彈簧如何減震?物理學上怎麼看!

車訊網 option 2018-04-17 08:59:00


在傳統彈簧(圈狀彈簧)和減震筒組合的避震器設計上,彈簧依然扮演支撐車重以及吸收不平坦路面對輪胎造成的衝擊,也包括車子在加減速﹑煞車﹑轉彎對彈簧的施力。

輪胎為了保持在崎嶇路面的接觸,彈簧的K值造就吸震的強弱,讓這台皮卡能快速的前進。

簡單來說,彈簧在物理學上可看作先儲存衝擊力的能量,當車子快回到水平姿態時,再釋放能量使車子回到正確軌道。其實彈簧用的碳鋼或合金鋼材質中會參拌矽﹑鉻﹑錳等其他金屬元素,增加材質的彈性﹑抗拉強度和疲勞限度來承受衝擊,在彈簧的兩端受力時,鋼線受到剪應力變形而有彈力,以抵消兩端的外力。彈簧的變形量是根據物理學的「虎克定律 F=KX」而定,其中F為受力,K為材料的彈性係數,X為變形量。舉例來說,假設彈簧K值是固定的,受力50kg(F)時會造成20mm的壓縮(X),之後每增加50kg的壓力就會增加20mm的變形量,由公式就能看出,對彈簧施力愈大,就得被壓縮(或拉伸)更多來保持輪胎跟地面的接觸,維持車子的循跡性。然而彈簧的變形量有限,加上車子在靜止時已經有一定的壓縮量,除了支撐車重之外還要承受來自路面的衝擊,使彈簧的壓縮空間變小,因此原廠避震彈簧較長來增加伸縮量,並以避震器裡的Bump Stop(避免減震筒內的零件相碰而耗損)碰到避震器上座為極限,稱為「彈簧的行程」,受力範圍也僅限於此。

競賽中的Rally車為應付非常多的跳躍動作,使用很長的彈簧來增加壓縮空間,以避免「觸底」的狀況,落地後保持底盤的穩定性。

當車子過彎時彈簧被壓縮到「觸底」(彈簧行程用盡,無壓縮空間)的情況發生,壓力就會傳到胎面,胎面也超出極限後就會喪失循跡性,所以彈簧的軟硬度和行程長短都非常重要,以避免「觸底」的狀況,使一般乘坐車的車身相對較高,意味著重心的提昇,對操控表現有一定的影響力,過軟的彈簧贏得舒適,卻是操控上的障礙,除非像常跑爛路的越野車,就需要較軟的彈簧才能持續輪胎與路面的接觸,同時得拉長彈簧的行程。

6kg和5kg荷重的對比,K值愈高,壓縮量愈少,彈簧的行程較短,代表能承載更大的荷重,提高操駕的極限。

關於彈性係數(K值)的大小事

K值跟彈簧的材質特性和尺寸有關,是一種抵抗形變的能力,其單位為kg/mm,表示每下壓1mm需要的公斤數,K值愈大就代表彈簧愈硬,能負載更多的力量,就是從公式F=KX得到的荷重與變形量比值(正比),也是彈簧好壞的關鍵。

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