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汽車知識:避震器的工作原理與改裝

汽車知識:避震器的工作原理與改裝

避震器的功用

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。上一期我們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,對懸吊繫統設定來說,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。

『一手太』原則

 入彎時轉動一次方向盤(方向盤在廣東話稱為太盤),就會產生一次車身的重量轉移變化,建立一轉向力與輪胎抓地力平衡的過彎姿勢,所謂的過彎極限是出現在轉向力等於輪胎的抓地力。有人在入彎後會連續的轉動方向盤,這實在是天大的錯誤,因為這會造成車身在不平衡狀態下過彎,如此車手將無從去驅使車輛逼進極限,降低了過彎的速度並存在著失控的危機。過彎時應該盡量遵循所謂『一手太』原則,判定彎道角度後將方向盤一次打到定位,讓車身儘速建立平衡的過彎姿勢,出彎後也是一手太讓轉移的車身重量回復直行時的狀態。若在彎中遇到突發狀況則必須Smooth的修正,避免突然加劇已處於極限邊緣的重量轉移,讓它變得不可控制,造成車身的失控。 

避震器的難題

避震器的阻尼作用是把震動衝擊的能量轉換成熱能。假如懸吊產生大幅度的運動,相對的避震器也會產生相當大的阻力來抑制它,這阻力來自避震器的活塞會把油壓入通過小的閥門,如此會把阻力變成熱。避震器內部產生的熱會使阻尼油加溫,油加熱後黏度會變稀(這反應就如同引擎機油一般)。變稀後的阻尼油會使通過油閥門的阻力變低,降低了阻尼力,我們稱為『阻尼衰退』(Shock Fade)。為了避免阻尼衰退,可由加大避震器或增加阻尼油的容量來改善。所以所謂的高性能的避震器通常都具有是較大的筒徑,及較大的阻尼。避震器的另一個問題是阻尼油的氣泡問題,避震器作動時活塞為會對阻尼油造成攪動的效果,造成組泥油產生氣泡,氣泡的產生會造成阻尼的喪失。為了對抗氣泡,以除了使用品質較佳的阻尼油外,製造商通常利用田填充高壓氣體來減少氣泡的產生,這做其中最具代性的產品當屬Bilstein,Bilstein的產品有一項獨特的設計,它有一個『氣室』(Gas Chamber)用來抵抗氣泡的產生,這如同用高壓來抵抗你的水溫問題一樣(沸點與壓力成正比)。此外這個氣室也有有對柱栓的冷卻效果,因為柱栓暴露在空氣中可獲致冷卻效果。而油封不良造成的漏油問題則是避震器損壞的一大主因,這直接關係到避震器的『耐用性』,所以較貴的避震器通常也有較好的油封。

賽車避震器

和賽車用輪胎和輪圈不同的是賽車用的避震器可用在一般道路,唯一的缺點是價格相當貴,一支賽車用的避震器往往超過萬元,這和一支可能只要幾百元的『原廠』避震器相比真是有如天價,據瞭解一套HONDA EG6 Gr.A所用的Mugen避震器約要新台幣8萬,而March用的NISMO競技用避震器也大約是這個價。賽車用的避震器通常為可調式,甚至可分別調整壓縮和回彈行程的阻尼,經由調整以得到最佳的抑制緩衝效果,這項工能在做懸吊設定的嘗試錯誤過程中扮演了重要的角色。調整時由最軟的模式開始,計算它上下擺動的次數(通常超過一次),慢慢加硬直到上下擺動一次後就恢復平靜,並且每次比賽前都要再依場地確認設定的正確與否。賽車避震器通常沒有橡皮的止檔襯墊(End Bushing)取而代之金屬的球狀軸承,這雖可獲得在通過小震動路面時較佳的阻尼效果,提供較清晰的路面反應,但卻增加了來自懸吊的震動和噪音。賽車避震器通常有接近1:1的壓縮和拉伸阻尼力。此外賽車避震器的作動行程也比較短,一般車也許有10吋,高性能版也許為7吋,賽車可能只有4~5吋。所以單換高性能避震器而不換行程相搭配短彈簧可能無法得到應有的效果。

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。目前國內常見的品牌中歐系的Bilstein、 KONI以及日系的GAB都是口碑不錯的主流派產品,目前的新趨勢則是針對特有品牌的專屬改裝套件品牌,如TOYOTA的TRD、TOM's,HONDA 的Mugen,NISSAN的NISMO,都是很不錯的產品。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。

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