的力能減到最小，確保騎士的舒適。而回彈時加上阻尼因為對騎士舒適度

的影響較低，所以便讓阻尼在回彈時發生，因此這種形式的阻尼會需要雙向阻尼大概兩倍

的阻尼力，才能吸收相同大小的能量。但是這種方法會產生一些缺點，原因是在騎過單一

路面高凸時雖然會有良好的避震效果，但是在騎連續顛簸路面時會連續快速的壓縮避震器

(因為壓縮沒有阻尼吸收能量)，而回彈又因為強大的阻尼力而非常緩慢，連續下來避震器

馬上就會壓縮到觸底，接著就成為完全硬梆梆的車體了，而且如果路面夠顛簸還可能第一

下就吃滿全部行程。另外就是在高速(阻尼運動速度)下，也會造成回彈太慢，以至於騎過

凸起頂點時無法讓輪胎與地面維持接觸狀態，造成抓地力下降的情況，在直線上這會降低

能承受的曳引力與煞車力，這就夠糟了但是在彎中的影響會更嚴重。

所以現在幾乎都是使用雙向阻尼，不過兩個方向的阻尼力會有不同大小。這雖然會讓

騎士舒適度較差，不過卻是必須的妥協。其中壓縮與回彈阻尼的比例會依車輛用途不同而

有不同的調教。有些較貴的賽車改裝品能提供雙向獨立調整，不過一般無法調整阻尼的避

震器壓縮回彈阻尼力比例會固定在1:4~1:2之間。

在常見的油壓阻尼內，阻尼力主要由黏滯力與流體動力所提供。黏滯阻尼在液體做剪

切運動時，會隨著剪切運動的速度提升而變大，而剪切的運動速度則是阻尼棒與筒身相對

運動速度造成。流體動力阻尼則是會跟阻尼器內相對運動速度成平方正比，是因阻尼油經

過阻尼棒與阻尼棒上的孔的質量傳遞所造成。

黏滯阻尼因為是與運動速度成正比，所以數學上非常好計算，而且也很容易精確調整

到臨界阻尼，或是想要的阻尼比(阻尼與臨界阻尼的比率)。臨界阻尼指的是恰好能阻止任

何振動或過衝現象的阻尼。

流體動力阻尼提供一般阻尼器裡大部分阻尼力，然而如果沒經過調整，很容易出現預

期外的效果。這是"平方"比所造成的現象，因此在高速時阻尼力會上升非常快速，在低速

時阻尼力則會非常小。因此可能在騎過小凸起時阻尼不夠大，但大凸起時阻尼力又過大。

因此為了製造出令人滿意的阻尼器，製造商需要跳脫傳統上讓液體流過小孔產生阻尼的想

法。而讓過度高速阻尼降低的方法就是讓阻尼孔更大，然後由洩壓閥(blow-off valve)控

制在高速時打開。這個閥會讓中間範圍的阻尼不會因開孔變大而降低，但是低速時卻會因

為推不開閥而讓阻尼力過大，因此需要在阻尼棒上另外開溢流孔(bleed hole)，就是沒有

洩壓閥控制的小孔。

在用盡各種方法後，製造商最後終於把阻尼曲線調整到吻合實際應用。基本上，最後

阻尼器的反應很接近自然的黏滯阻尼。這樣看來，直接把阻尼器設計成主要是第一種黏滯

阻尼好像比較明智，但是這種阻尼雖然可以用電力方面的技術來簡單達成，卻對現實上的

液力學非常不容易。

在好不容易做出滿意的阻尼曲線後還沒結束，設計師還需要跟阻尼器內部容積再大戰

一場。換句話說，當阻尼棒因壓縮而進入筒身後，阻尼器內部的容積就減少了。所以不能

只有無法被壓縮的液體，需要加入可壓縮的介質如空氣來補償這個變化。但是當阻尼棒上

下運動時，就像一個攪拌棒把氣體跟液體攪勻，讓阻尼大減。所以設計師近年來想了各種

巧妙的方法來解決這個問題。其中一個能簡單避開問題的方法就是把阻尼棒整隻穿過筒身

(像防甩頭那樣)，就能讓內部容積完全不會改變，不過這卻沒辦法對溫度的膨脹做補償因

此容易造成液壓系統常有的洩漏問題，這種形式的阻尼已經很少用在避震器上了，但是在

防甩頭上很常見。

很多年以前，Girling在他的雙筒式阻尼採用了另一種聰明的設計。他利用尼龍製的

氣袋裝氟利昂氣體取代在阻尼器內自由流動的空氣。這種氣體因為分子量很大，所以無法

流過尼龍氣袋。不過這個產品的生命週期非常短，因為實在是太難製造了，不過後來有其

他的一些廠商又重新使用這個概念。而Girling後來想到的新方法是改用100 psi的氮氣取

代空氣，這會讓油跟氣體產生乳狀液體，提供穩定的阻尼性質。

不過現在的設計趨勢深深受到DeCARBON的影響，那就是利用浮式活塞將油氣分離。常

見的有單一筒身或另外牽氣瓶的設計。氣體的壓力(大到300psi)能確保所有油封都受壓保

持油封的效果減少洩漏，同時能穩定阻尼和避免空蝕現象，不過會加速回彈。而有些避震

會提供氣體壓力的調整閥，能更精準微調避震。

影響騎乘品質與車輛在不同道路行駛的安定性能的因素除了彈簧和阻尼外還有非常多

因素。下次我們會再討論這些問題，例如上升率連桿、簧上簧下質量、如何決定彈簧與組

尼比等等。

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