彈簧的工作原理及改裝

 

前言
懸吊系統存在的意義有二:隔離路面的不平使行駛更舒適;行經不平路面時保持輪胎與路面接觸。而改良懸吊對『車狂人』來說只有一個目的就是改善操控性。
 
彈簧的工作原理及改裝
現行懸吊系統的彈簧以圈狀彈簧最常用,原因是容易製作、性能效率高、價格低。彈簧在物理學上的定義就是儲存能量,當我們施一固定的力於彈簧,它會產生變形,當我們移開施力則彈簧會有恢復原狀的趨勢,但彈簧在回彈時震盪的幅度往往會超過它原來的長度,直到有磨擦阻力的出現才會減緩彈簧回彈後造成的自由震盪,這減緩彈簧自由震盪的工作通常是避震器的任務。
一般的彈簧是所謂的『線性彈簧』,也就是彈簧受力時它的壓縮變形量是遵循物理學上的『虎克定律』:F=KX,其中F為施力,K為彈力係數,X則為變形量。舉例來說有一線性彈簧受力50Kg時會造成2cm的壓縮,之後每增加50Kg的施力2cm一定會增加的壓縮量。將此一彈簧裝在一部車上,假設其承受的重量為250Kg,則在車子靜止時它會產生10cm的壓縮量,當這部車行經崎嶇路面時,彈簧除了承受車子的重量外還要承受來自路面的衝擊,有了這些衝擊的存在將使彈簧的壓縮量大於原來的10cm,而這衝擊所造成的壓縮量的增加,將以懸吊碰到『緩衝止擋器』(Bump Stop)為上限,假設這個範圍也是10cm。那麼兩項總和20cm就稱為『彈簧的行程』(Spring Travel)。而整個彈簧的行程從0到20cm正表示彈簧的受力為0到500Kg。事實上懸吊的彈簧還有其他的壓力存在,即使彈簧完全伸展時彈簧仍會受到壓力以便讓彈簧本身固定在車上,所以以上述的例子來說彈簧也許是受力範圍也許是100到600Kg。
在傳統彈簧、吸震筒式的懸吊設計上,彈簧扮演支持車身以及吸收不平路面和其它施力對輪胎所造成的衝擊,而這裡所謂的其它施力包含了加速、減速、剎車、轉彎等所對彈簧造成的施力。更重要的是在震動的消除過程中要保持輪胎與路面的持續接觸,維持車子的循跡性。而改善這輪胎與路面的接觸是我們改善操控性的首要考慮。

彈簧的最主要功能就是維持車子的舒適性和保持輪胎完全與地面接觸,用錯了彈簧會造成行車品質和操控性都有負面的影響。試想如果彈簧是完全僵硬的,那懸吊系統也就發揮不了作用。遇到不平的路面時車子跳起,輪胎也會完全離開地面,若這種情況發生在加速、剎車或轉彎時,車子將會失去循跡性。如果彈簧很軟,則很容意出現『坐底』的情況,也就是將懸吊的行程用盡。假如在過彎時發生坐底情況則可視為彈簧的彈力係數變成無限大(已無壓縮的空間),車身會產生立即的重量轉移,造成循跡性的喪失。如果這部車有著很長的避震行程,那麼或許可以避免『坐底』的情況發生,但相對的車身也會變得很高,而很高的車身意味著很高的車身重心,車身重心的高低對操控表現有決定性的影響,所以太軟的避震器會導致操控上的障礙。假如路面是絕對的平坦,那我們就不需要彈簧和懸吊系統了。如果路面的崎嶇度較大那就需要比較軟的彈簧才能確保輪胎與路面接觸,同時彈簧的行程也必須增加。

彈簧的硬度選擇是要由路面的崎嶇程度來決定,越崎嶇要越軟的彈簧,但要多軟則是個關鍵的問題,通常這需要經驗的累積,也是各車廠及各車隊的重要Know-How。 一般說來軟的彈簧可以提供較佳的舒適性以及行經較崎嶇的路面時可保持比較好的循跡性。但是在行經一般路面時卻會造成懸吊系統較大的上下擺動,影響操控。而在配備有良好空氣動力學組件的車,軟的彈簧在速度提高時會造成車高的變化,造成低速和高速時不同的操控特性。

彈簧的改裝 彈簧的改裝主要是要改善操控性,也就是要改用較硬的彈簧或是較短的彈簧。彈簧控制了很多有關操控的因素,彈簧的改變會造成很複雜的操控特性改變。以硬度的增加來說,可提高懸吊的滾動抑制能力,減少過彎時車身的滾動。而車高的降低則可同時降低車身的重心,減少過彎時車身重量的轉移,提高穩定性。而車高的降低也可兼收美觀的效果。

 
漸進式彈簧
彈簧兩個主要的功用: 一是作為懸吊系統或底盤與地面的緩衝,也就是維持舒適性,二是使車子在行經不平路面時保持輪胎的貼地性。要達成這兩個相衝突的目標需要有不同的彈力係數。保持輪胎的貼地性對操控有決定性的影響我們需要硬的彈簧設定,來保持貼地性。在遇到越顛簸的路面我們需要越軟的彈簧設定。要同時達成這兩個目的,使用具有複合彈力係數的『非線性彈簧』,也就是一般所謂的漸進式彈簧,式唯一可行的方法。 漸進式彈簧能隨著彈簧的壓縮而增加彈力係數,在設計和製造上都有相當的困難度。行經顛簸路面時,彈力係數就會增加維持車身穩定。而最初的彈力係數較軟則用來提高行經顛簸路面時輪胎貼地性。漸漸變硬的彈簧可避免懸吊或彈簧出現坐底的情況。這能容許使用高度比原來低的彈簧,用以降低車身重心,並且在行經顛簸路面時維持最低而且最短懸吊行程,不致發生坐底的情況。 要達成漸進式彈簧就是要作出彈力係數會隨這著受壓縮而產生變化的非線性彈簧,由彈力係數K來看,其影響因素可表成以下的公式:K= 其中G為材料的橫彈性係數,n為有效圈數,D為圈徑,d為彈簧的線徑。通常G為定值,要改變彈簧的線徑(d)在製作上也比較困難,因此目前的漸進是彈簧大多為採用不等螺距彈簧或圈徑變化彈簧。不等螺距彈簧受壓縮時會產生局部線間接觸,以使有效圈數發生變化,進而造成彈力係數K的變化。經由彈簧上下圈徑的變化則是改變彈力係數的最直接方法。 降低車身 改善操控最重要的方法就是降低車身重心,如此可以降低過彎時車身的重量轉移和車身滾動,降低車身最簡單的方法就是由彈簧著手。使用短彈簧是最簡單也最快的方法。但降低車身時有許多的陷阱是您動手前必須注意的。 首先面對的是車身距地高度降低後行經顛簸路面時車底可能會觸及地面,尤其在高速行駛和離開公路時。其次要面對的是懸吊因為行程變短所可能造成的坐底情況,更糟糕的是如果bump-stop這個用來緩衝避震器的裝置被拆掉時,如果懸吊發生坐底時,彈力係數會瞬間變成無限大,立刻造成循跡性的喪失。
 
降低車身切忌土法煉鋼
降低車身最簡單的方法就是把彈簧切短,單純以材料的觀點來看,把彈簧切短並沒有什麼不對,只有彈簧廠商才會反對。但是打彈簧切短彈力係數增加有限,通常並不足以避免懸吊行程縮短後所可能造成的坐底情況。通常來說使用切過的彈簧的車開起來會有很可怕的操控特性,而這是為了省錢常造成的錯誤。 在麥花臣支柱式懸吊設計的車子還會導致其他設定的問題,大部分支柱式懸吊設計的車可以容許車身降低1英吋而不會有坐底的問題,但是如果降低超過1英吋時懸吊的支柱必須配合變短或改變支點位置以便求得足夠的懸吊行程,否則很容易發生坐底的情況。縮短支柱時也意味著避震器也要跟著改短。這些改裝時必須有的配合動作應該是改裝廠商的工作,你所要注意的是是否有適合你的改裝部品。總之,降低車身時最好選擇以市場現有的改裝部品來改裝,切忌土法煉鋼。