2017年11月27日 星期一

前叉的阻尼系統:Damping 和Cartridge


記得以前FZR的前叉分解開的時候,裡頭的東西就很單純,彈簧、阻尼桿,而阻尼桿也只是一支有孔洞的金屬棒而已。但現在騎的R6,前叉拆下來可沒這麼簡單,裡頭零件可多著呢,而正代表兩種阻尼型式的前叉,前者在英文稱為Damping Fork,後者為Cartridge Fork。
Damping Fork蠻直覺的,就是是阻尼前叉,不過更正確的講應該是阻尼桿式前叉,FZR就是這種前叉形式,阻尼靠的是裡頭的阻尼桿(棒)產生。在阻尼桿上有小孔,當前叉作動時,阻尼桿上下移動,前叉油會從阻尼桿外面經過小孔流進去,也會從阻尼桿裡頭經過小孔流出去,從大空間經過小空間(小孔)的時候,就會產生阻尼,是一種很簡單易用的構造。因為構造簡單、成本低,所以在低單價車款都會使用這種阻尼系統,通常只要你的車是阻尼不可調的前叉,都是阻尼桿式前叉。

阻尼桿式的前叉雖然構造簡單,但做為機車使用則有個小問題,就是阻尼與流體流速的關係。前叉使用的油壓阻尼系統中,產生阻尼力的其中一項是流體動力阻尼,而流體動力阻尼的阻尼力,會隨著阻尼桿的相對運動速度變快而增加,簡單的說就是前叉作動越快,阻尼會越強。越快越強,感覺很棒呀,騎在一般路面稍微不平時,阻尼弱,感覺舒適,當我需要重煞車瞬間下沉時,阻尼強,支撐好。

錯!

因為阻尼力會根據阻尼桿的相對運動速度成平方正比,也就是說,當前叉作動速度變為兩倍,阻尼則會變成四倍。也就是說,當低速時覺得剛好時,高速會太硬,高速剛好時,反而低速太軟。當然後來發展出高、低速阻尼孔的設計,在較低的位置設置低速壓縮的阻尼孔,而較高的位置設置高速壓縮的阻尼孔,當前叉遇到快速且大行程的壓縮時,會透過較高的阻尼孔來減緩阻尼力。雖然這樣將原本阻尼力的曲線改變的比較符合需求,但仍有缺點,那就是遇到快速但行程不大的壓縮時,仍然是靠著低速阻尼在控制,當然透過更多的阻尼孔,可以進一步改善這種情況,不過以微觀來看還是不夠線性,所以後來有了Cartridge Fork。


Cartridge Fork我沒看過中文的車輛機構圖書,不知道有沒有正式的中文稱呼,從英文字典的說明來看,Cartridge是指在某個較大設備中,特殊用途的小部件,並且可以很輕鬆的替換成另一個類似的部件,而這個單字目前用最多的就是印表機的墨水匣(Ink Cartridge),目前有看過用「模組化阻尼棒」和「彈夾式阻尼棒」兩種稱呼,我想我就稱為匣式阻尼吧。但從這邊,大概可以感覺到Cartridge Fork和Damping Fork一個明顯的差別,就是Cartridge Fork的阻尼系統是有許多零件組成,而不是單純一根棒子(!?)。

下方為大部分解的R6前叉阻尼系統,最左邊像外管的是Cartridge Tube,右邊比較細的是阻尼桿,會在阻尼外管內上下移動,而回彈阻尼活塞就在阻尼桿末端、阻尼外管內。R6的壓縮活塞由左下角零件控制。

匣式阻尼將傳統的阻尼桿中的阻尼孔換成更複雜的方式,透過一個有著特殊形狀孔洞的活塞,上面堆疊許多大小、厚度不同,類似墊片的閥門片。當前叉作動,讓活塞移動時,阻尼油會通過活塞的孔洞推向閥門片,而閥門片是一種有彈性做為單向閥使用的金屬片,當懸吊作動快速產生較大的油壓,會將閥門片撐得較開,降低阻尼,當作動慢、壓力低的情況下,閥門片就會較貼合,讓油路變小,增加阻尼。透過活塞的孔洞設計與閥門片的搭配,讓這套阻尼系統能根據前叉的作動速度(阻尼油的流速)改變阻尼孔大小,得到比較線性的阻尼力。

從這來看,匣式系統比阻尼桿系統能有更好的阻尼表現,但阻尼桿系統還有構造簡單、成本低廉、重量輕等優點,加上長期發展以來,還是能有不錯的表現,因此在入門車款上,普遍都是阻尼桿系統。而匣式系統則因為構造複雜,大多用在較高單價的車款上,一個簡單的判斷方式,只是原廠具備阻尼可調的前叉,大多是匣式系統。

這是傳統的回彈調整設計,回彈調整扭會推動頂桿,頂桿伸入阻尼桿內,連到活塞,透過這個方式來改變阻尼。
當然,現在匣式系統也不斷在發展中,現在還有分為封閉式匣式系統與開放式匣式系統,開放式為內部只有單一油室,阻尼油會在前叉內與阻尼匣之間流動,兼具阻尼與潤滑使用。而封閉式則是阻尼匣本身為封閉的狀態,內部有獨立油室,前叉與阻尼匣之間的油,則主要用做潤滑用,因此也稱為雙室系統,至於開放式與封閉式的特性差異,就下次再說吧。

K-TECH的封閉式系統DDS。

OHLINS的封閉式系統FKR

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