初识山地车悬架

作者：Trevor Worsey，Ruben Torenbeek

       为了解开后悬架的奥秘，我们邀请设计RAAW Madonna的著名工程师兼设计师Ruben Torenbeek，为大家带来对后悬架功能和设计的两部分深入性研究。悬架设计是一个非常复杂的事情，即使是基本的解释也会导致具有挑战性的理论。在第一部分中，我们将引导各位了解后悬架的基本特性。无论你是自行车新玩家或是出于好奇，亦或者你已经对避震有了较深的了解并正在寻找更多知识，你都可以在这里找到想要的东西！

1硬尾与全避震

        在过去的几十年中，避震前叉和车架的技术日新月异，并在舒适性、效率和自行车性能方面有了更多的新标准。如今，大多数山地自行车都具有避震前叉，但今天我们主要研究后轮避震悬架。

        无论MTB还是E-MTB都有硬尾和全避震产品。前后车架刚性连接即为“硬尾”，后车架采用悬架连接的自行车称为“全避震自行车” –这是“后悬架”。

       后悬架有多种设计目的，包括提高舒适性和在复杂地形中增加牵引力。不论其目的如何，后悬架始终以相同的原理工作。避震器通过弹簧（包括空气弹簧及油压弹簧）吸收后轮撞击产生的能量以降低车手所收到的冲击。在过去的几十年中，设计师和工程师创造了许多种骑行特征各异的悬架。不同的悬架设计有着不同的踩踏、制动和吸震能力特点。

        悬架设计包含两个重要元素。首先是减震弹簧和阻尼器，通常称为后避震。第二个要素是将后轮连接到后避震的后车架组件。车架设计人员和后避震器设计人员合作将车架设计为一整个系统。自行车行业相对其他行业提供了种类非常丰富的悬架设计，比如说各个摩托车厂商的后悬架结构设计基本一致。

       悬架设计需要知识与经验。每种悬架设计的目的都是为了满足特定的避震感受和操控性。了解悬架特性理论是悬架设计的第一步。不同的设计对踩踏影响几何？制动时悬架会发生什么变化，它如何处理后轮撞击？那么，现在就来了解后悬架的特性以及它们如何影响越野时的操纵方式。

        要了解悬架，我们必须首先了解吸收冲击，踩踏效率和制动效率之间的关系。例如，如果踩踏效率与其他所有功能完全无关，那么设计师可以轻松且完美地对其进行优化，但这明显不行。出于平衡悬架设计预期的目的，悬架特性不得不有所妥协。

       1.3.1吸收冲击

       悬架系统的主要目标是吸收冲击，或者说吸收冲击后轮产生的能量。冲击吸收的特征是由两个元素定义的：车轮轨迹和车轮速度。车轮轨迹是在悬架压缩期间后轮轴遵循的精确路径。轮速是冲击压缩率加车架压缩率

       1.3.2车轮轨迹

       在悬架压缩过程中，轮轴遵循设计好的角度与路径运动。在所有悬架设计中，轮轴行程均不同，并由悬架的各个转点控制。所使用到的行程取决于障碍物的大小，其会以一定角度撞击后轮。理想情况下，轮轴路径应沿冲击方向移动，所以通常认为后轴路径对于吸收冲击更好。但真实情况中，悬架系统不能仅围绕车轴路径进行设计。找到悬架特性的最佳平衡是设计的最终目标，因此需要根据自行车的设计目的进行调整。

       1.3.3车轮比率

       吸收冲击的第二个特征是车轮比率。轮速是两个比率的总和-车架压缩率和后避震压缩率。车架压缩率是后轮的行程与减震器的行程之比，其完全取决于悬架的机械结构，并且压缩率在整段行程中都在变化。

        其次是避震器压缩率。避震器压缩率由弹簧刚度或气压以及增加的低速和高速压缩阻尼组成，在整个行程中都有变化。冲击力和压缩量不一定呈线性相关。悬架可以设计成在整个行驶过程中具有不同的车轮比率，并针对设计目的优化。我们将使用压缩性、线性和支撑性来描述车轮比率。

       ①易压缩性

       压缩避震器所需的力随着行程的增加而减小。易压缩的避震器更能使用完行程，并且悬架倾向于感觉更容易把行程完全吃尽。

         ②线性

       压缩减震器所需的力与行程增加保持不变。线性通常与可预测性息息相关。整个旅行中使用的旅行数量保持不变。

       ③支撑性

        压缩减震器所需的力随行程增加。悬架使用的行程越多，悬架就越难压缩。Enduro和DH更多采用渐进的悬架设计防止触底，并确保整个行程在得到完全有效使用的同时不会太过容易触底。（捷安特打底王就是在压缩率末端有一段上扬，造成最后一段容易触底）

        吸收冲击可定义为悬架吸收后轮冲击产生的动能的能力。后轮轨迹和后轮比率定义了吸收冲击，并与悬架的其他特性有关。取决于自行车设计目的，冲击吸收的优先级可高可低。以下坡为主要目的的自行车通常会优先考虑吸收冲击，同时也需要考虑平衡踩踏效率或制动效率等特性。

2.踩踏效率

        二十年以来，悬架系统设计最大的限制就是：我们如何设计一种不从车手身上吸收能量的悬架系统？自行车应该尽可能地高效，以将骑乘者的每一瓦功率转化为动力（由于e-bike含有辅助引擎，故情况有所不同）。自行车骑行是非常动态的动作。与骑有发动机和坐姿相对静止的摩托车不同，自行车车手可能向各个方向移动。踩踏效率是指将能量从车手传递到后轮的能力，这取决于抗下沉系数和踏板回击。

2.1抗下沉系数

       当你在跑车里猛踩油门时，在受到外力、产生加速度的条件下，你会由于自身固有惯性的原因产生一个相反的运动，会把人推回到座位上。同理，骑自行车和踩踏时也会发生相同的事情。当自行车加速并由于人和自行车固有惯性的原因，人与自行车都会产生一个相反的运动，就像坐在那辆加速的跑车中一样。

        踩踏加速，由于惯性原因，后悬架压缩。因此，踩踏时后悬架就会产生压缩反应。这就是“下沉”。

        但是，传质并不是踩踏过程中唯一发生的事情。链条力拉动后悬架，使链条伸长并抬高车手。抗下沉是描述避震对链力反应量的术语。防蹲坐用百分比测量。0％抗下沉意味着链力对悬架没有影响，踩踏会使悬架压缩。100％抗下沉系数意味着链条力精确地抵消了传力，因此自行车悬架不会下沉。少于0％实际上会放大传质已经完成的作用，而超过100％的抗下沉系数会使悬架拉伸。

        前面的解释没有考虑到踩踏自行车的动作是非常动态的。人们非常积极地骑自行车，他们身体移动、推、拉动，影响重心。如果重心是静态的，那么抗下沉系数将是一个更容易解决的问题。设计师和公司对抗下沉系数有不同的理论，并针对他们认为正确的问题进行优化。当然，没有一家厂商掌握了真相，这个问题愈发复杂。

        抗下沉系数是后悬架对链条力的反作用。这意味着悬架的设计不仅起作用，而且还影响链条的位置和方向。上链线长度是悬挂设计的关键，变速器是当今自行车的标准配置，所有减速比组合都有不同的上链线长度。这会导致不同档位的抗下沉系数。通常，与牙盘相比，后飞轮对防下蹲值的影响较小。单盘系统趋势使优化抗下沉系数变得容易一些。具有两个或三个齿盘的曲柄组会在最小的链轮上产生更高的防下蹲值。

        在悬架压缩期间，悬架的链线长度和几何形状也会改变，从而在不同行程上有着不同的抗下沉系数。“抗下沉系数”这个术语并不是很难理解，但车手的姿态变化以及像链线长度这样的因素使它成为一个非常复杂的问题，目前尚无解决方案。

        那么，为什么不设计具有非常高的抗下沉系数的自行车呢？想象一下，在一条路况复杂的小路上，悬架受到地形的影响，并为您提供攀爬的牵引力。踩踏时悬架处于活动状态，这意味着链条上存在张力，并且悬架会压缩。大多数悬架设计在整个行程中链条长度都不恒定，发生链增长。回到脚踏实地的情况，悬架的压缩会导致链条增长并拉动曲柄。踏板向后拉的不适感称为踏板回击。踏板回击仅发生于花鼓棘轮棘齿啮合状态下，即在踩踏或“缓慢”滑行时发生。踏板回击以曲柄组件的旋转度为单位。踏板回击与抗下沉系数一样，取决于链条的位置和方向，且曲柄上的较小齿盘将产生更多的踏板回击。

3.1抗抬升系数

       现在，我们必须考虑后悬架设计如何影响制动性能，为什么有些自行车在制动时会变硬，而另一些仍保持完全活动状态？后制动器由安装在后轮上的刹车碟和安装在车架上的卡钳组成。制动时，会有来自制动的力进入车架。在完整的全避震自行车上，此力会影响悬架的功能。制动影响的级别由术语“抗抬升”定义。本质上，抗抬升系数是悬架在制动力作用下压缩或延伸的量度。抗抬升系数可设计为在制动时保持自行车的几何形状平衡，或在制动时保持悬架的活动。

       如果突然刹车并尽可能快地停车，您就会知道手上有压力的感觉。刹车时，减速并且由于惯性，人会向前运动。重心向前轮运动，后悬架拉伸。抗抬升是由于施加在后制动器上的力而引起的悬架压缩。传质使悬架拉伸，可以使用抗抬升来抵消这种情况。后刹车的位置和悬架的几何关系决定了悬架对制动的反应方式。

抗抬升系数单位是百分比，可以通过0和100％来了解该系数。

3.3.1 0％抗抬升系数：

· 刹车对悬架几何没有影响，由于质量传递，悬架将拉伸。

· 悬架不受制动影响并保持活动状态。

· 自行车的几何形状发生变化。

3.3.2 100％抗抬升系数：

· 刹车会影响悬架几何，影响力和质量传递的结合确保了悬架在制动时不会压缩或拉伸。

· 自行车的几何形状不会改变，并保持平衡。

       理想的抗抬升系数取决于自行车的用途，并且与抗下沉系数等其他特性有很大关系。与所有特性一样，它们在某种程度上是相互关联的，并且在设计时必须考虑到平衡，以达到设计目的。

       这就是第一部分的全部内容，我们希望你现在对避震系统基本知识有了更好的了解。但是，重要的是尽管所有概念都很简单，但悬架特性都是相互影响且动态的，并随着系统在其行驶过程中的变化而变化。这就是使避震系统如此复杂但又如此有趣的原因。

翻译自ENDURO MTB MAG文章：

https://enduro-mtb.com/en/mtb-suspension-kinematics/