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3  單筒式和複筒式

3-1Damper (緩衝器)的作動原理

緩衝器,就是對車子的振動或姿勢變化進行規制,簡單來說就像是煞車一樣的功能。以乘用車所使用的一般油壓避震器來說,車體的運動能量轉換成藉由油的抵抗所發生的減衰力再以熱能的型態向外部發散。

減衰力,裝了油的筒型的筒身中,讓活塞移動時,利用活塞等所設計的小細縫間流動的油的抵抗所產生的力量,剛好跟水槍的原理是一樣的。像這樣利用油的抵抗的緩衝器,減衰力會依照活塞移動的速度來變化。活塞速度越慢減衰力越小,速度越快減衰力越大。總之,活塞速度快就是指避震器擁有大且快速移動的衝程,這樣的狀態下效率佳,會產生大的減衰力來進行強而有力的煞車。

通常的緩衝器擁有「orifice」和「relief valve」的2個減衰力發生機構系統。

orifice是指為流路所設計的小孔或細縫。在這邊流動的油的抵抗而產生了衰減力。流經orifice的抵抗比例是速度的2平方。

relief valve是,總成為了回應所發生的壓力,進行開或閉的動作,這時油流經過總成打開的空隙,就發生了減衰力,以總成的開度來調節減衰力。在一定的壓力到達之前,總成不會打開。有打開後的減衰力就跟速度一樣比例的特性。

緩衝器的減衰力是由這兩個機構的組合來發生。活塞的動作太慢,移動的油量太少時,relief valve不會打開,油只會經由orifice來產生減衰力。活塞速度變快時,移動的油量增加,而orifice能通過的油量有限,進而發生抵抗使壓力變高。這個壓力就推開relief valve,油經由這個隙縫流動,因此發生減衰力原理。最終的特性就是2個組合起來的特性。

通常,relief valve是圓盤狀的薄平板數枚疊起來固定,因壓力的推動而使總成打開。orifice則是relief valve所缺少的一部份,或是軸側設有bypass孔等等各式各樣的種類。會因為總成的枚數或厚度和改變orifice形狀而使減衰力特性發生變化。

緩衝器就是將如同上述的運動能源(壓力)轉換成熱能的裝置。所以是經常在內部產生壓力的裝置,各零件經常一邊承受壓力一邊發揮既定的功能。在彈性變形領域持續使用的各零件的金屬、橡膠,都是能將限界性能發揮的精密的clearance來設定維持的構造。但是,無法避免因為長時間的使用狀態所發生的消耗、變形,裝在車子上的各廠牌避震器都可以說是消耗品。但是HKS避震器不像原廠是不能分解的組合完成品,而是可以分解OH(避震器大修保養)的構造。要持續維持初期的性能,定期的OH(避震器大修保養)是一定需要的。

 

3-2複筒式Damper

也被稱作twin tube damper。筒身(tube=管)是呈現雙重的構造。軸先端的活塞部分,和管的底部所設置的總成來發生減衰力。(前者是主活塞總成、後者則稱為固定閥門總成)管的外側的空間就成了油的reservoir室(sub tank=輔助槽),相當軸進出的容積的油進出reservoir室。reservoir室是,大氣壓的空氣或是氮氣(Nitrogen)氣體封閉在其中,會因為這之中氣體的壓縮、膨脹來吸收油的出入容積。

伸長運動時,活塞上室受到加壓,油讓伸展側(活塞下側)的總成受到加壓而彎曲並漸漸發生減衰力,往活塞下室流去。由於這時軸從筒身中的油裡退出,使活塞下室中與軸相當體積的油量不足,這不足的油量就由reservoir室流出補充。這時固定閥門總成幾乎不會發生減衰力。

縮短運動時,活塞下室受到加壓,油讓縮短側(活塞上側)的總成受到加壓而彎曲並漸漸發生減衰力,往活塞上室流去。另外受到加壓的活塞下的油將固定閥門總成推開,一邊發生減衰力一邊流向reservoir室。

複筒式避震器的特徵

優點
.製造成本便宜
.因為是二重構造,可以容許外側筒身少許的變形。
.構造上有充分的長度,所以可以確保足夠的衝程。

缺點
.過度傾斜時無法使用。
.構造上氣室的容積較小,氣室容積變化(壓力變化)較大,容易超越油封的耐壓性能。
.氣體和油並未分離,容易發生aeration(液體中混入空氣的情形)。想提高sport性能而提升減衰力,容易發生cavitation(減壓沸騰),因此不容易發生安定的減衰力。
.活塞徑沒有辦法增大,所以不容易做細微的減衰力調整。

複筒式避震器因為成本與生產性佳的關係,因此市售一般車輛皆採用這種結構。

 

3-3單筒式Damper

被稱作single tube、mono tube、De Carbon(發明者)式等等。在單一支的圓筒(cylinder)的下方封入高壓的空氣,並為了使空氣不會和油混在一塊,在這之間設計了自由活塞的構造。減衰力是由軸的先端的活塞部所配置的活塞總成的伸長和縮短兩方的減衰力來發生,軸體積份的容積變化由氣體的膨脹、壓縮來吸收。單筒式在自由活塞下封入高壓的氮氣(Nitrogen)氣體,這是為了讓在縮短運動時的活塞上室不要變成負壓而使用非常高的值。

單筒式避震器的特徵

優點
.氣體和油分離的關係,不會發生cavitation、aeration,可以產生安定的減衰力。
.配置自由(可以採用倒立式)
.strut type可以採用倒立式,為了提升減衰力而增加氣壓也比複筒式的氣體反力小,乘坐感較佳。
.活塞徑可以增大,使減衰力可以做細微的調整。
.散熱性佳。

缺點
.各零件需要一定的精密度,成本較高。
.筒身下側配置了氣室,所以長度上會受到限制。
.氣體、油都施加了高壓,所以需要耐高壓的sheet設計。
.會因為筒身的變形發生問題。

以前只有用於賽車用車輛或一部分的跑車,但是最近因為單筒式的良好性能,除了跑車以外的一般乗用車也開始採用。
(例:Crown、Caldina、Demio、RX8、Lanser等等)

 

3-4Cavitation(減壓沸騰)

水在大氣壓下,100℃時沸騰並開始氣化,但是壓力下降到某種程度時,就算常溫下也會開始沸騰氣化。像這樣常溫的液體在低壓環境下沸騰,所產生氣泡崩壞現象就稱為cavitation。壓力低下的部份發生氣化時所產生的氣泡,會因為回壓時重新變回液體。由於這個速度非常快,所以會發生強大的衝擊力、聲音。以日常生活中的cavitation現象來說,在水中迴轉的船用螺旋槳周圍的氣泡,或是讓關節活動時所發出聲音等等。

發生在避震器上的cavitation以單筒式為例來說明的話,在縮短運動時,活塞下的油被加壓,將縮短側的總成推開,往活塞上方移動,自由活塞則只移動進入筒身內的軸的體積份,但是活塞高速移動時,活塞下的壓力比氣室的壓力還大的話,只有活塞移動的體積份自由活塞會跟著移動。這時因為活塞的上室的油體積不足,所以壓力低下發生氣泡,接下來的伸展運動時,氣泡受到壓縮,因而不會產生減衰力。持續這樣的狀態時,減衰力的追隨性變差,連帶影響到車子的動作。 單筒式為了防止cavitation的發生,填充了十分充足的氣壓。

複筒式在伸長運動時,活塞上的油受到加壓,推開伸展側的總成往活塞下移動。還有,軸從筒身內退出的體積份的油從reservoir室通過固定閥門總成來進行補充,但是活塞高速移動時,從reservoir室來的油的補充跟不上時,活塞下室的壓力下降近而產生氣泡。複筒式要避免cavitation的發生,也是和單筒式一樣提升空氣壓,但是構造上氣室的容積沒有辦法充足的確保,可以封入的壓力會受到限制。(因為衝程時的體積變化率大,壓力會變的過高)另外,由於複筒式的油跟空氣沒有被隔離,會發生油內混入空氣的aeration現象,成為更容易產生氣泡的狀態。

 

左圖表示
單筒式散熱較複筒式散熱更為直接
散熱效果: 單筒>複筒

避震器抵銷震動會產生 "熱能",因此需要極佳的散熱效能
若避震器內的油持續在高溫狀態下,容易變質,而影響避震效果

另一點單筒式避震器採用 "油氣分離",不同於複筒式,因此複筒式避震器內的油,容易與內部的氣體混和而變質。

左圖表示
複筒式避震器油與氣體相接觸的區域,容易受到壓力而油氣混合。

3-5固定閥門總成構造(MAXⅡ、Pro)

如同以上的說明單筒式不會發生cavitation且可以得到安定的減衰力,所以氣勢需要充分的加壓,這個壓力經常往軸或筒身外的方向推出,只作動軸的斷面積份。總之,平時就負擔著氣壓×軸的斷面積的反力。反力在減衰力充分發生時不會有太大的感覺,但是在一般街道等緩慢行車時的小衝程會感覺到有「突起感」。

在這邊,為了能讓MAXⅡ、Pro既是單筒式,又能消除「突起感」,在活塞下室設了固定的「固定閥門總成」,可以讓突起感原因的氣壓減低。

原理上是加入複筒式優點的形狀。縮短運動時,在活塞下室②被加壓的油往活塞上室①流動。軸的體積份的油會將固定閥門總成推開,由②流進③,讓自由活塞移動。這時因為固定閥門總成被固定住的關係,③的壓力會一直跟④一樣,比②的壓力還小。活塞高速移動使②的壓力變成高壓時,固定閥門總成會代替高壓氣體的功能來發生必要的減衰力,所以④的壓力就不像平常的單筒式一樣需要不會輸給②的高壓。

 

左圖=單筒式 右圖=複筒式
避震器油通過D閥門. 來吸附地面的震動
D直徑: 單筒式 > 複筒式

表示單筒式內的活塞移動較為快速,可迅速應付來自地面的震動

3-6倒立式Damper

單筒式damper使用在strut type時,通常會採取倒立式(正立式的相反),將避震器上下反過來使用。

使用倒立式的理由是,①strut type也同時有suspension arm的功用,所以需要一定的強度。以正立式來使用時,為了增加強渡必須將軸變粗。(在複筒式使用的是Φ20以上)和複筒比起來封入高壓氣體的單筒式,需要負擔軸斷面積份的反力,將軸變粗就會讓乘坐感變的非常差。②還有,經常承受高壓的軸根部的sheet部分,也會因為strut特有的橫向力發生,使得耐久性變差。

倒立式的構造就如同字面上一般,將正立的反過來使用。軸向下伸展,和上側的活塞,下側被稱作outer case的筒結合。outer case的功用是指引正立式所說的cylinder,通常由上下2個dry bearing來支撐cylinder並進行衝程。cylinder在倒立的時候,outer case被稱作inner tube,藉由上座安裝在本體上。

優點
.承受大彎曲力的部分由粗的筒身來支撐,所以可以確保高硬度。
.不會讓油封類的部品承受負擔,所以避震器的耐久性向上。
.由於避震器本體在車體側,所以可以減輕彈簧下重量。

缺點
.零件數多,總和起來的重量變重,成本也較高。
.摺動部等等需要加工精度。

倒立構造是單筒式特有的構造,避震器底部有固定閥門總成的複筒式避震器在構造上是不可能達到的。

 

 

3-7異音的種類及發生原因

從避震器零件所發出的聲音,會因為車種或避震器的狀態而有各式各樣的不同,而沒有辦法很肯定辨別哪個部分發出的聲音,以下舉幾個代表的例子。

1.カタカタ、ガタガタ、ゴトゴト
.球型軸承(魚眼軸承)spheriasl bearing
球型軸承spheriasl的劣化所產生的空隙。會一直持續出現聲音。因此需要OH(避震器大修保養)。
.bush guide
支撐倒立式特有的inner tube的guide受到磨損所產生的空隙。會一直持續出現聲音,需要OH(避震器大修保養)。
.中央螺絲center nut、其他裝著處的鬆動螺絲的緊度不足所造成的空隙。會一直持續出現聲音。
.因為內部的故障所造成的自由活塞干涉漏油、漏氣等等原因使自由活塞干涉到其他的東西所發出的聲音。需要OH(避震器大修保養)。

2.コトコト
.piston nut
避震器中央的nut使用impact wrench時,反作用力會讓避震器內部的piston nut鬆動,發生雜音。特別是在低速行駛於路況不佳的道路時最容易聽到。要OH(避震器大修保養)。
.主活塞總成接觸音
避震器的伸縮運動切換時的主活塞總成接觸音,特別是在低速行駛於路況不佳的道路時最容易聽到。會因為總成式樣、車種而容易聽到的。只要將減衰力變弱就不容易聽到。持續使用也不會有哪裡壞掉的問題發生。

3.ガンッ、ゴンッ
.底部撞擊
發生在避震器大幅度壓縮時。緩衝器的縮短側衝程不足所引起的緩衝器的底部撞擊。需要調整車高、式樣變更。
.彈簧密合音
發生在大幅度縮短時。彈簧的縮短側衝程比緩衝器縮短側衝程較小,緩衝器在做full bump之前,彈簧密合發出聲音。需要調整車高、式樣變更。
.cavitation
以高速來越過大的段差等大入力時,因氣壓不足發生cavitation,從緩衝器內部發出聲音。依照程度決定OH(避震器大修保養)的需要。

4.シュッシュッ,キュッキュッ
.スイッシュ音
避震器在作動時,油從orifice通過的聲音。調整減衰力就會出現變化。就算持續使用也不會有問題。

5.ギシギシ、ギッギッ
.bush guide
bush guide的磨損或是有所故障時,操縱方向盤時所發出的聲音。避震器需進行大修保養。
.彈簧摩擦音
軸承bearing的故障、或是彈簧和車子的密合度等原因,使操縱方向盤,彈簧受到扭曲,從座卷附近發出聲音。依照程度決定OH(避震器大修保養)的需要。

HKS避震器因為擁有車高調整機能,所以無論如何都會有金屬相互接觸的部份。還有和原廠比較起來,某種程度上特有運動性能的設計較多,就算是正常品,也是會容易發生和聽到聲音的狀態。

 


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