MTB全避震系统的一些知识点

背景

回顾了一下软尾车在避震方面的一些技术点,就把它们通俗地写下来,方便快速的回顾。读者如果觉得有点用自然更好,也欢迎拍砖纠正,文章有很多信息是参考国内外的网站文章去了解的。

没有图,后续我再用工程软件做一个运动模型吧。

引言

先抛开硬尾山地车不谈,为何单一转点的山地车和四连杆结构的山地车避震效果不一样?为什么一些标称虚拟转点技术的单车爬坡时感觉比较顺畅,而有些后避震骑起来则很别扭?为什么骑全避震车时踩踏和刹车时会有一些奇怪的副作用产生,如感到悬挂变硬,脚踏有冲击感?看起来简单的避震设计(不就一自行车吗),其实是比较复杂的,一些简单的特征就会用到很多理论去描述。

前减震就不多讲了。这里就集中在后避震(后悬架)系统部分。

MTB后避震(悬架)系统的作用

它的作用可以简单解释为:一是提升舒适性,二是在复杂路面尽量保持后轮与地面的接触,从而保证后轮抓地力继而保证牵引力以及制动力。

其中根本原理很简单,避震器的弹簧去压缩和回弹,使骑乘者以及整体重心能够相对路面稳定,避震器里的阻尼机构damper吸收压缩和回弹的能量,调整响应速度,减弱振动。现如今我们可以看到非常多的后避震系统设计,各种避震设计能带来不同的特性,而这些特性涵盖了踩踏、制动、冲击缓冲的方面,避震设计也综合了这些因素。

后悬架设计的元素

悬架设计包含两个主要元素:首先是减震弹簧和减震器,通常称为减震器。 第二个要素是将后轮连接到减震器的后三角几何部件,比如后摇臂或者连杆机构。 车架设计人员和避震器设计人员必须携手合作,去创建一个整合的悬架系统功能。对自行车行业来说,悬架设计是非常多样性的,而摩托车则不太一样,由于场景(更高的速度、更大的牵引力、相对更稳定的姿势)和需求与自行车不一样,大多数摩托车愿意采用或共享相近似的设计。

此文章就不说如何设计了(那是专业工作),就侧重说一些衡量指标。从三个大面说起:缓冲性能、踩踏影响和制动影响


1、缓冲性能

1-1 后轴移动的路径(行程Stroke)

骑行时在后轮受到障碍物冲击时,由于障碍物有大有小,后轮因此受到的冲击角度不同(当然多是朝向车子的后上方的,因为后轮遇到的障碍都是从前方过来,自然也都是后轮的下前方先受力,但是障碍的大小和形状会改变位置,比如大的障碍物更会冲击到后轮胎的前面)。对于后轴的移动路径,如果它的移动路线完全与冲击力的方向相同,那自然最好,但是就像之前所说,悬架系统不可能单纯去满足这一个目标,它只是一个考虑方面。而不同的避震设计,由于受到悬架的转点和连杆的影响,在受到冲击时后轮的移动路径是不同的。多数情况下,后轮的移动路线如果能适应冲击的场景,比如略微先向后上方走一点再整体上移(因为障碍物先冲击后轮前方再到后轮下方,因此力量是向后再向上),肯定会比单纯向上走的直线甚至一些向前上走的弧线好些。

但是这种移动路径也不是完全自由的,后轴的移动路径上的每个点与车架五通中心(也就是前链轮中心)的距离不能有太大的差异,原因是有链条传动这个关键零件在。如果后轴移动路径靠后太多,会拉伸链条,意味着对前链轮以及脚踏造成很大的干扰(后面会说),如果后轴移动靠前太多,会让链条松弛,也会带来负面影响。精心设计的独特的后轴移动曲线可能意义有限,因为很多时候这些努力会被链条线这个参数无情的碾压。

关于摩托车这块,之前看过一篇文章讨论摩托车后摇臂的角度,当下大多数摩托车的后摇臂都是单转点的设计,一个讨论是为什么后摇臂的转点要高于后轮轴呢(后摇臂从侧面看向下倾斜),拿刚才说的套用一下,如果摇臂的转点在后轮轴的下方,那么后轮的移动行程轨迹弧线就是向上并向前走,这和后轮受到的初段向后的冲击有些冲突,肯定会影响缓冲效果,但这也不是重点。与自行车不一样的是,摩托车的牵引力较大,在链条牵引后摇臂时,一方面牵引力通过链条线让高位置的转点的后避震拉伸,后摇臂向下走,这同时可以抵消牵引力加速带来的重心后移对后避震的下压。相反如果转点放在下方,牵引力让后摇臂向上走,反而进一步压缩后避震,这与加速时重心后移的效果产生叠加,后避震的更多下压让后轮承受更多负载力,与此同时作用于前轮的抓地力减弱,会影响出弯加速过程中的操控比如指向性(呈现转向不足)。

1-2 冲击杠杆比加上避震器压缩比 = Wheel Rate 后轮总压缩系数

杠杆比是后轮的移动行程与减震器的移动行程之比(这里需要去掉因为体重的预压带来的自由行程)。 杠杆比完全基于悬架的机械构造来定义,它是可以在整个行程中变化的。压缩比呢,避震器的压缩比由弹簧的刚性/气压等决定,以及低速和高速压缩阻尼的变化影响,在整个行程中它也会改变,比如渐进式的弹簧(例如一些肉眼上能看见初段弹簧间距比较大到后面变密)或者一些气压避震的非线性特性。 因此冲击力和避震器压缩量并不总是线性的。 简单的说Wheel Rate就是后悬架对冲击力的力学响应特性:在车轮受到特定的冲击力时,冲击力经过杠杆比被放大到避震器上,避震器在这样的冲击力情况下根据压缩比特性从而被压缩了特定的行程。

简单小结一下这两个特性:后轴路径它描述了后悬架的移动特性,Wheel Rate描述了受力特性。后悬架可以设计成在整个后轴路径中具有不同的Wheel Rate,可以针对特定的情况进行优化。 大概的说有三种情况出现:递减的(随着后轮压缩行程的增加,避震器的抵抗变小)、线性的(后轮在被压缩的过程中,随着行程的增加,后避震器的抵抗力维持相同)、递增的(随着行程增加,后避震器的抵抗级数增加)。整个后轮的行程范围中,不同的阶段会出现不同的特性(比如初段压缩时从硬变软,中段保持线性,到尾段逐渐变硬)。这其中由于避震器往往是成熟的批量产品,它倾向于做成通用性的设定,因此车架的连杆机构是增加车身避震特性的关键点,因为可以通过结构设计去实现可变的后轮轴位移量与避震器的压缩量的关系。比如自行车里常用的气压避震,其弹簧系数往往不具备线性,需要进行综合设定。

每一种后避震在设计出来后应该都会具备独特的缓冲特性曲线(一个是后轮位移行程曲线,一个是随着后轮行程增加悬架的响应曲线)。


2、踩踏影响

这个目标看似很清晰:怎样让悬挂系统不影响骑行者的踩踏效率,能不能做到用户踩踏时的能量输出不被后悬架的避震器所吸收(泄力的感觉)?自行车对踩踏效率的追求永远都是近乎完美的,因为它本质上是人力工具,因此优先级非常非常高;其次是Ebike,有辅助动力自然会好些,但是也要考虑动力输出至牵引力的效率对电池续航的影响;再其次是摩托车,第一它的优先级不会太高,第二其它不存在踩踏动作从而力学分析和解决方案都会看着相对简洁一些,更侧重在高速高整备质量条件下的稳定和强度上(例如轮胎的抓地力)。

话说回来,踩踏效率的影响有两个:踩踏下沉和踩踏反冲(脚踏回击)

2-1 踩踏下沉(抑制这种下沉叫Anti-Squart):

在踩踏加速时,整个车辆包括骑行者的重心后移,后悬架避震器因此倾向于被压缩,这导致踩踏的做功有一部分会被避震器的压缩抵消,而有泄力的不良感觉;但是除了重心移动之外,踩踏还有一个力量存在,就是链条作用到后悬架的拉力,这个力能让后悬架拉伸,从而能倾向于去抬高骑行者。这两个不同的趋势综合起来会有不同的影响,一个倾向于下陷,一个倾向于抬升。可以大概想向一下,踩踏时,重心的后移动压缩后悬架,后轮的位移让后轮的RC(后轴和五通齿盘中心的距离)趋于增加,而踩踏带来的链条拉力让RC这个趋势抵消掉,从而会有防止踩踏下陷的效果,也就是Anti-Squart。能做到100%的防止下陷是最好的吗,肯定不是,因为骑行中是一个动态的过程,骑行者的重心随时在变,车辆的重心也不是总是趋向于后移,因此这个还是根据使用场景做复杂的考量。另外自行车还有一个复杂因素参与:链条所在的链轮和后飞轮大小对链条拉力和方向的影响,这对于广泛使用变速系统的山地车来说让情况更加复杂。同一个车架,采用不同的档位时踩踏干扰的影响不同。上链线(链条连接齿盘和后飞轮的上段,产生拉力的那段)也因此成为悬挂设计的一个关键。 通常前链轮相比后飞轮对踩踏干扰的影响要大很多。 1X单盘传动系统的当前趋势使优化这一点变得容易不少。 可以体会出来,越小的前链轮(压盘),链条的力会越强(曲柄和牙盘的杠杆关系),会抵消越多的踩踏干扰。更复杂的情况是:在后悬架压缩和位移的过程中,链线的形状和长度都可能有改变,使得这个Anti-squart一直是一个动态的值,现在看这个术语不难理解,但是对它分析后了解这是一个不停变化的动态值,反而变得非常复杂。

一些后避震器会提供一个“踩踏平台”,针对踩踏力这样比较平顺的反馈避震器会很硬,而较大的冲击避震器阻尼会迅速增加通道提供冲击缓冲的能力。

2-2 脚踏回击Pedal kick back或者pedal bob:

这个词真的挺专业范的感觉。当后悬架压缩时RC增加,也就导致链条线变长,那么牙盘会被向后拉,脚踏就被朝后转,产生一种回冲的力。绝大多数的后悬架设计都很难做到在整个悬挂行程范围内后轴相对五通的距离(RC)是恒定不变的(你可以想象一下,如果恒定不变意味着什么,意味着后轮的位移是一个沿五通的圆弧,也就是瞬心固定在了五通中心,这不能提供理想的缓冲性能,也就是说追求一个指标的完美,结果另一个指标变差了)。脚踏回击的程度以曲柄回弹的角度来衡量,越小的牙盘影响越大(因为移动一节链条,齿数少的牙盘会因此转动更多角度)。

抵消了踩踏干扰,可能带来更多的踩踏回击,山地车后悬架里为了追求拉高一个指标反倒拉低另一个指标的情况太多了。而且不止是车架角度,你也看到链条在里面的作用了,传动系统的影响也是一个重要考量。

摩托车没有脚踏,自然没有脚踏回击。但是链条的影响也会存在。除了越野摩托车之外,用于铺装路面的摩托车后摇臂的转点与发动机传动齿轮轴(类似自行车的五通链轮)的距离需要很短,以保证链条长度变化在整个后轮路径变化的过程中较微小,链条产生的反向拉扯不会对传动产生影响,由于摩托车发动机转速和链条运转速度很快,链条也有松弛量,因此这个因素会相对弱化。不过越野摩托会有一点不一样,后摇臂的转点高出发动机传动齿轮太多时,就需要考虑这个情况,有些解决方案如在后摇臂的转点增加一个齿轮,这样齿轮传动变成发动机齿轮到摇臂齿轮再到车轮后飞轮,而链条从一条变成两条(连接前面两个轴的短链条),这能解决链条长度的变化,但增加了零件也影响到车辆后摇臂的布局。


3、刹车相关影响 Anti-rise

为什么有些车子在后轮制动时后悬架会变硬,有些则还是灵活活动的呢。后刹车时一个逆时针的力作用在后轮(比如碟刹),这个力反过来看,刹车时后轮会顺时针方向也就是向下方压后悬架(作用于刹车座,想象一下捏住后刹车,用力顺时针转后轮,后悬架也因此受到顺时针方向的力,因为悬架转点或者说瞬心是在后轮的前方,所以顺时针的力也就意味着悬架的压缩),这种刹车时让后悬架压缩的趋势影响到了在骑行中悬架的回弹。和踩踏干扰相反,刹车时整体重心前移,从而后悬架压力减少受到拉伸趋势,而刚才所说的刹车这种干扰反而抵抗这种趋势,它抵抗的适度会让车子的制动效果和制动过程中的操控得到很好的均衡,它抵抗的过了,反而会是一个麻烦,举个例子,在颠簸路面刹车,刹车干扰过大,发现悬架变硬了,会对操控有不小的影响,同时影响了后悬架让车轮回弹以保持抓地的能力,反过来影响到刹车性能。没有刹车干扰Anti-rise的话,刹车时悬挂工作是正常的,但是重心的变化让车架几何改变。100%刹车干扰的话,刹车时悬挂变硬但是车架的形态和几何得以保持,也可能有利于稳定性。。。又复杂了,因为骑行者刹车的姿势,重心的位置不同车型不同场景都不同。也是理解起来还可以但是寻找一个值非常难的事。


小结

好了这差不多是基础知识点了。至于细节,比如避震器结构,连杆和转点的设计,如何深入的分析,如何去优化,这是比较专业比较系统的事情,是行业技术和专业人士的Know-How,一些结论要变成具体的数据和曲线,连杆结构里面瞬心分析什么的内容,以及簧下质量对悬挂的影响,就比较细化了,不展开了。怎么去优化自然很难,是一座大山,爬山过程中还会遇到一些现有专利挖的坑。

不过至少会理解一点的是那些专业的全避震山地车为什么会那么贵,复杂的连杆结构,避震器的多种功能,它怎么与一些路面上简单的后面加个弹簧的自行车的为什么差别会这么大,不是选择了高级的避震器就能解决的了,还得看整体的悬架结构设计。不同的厂家有不同的方案,而且在追求一些通用的高指标,保证骑行质感在一个高度上的同时,同时也会标榜一些特性出来,有的人会喜欢的不得了,有的人反倒特别的不适应,最后看如何去选择了。

车这块的问题就是这样。。。对一个问题的研究越清晰,越容易得出了一个模棱两可的答案。但这种模棱两可的模糊与不清不楚的玄学懵懂存在本质上的不同。

END

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