弹簧的工作原理及改装

bile白熊 · 发表于 2008-4-3 10:38

悬挂系统存在的意义有二：隔离路面的不平使行驶更舒适；行经不平路面时保持轮胎与路面接触。而改良悬挂对"飞车党"来说只有一个目的就是改善操控性。
悬挂系统的弹簧以圈状弹簧最常用，原因是容易制作、性能效率高、价格低。弹簧在物理学上的定义就是储存能量，当我们施一固定的力于弹簧，它会产生变形，当我们移开施力则弹簧会有恢复原状的趋势，但弹簧在回弹时震荡的幅度往往会超过它原来的长度，直到有磨擦阻力的出现才会减缓弹簧回弹后造成的自由震荡，这减缓弹簧自由震荡的工作通常是避震器的任务。一般的弹簧是所谓的『线性弹簧』，也就是弹簧受力时它的压缩变形量是遵循物理学上的『虎克定律』：F=KX，其中F为施力，K为弹力系数，X则为变形量。举例来说有一线性弹簧受力40Kg时会造成1cm的压缩，之后每增加40Kg的施力1cm一定会增加的压缩量。事实上悬挂的弹簧还有其他的压力存在，即使弹簧完全伸展时弹簧仍会受到压力以便让弹簧本身固定在车上。在传统弹簧、吸震筒式的悬挂设计上，弹簧扮演支持车身以及吸收不平路面和其它施力对轮胎所造成的冲击，而这里所谓的其它施力包含了加速、减速、刹车、转弯等所对弹簧造成的施力。更重要的是在震动的消除过程中要保持轮胎与路面的持续接触，维持车子的循迹性。而改善这轮胎与路面的接触是我们改善操控性的首要考虑。弹簧的最主要功能就是维持车子的舒适性和保持轮胎完全与地面接触，用错了弹簧会造成行车品质和操控性都有负面的影响。试想如果弹簧是完全僵硬的，那悬挂系统也就发挥不了作用。遇到不平的路面时车子跳起，轮胎也会完全离开地面，若这种情况发生在加速、刹车或转弯时，车子将会失去循迹性。如果弹簧很软，则很容易出现『坐底』的情况，也就是将悬挂的行程用尽。假如在过弯时发生坐底情况则可视为弹簧的弹力系数变成无限大（已无压缩的空间），车身会产生立即的重量转移，造成循迹性的丧失。如果这部车有着很长的避震行程，那么或许可以避免『坐底』的情况发生，但相对的车身也会变得很高，而很高的车身意味着很高的车身重心，车身重心的高低对操控表现有决定性的影响，所以太软的避震器会导致操控上的障碍。假如路面是绝对的平坦，那我们就不需要弹簧和悬挂系统了。如果路面的崎岖度较大那就需要比较软的弹簧才能确保轮胎与路面接触，同时弹簧的行程也必须增加。弹簧的硬度选择是要由路面的崎岖程度来决定，越崎岖要越软的弹簧，但要多软则是个关键的问题，通常这需要经验的累积，也是各车厂及各车队的重要课题。一般说来软的弹簧可以提供较佳的舒适性以及行经较崎岖的路面时可保持比较好的循迹性。但是在行经一般路面时却会造成悬挂系统较大的上下摆动，影响操控。而在配备有良好空气动力学组件的车，软的弹簧在速度提高时会造成车高的变化，造成低速和高速时不同的操控特性。
弹簧的改装
弹簧的改装主要是要改善操控性，也就是要改用较硬的弹簧或是较短的弹簧。弹簧控制了很多有关操控的因素，弹簧的改变会造成很复杂的操控特性改变。以硬度的增加来说，可提高悬挂的滚动抑制能力，减少过弯时车身的滚动。而车高的降低则可同时降低车身的重心，减少过弯时车身重量的转移，提高稳定性。而车高的降低也可兼顾美观的效果。
渐进式弹簧
　弹簧两个主要的功用：一是作为悬挂系统或底盘与地面的缓冲，也就是维持舒适性，二是使车子在行经不平路面时保持轮胎的贴地性。要达成这两个相冲突的目标需要有不同的弹力系数。保持轮胎的贴地性对操控有决定性的影响我们需要硬的弹簧设定，来保持贴地性。在遇到越颠簸的路面我们需要越软的弹簧设定。要同时达成这两个目的，使用具有复合弹力系数的『非线性弹簧』，也就是一般所谓的渐进式弹簧，是唯一可行的方法。渐进式弹簧能随着弹簧的压缩而增加弹力系数，在设计和制造上都有相当的困难度。行经颠簸路面时，弹力系数就会增加维持车身稳定。而最初的弹力系数较软则用来提高行经颠簸路面时轮胎贴地性。渐渐变硬的弹簧可避免悬挂或弹簧出现坐底的情况。这能容许使用高度比原来低的弹簧，用以降低车身重心，并且在行经颠簸路面时维持最低而且最短悬挂行程，不致发生坐底的情况。要达成渐进式弹簧就是要作出弹力系数会随这着受压缩而产生变化的非线性弹簧，因此目前的渐进是弹簧大多为采用不等螺距弹簧或圈径变化弹簧。不等螺距弹簧受压缩时会产生局部线间接触，以使有效圈数发生变化，进而造成弹力系数K的变化。经由弹簧上下圈径的变化则是改变弹力系数的最直接方法。
降低车身
改善操控最重要的方法就是降低车身重心，如此可以降低过弯时车身的重量转移和车身滚动，降低车身最简单的方法就是由弹簧着手。使用短弹簧是最简单也最快的方法。