濳望鏡式前叉的構造與原理－阻尼棒和卡匣式前叉的優缺點

這是我最近對小鳥的前叉不滿意，想要昇級時找到的文章，這篇文章真的很有深度，特地轉載小老婆的文章，如果侵權的地方，請馬上告訴我下架，造成不便請包涵

http://www.racetech.com/HTML_FILES/DampingRodForks.HTML

一個十分詳細的解說網站，對了解速可達最常見的潛望式前叉(DAMPING ROD FORKS)很有幫助。

元件翻譯：

我先由上至下把元件翻譯成口語化的名稱，然後以我車的原廠前叉為範例做比對：
1.Fork cap：頂蓋
2.O-ring：O形環（一般是橡膠），一般都是圈在頂蓋的上半段，沒事不會拆下來。
3.Washer：墊片（一般是金屬）。因為我的前叉沒有Preload Spacer，所也沒有這墊片。
4.Preload Spacer：預載墊筒。常見都是跟頂蓋做成一體，一般沒有這元件；估計高價前叉才會有可替換墊筒。
5.Fork Tube：前叉內管
6.Air volume：氣室
7.Main Spring：前叉彈簧
8.Oil level：油位
9.Dust seal：防塵套（除了俗稱的歐規款環狀套，也有傳統毛毛蟲狀的伸縮型）
10.Snap ring：Ｃ型環。壓緊油封用的，可以用一字起拆下。
11.Oil seal：油封
12.Bushing：襯墊／套筒。我的前叉沒有這元件，看這東西的位置，估計有降低爆油封的功用。
13.Damping seal：阻尼環。跟引擎活塞環類似的東西。
14.Top-out Spring：小彈簧。我找不到這玩意更正式的名稱叫啥...。用來防止內管衝撞阻尼棒頭。
15.Rebound Damping Orifices：回彈阻尼孔。我的阻尼棒上這有兩孔。
16.Bushing：襯墊／套筒。跟12.一樣，我前叉也沒有這玩意兒。
17.Check Valve Passage：逆止閥油路。逆止閥開啟時油從這流過去。
18.Rebound Check Valve：逆止閥（單向閥）。只有壓縮時才會被打開，回彈時會關閉。一般不會去拆下來。
19.Damping Rod：阻尼棒
20.Oil：前叉油......
21.Fork Slider：前叉外管
22.Compression Damping Orifices：壓縮阻尼孔。我的阻尼棒這也有兩孔。
23.Damping Rod Bolt：阻尼棒螺絲


上述翻譯名稱不一定是最佳稱呼，參考一下，如果有更好的稱呼請各訴我。藍色是代表你一定要知道的元件，你拆前叉的時候也一定要去認識認識這些東西。


以下開始翻譯正文：

以下摘錄自“Race Tech's Motorcycle Suspension Bible”（競速科技－摩托車懸吊聖經）。

潛望式前叉／阻尼棒前叉（孔式阻尼）

阻尼棒是最常見的前叉設計。為什麼要用阻尼棒？阻尼棒有弱點也有優點，先去了解這些你才能更了解匣式設計（註：這種設計是原文末端會介紹到的，在阻尼棒活塞會有匣式高低速閥門），一但你了解匣式設計，就更能了解理解避震運作，。

阻尼棒前叉已經存在多年，使用於各式機車或腳踏車。阻尼棒前叉的的製造成本較低，因此也沒有複雜的阻尼設計。

前叉結構

圖3.8顯示所有的前叉組件。前叉外管連接輪軸、前叉內管連接三角台。前叉彈簧位於阻尼棒上方；阻尼棒則被螺絲固定在外管的底部，前叉彈簧用來支撐前半段機車與車手的重量；小彈簧位於阻尼棒之下，內管底之上，用來避免前叉回彈時內管撞擊阻尼棒頭，大多數阻尼棒前叉都有小彈簧。
（圖3.8↘）
尼棒的頂端是一個活塞及阻尼環（活塞環）。阻尼環促成內管內形成一個密封空間，使油在內管內部與阻尼棒之間流動。一些老式機車前叉沒有阻尼環，因此造成磨損而影響回彈阻尼效果。

阻尼棒壓縮行程

當前叉被壓縮（圖3.9），你能想像內管下沉，內管的體積取代原本油的位置，所以油被迫流向其他腔室。（這邊強調的是內管厚度會影響油的流動總量，例如如果是超薄內管那就只能擠動一點點的油，）
（圖3.9↘）
著前叉逐漸壓縮，腔室A容積會愈來愈小、腔室B容積會愈來愈大。這代表腔室A的油壓漸增、腔室B的油壓漸減，但是因為單向閥開啟的緣故，腔室A的油可以流向腔室B，實際上腔室B的油壓只會略低於腔室A，所以你可以把腔室A、B想成是同一個腔室。

因為腔室AB是互通的，被被向上推擠的油要繼續找地方流去，這些油就透過阻尼棒底部的壓縮阻尼孔、通過阻尼棒中央、流到腔室C。這些油也可以透過回彈阻尼孔流出，但體積相對小很多。

壓縮阻尼的強度，受到壓縮／回彈阻尼孔的大小、數量，以及油的黏度所影響。要記得，壓縮時的總阻尼量中有一部分阻尼是由回彈阻尼孔造成。以這種方式產生的阻尼被稱為孔式（orifice-style）阻尼，因為阻力是藉由逼迫油流經孔洞而形成。

另外也要記得，腔室C內的壓力會造成氣體容積縮小（氣體被推擠壓縮）。腔室C內的壓力多寡會受到初始壓力、氣體壓縮比（灌油量）、以及前叉下沉量等影響。

只要壓縮過程不要太快速，當前輪撞到小突起時孔式阻尼可以帶來很好的舒適感。不幸的是，並非所有路面突起幅度都很小，當你撞到直角或是大型突起，孔式阻尼會讓你感到非常死硬不適，這是因為當前叉壓縮的愈急遽、就等同去逼迫油要快點流過阻尼孔，偏偏油是不可被壓縮的（所以油並不會因為撞擊大而快速流過孔，相反的，油會擠在孔洞口）。

當速度增加時，孔式阻尼的強度也會快速增加。事實上，阻尼增加的程度會是速度的平方，這代表速度提升成2倍時，阻尼會提升為4倍。請看圖3.10說明，高速衝擊下的粗流動箭頭，會全部擠在小孔的入口。
（圖3.10↘）
解：如果壓縮阻尼孔設計來對應低速衝擊（孔較小），高速衝擊時就會變的死硬；如果孔被設計來應付高速衝擊（孔較大），那低速衝擊時阻尼效果就會很不明顯。

你可以在圖3.11看到前叉壓縮時的測功圖（dyno graph），請注意速度橫軸及阻力縱軸。測試的方法都是啟始時用低速、接著加速直到線條近幾垂直。當然現實中不一定會出現圖中模擬出的極端狀況，但現實中仍可能會因撞到直角障礙物產生出最大阻尼力，所以還是可以參考這張圖最極限的值。當模極端狀況真的發生時，會導致騎士感覺到不適，此時你正處在曲線的"痛苦區"（pain zone）中。
（圖3.11↘）
解：最小的孔在低速壓縮時仍有些阻尼效果，但只要壓縮速度稍微提高容易就變死硬；最大孔洞雖然極高速壓縮時不會死硬，但缺點是就算壓縮速度加快到一個程度仍沒有明顯的阻尼感。

孔式阻尼的另一個缺點：當你低時速下剎車時，前叉會下沉得比較深，要比你高速撞窟窿下沉的更深。這是因為孔式阻尼在如此低速下提供的阻尼力都很有限， 所以阻尼效果不明顯、前叉下沉也會比較快。下沉的深度一但太深，前叉就可能會觸底。

也許你曾考慮過挖大壓縮阻尼孔來解決死硬的問題，這會對壓縮阻尼造成的變化呈現在圖3.11。小孔雖然較無阻尼不明顯的問題，但在強力撞擊時會呈現死硬；大孔則是阻尼不明顯，即使大孔在高速撞擊時會舒服點。這種阻尼設計，看來是提供了兩種糟糕的狀況讓你選：要嘛接受前叉死硬，不然就接受前叉觸底。

最後提醒，阻尼孔不一定要是圓的，三角、橢圓、方型，也都可以。

阻尼棒回彈行程

現在我們來看看前叉回彈時的油流動（圖3.12）。首先前叉整體會因為彈簧的推力而逐漸伸長，逆止閥會因此關閉，腔室B則逐漸變小並產生出最大等級的油壓，此時腔室B的油有兩條路離開腔室B：1.經由回彈阻尼孔流到阻尼棒中央再流到腔室A，2.經由逆止閥關閉後僅存的細小縫隙直接流到腔室A。這兩條路夠成了回彈的阻力。
（圖3.12↘）
一方面腔室A則是會因為容積愈變愈大而處於低壓，這種低壓環境會把油吸入、並填充腔室A。

如同壓縮行程，回彈行程的阻力也是來自孔洞阻尼，但相較之下比壓縮還單純許多。回彈的力道純粹由彈簧來控制，不像壓縮力道會因道路面狀況而隨時改變，壓縮速度最高時會比回彈速度高出2~6倍，所以相較之下因為回彈力道較固定，設計回彈阻尼孔時的顧忌也就不會那麼多。

一個潛在的問題是"氣穴"作用（又稱空穴作用, Cavitation）（見圖3.13），氣穴是一種流體在減壓(負壓)下產生的蒸氣泡。這會發生在當液體壓力低於他的蒸氣壓力時。這跟沸騰是一樣的現象，但在這邊是因為減壓造成的，而不是加熱造成。
（圖3.13↘）
解：當孔洞無法通過足夠的油時就會產生Cavitation；氣泡因真空而產生。
這產生了兩個問題，1.因為含有氣泡，油變成可以被壓縮，而降低阻尼特性。2.當氣泡迅速崩潰，會產生衝擊波傷害零件表面甚至擊出孔洞。愈高的溫度與愈低的壓力都會提高氣穴產生的機率。
回彈行程中，腔室A會因為容積逐漸變大而吸油進去，你愈是增加阻尼孔造成的阻力（更小的孔洞、更黏的油），也愈會提高氣穴產生機率。更硬的前叉彈簧與高油溫也會增加氣穴產生機率。

進化迷思

讓我們回到一個老問題："穩定與舒適如何兼顧？"很多人認為解決方法是改良，但也許你已經注意到孔式的阻尼曲線並告訴自己："哇！這曲線還真是先進！"。

其實在發展史的角度來看，孔式阻尼已經是很先進的阻尼設計，但你能看到它仍有缺點（死硬與觸底），所以你知道並不是改良就不會有問題。

注意到圖3.14中有"遞減"現象的壓縮阻尼（註：這邊是在介紹開頭提到的＂匣式＂阻尼棒的阻尼特性）。因為其在低速時會有較高的阻尼，所以能抑制低速時煞車的下沉及觸底。
（圖3.14↘）
解：綠色曲線是一般的阻尼棒；紫色曲線是配有匣式活塞的阻尼棒，其在低速有更多阻尼，高速時也不會死硬。
而且注意到圖中，在高速時曲線並沒有進入"痛苦區"，你可能會想：＂如果速度更快，他也遲早會進入。＂是的沒錯，但我們的測試已經是用超乎現實的速度，現實中幾乎沒有情況會讓你的避震作動速度達到15 m/sec。

Gold Valve Cartridge Emulator Fork（黃金閥門匣式前叉）

幸運的是，對使用阻尼棒前叉的車友來說。有個簡單的方法來改善阻尼特性，就是加裝上＂競速科技黃金閥門匣式套件＂（註：很像在購物台XD）。我從1990年就開始研發匣式套件來改善阻尼、讓阻尼棒變得可調，而且價格合理。

藉由這個套件，低速會有更好的阻尼效果，高速時也能吸收更多衝擊且不死硬，同時提供良好的轉向反應及舒適感。

妳可以看到圖3.14中的匣式套件，他在阻尼棒的頂端，並帶有一個彈簧。這個套件提供兩個作用：1.提供可調式的遞減壓縮阻尼，2.壓縮與回彈阻尼兩者均衡獨立運作。讓我們看看它是如何運作的。
（圖3.15↘）
解：原廠的壓縮阻尼孔被放大、增加數目，壓縮阻尼幾乎改由匣式套件來產生。在低速實時，油可以流過套件的孔洞。
這套件能取代阻尼棒原有的壓縮阻尼功能。首先要將壓縮阻尼孔挖大，並依照型號來增加孔洞數目。隨著流量變大，阻尼孔造成的阻力變的極小幾乎能夠忽略，如此一來，壓縮阻尼就能完全由套件來控制。

套件安裝在阻尼棒上方，且低速阻尼由低速閥門柱塞的孔洞來控制圖3.15。油從腔室A流到阻尼棒中央再流向腔室C。在最低速下，油的壓力不足以推開套件的閥門主彈簧，所有的油只能流經低速孔。

當速度提高，尤其是車撞到突起物或是彈起落地，前叉內管會移動得很快。這時候的油壓會推開套件的主閥門，讓油由此從腔室A流向腔室B圖3.16
（圖3.16↘）
解：前叉受到劇烈衝擊時，油壓會足以把匣式套件的主閥門頂開，讓油從較大的主閥門通過。
套件主閥門的開啟所需壓力，可透過彈簧預載的多寡來調整。變更彈簧彈力系數來改變閥門開啟的斜率。看看圖3.17表示出可調範圍。
（圖3.17↘）
解：圖一是套件彈簧不同的預載設定。圖二是安裝不同彈力係數的套件彈簧。圖三是套件低速孔洞的不同大小
這是一張套件的放大圖圖3.18。中速的壓縮阻尼強度可藉由調整彈簧預載來改變，彈簧預載能抵抗油壓對閥門的推力。彈簧預載愈多，就需要更大的油壓才能推開閥門。
（圖3.18↘）
解：低速時油只能流經Low-speed orifice。高速時油就能推開Valve流出。
套件一但安裝，要做調整並不會很困難。先把前叉頂蓋跟前叉彈簧取下，用彎曲的焊條勾住套件末端或是用"零件抓取器"（parts grabber）把套件取出，調整預載後再裝回去。有許多摩托車不必卸下整支前叉就能完成這項調整工作。

接著讓我們看看回彈圖3.19。本套件不會改變回彈阻尼效果，所以要調整回彈阻尼是藉由改變油的黏度，聽起來不是那麼討喜，但這仍會有顯著效果。原廠前叉只要改變油的黏度就能改變回彈阻尼，但如此一來要調整壓縮阻尼就會變的很貴（註：我推測作者的意思是，在油變黏的情況下要用套件以外的方法來改善壓縮阻尼，花費會很貴）。但如果有安裝匣式套件，就不會有這些困擾，因為套件的壓縮阻尼是可以獨立調整的。
（圖3.19↘）
解：套件不會影響回彈阻尼。如果要加強回彈阻尼，可以換黏一點的油，然後調整套件預載讓壓縮阻尼不要因油黏而變太強。

（最後一段大概是在說很多車隊車手自從用了這個套件，頭腦就變靈光了，考試都考一百分。這邊我就不翻了......）