避震车架分类与特点

写在前面
本网页内容主要是自己从各网站上所学习到的资料整理，内容并没有很严谨的分析与验证，而是从个人观点对各类型车架设计的见解，仅供各位站友茶余饭后有闲聊的话题。我从未有车架设计经验或专业的力学分析训练，只能从一般性的物理原则去探讨，数据内容我已经尽我最大努力去力求准确，若您发现任何错误或有不妥的地方也请不吝指教。

车架种类
市面上这么多种类的车架结构，各个厂牌都略有不同，但是大致上都可以分为以下三个种类，而各种类下又有其它的次种类，我们将谈到的包括：
1. 固定转点
a. 单摇臂 (Monopivot)
b. 连杆式 (Faux bar)
2. 虚拟转点
a. Horst link
b. VPP
c. NRS
d. Lawwill
3. 其它
a. URT
b. i-Drive
我们将从每个大项的介绍切入，进而探讨各种技术的优点与缺点。

踩踏对避震车架的影响
避震车架最令人在意的就是对踩踏力量的反应，由于避震车架的前三角跟后三角是分离的，因此踩踏的力量有可能会造成避震器的压缩或拉伸因而产生能量损耗，而这样的情形我们称之为”bobbing”(虽然有人翻译过这个名词，但我觉得翻得并不好，所以沿用原文)。先进的车架设计就是希望能达到避震器对踩踏力量没有反应，此时我们称车架对踩踏的反应为”中性(neutral)”。

一个很大的误解是”车架的bobbing主要是由于使用者”向下”踩踏所造成的，与避震器本身的”向上”回弹合为一个周期”，虽然从旁观察起来看起来很有道理，但事实并非如此，若是这样，那车架就无法分辨出这到底是路面的颠簸所造成的，还是踩踏所造成的，因为同样是垂直方向对车架作用，也因而无从消除踩踏的影响。事实上，踩踏的影响在于齿盘施力于炼条上，而炼条牵动飞轮后，对车架前后段之间产生作用力，因此造成避震器伸长或缩短，即下图中的红色箭头所代表的力，此一作用力的方向由从飞轮到齿盘的线条(chainline)所决定，请先理解上面这句话再往下看。


从图中看起来应是后三角沿着转点(蓝色圆圈)对前三角旋转，但实际上后三角大部分的时间是跟地面接触的，因此我们可以假设后三角为静止不动的参考点，而是前三角沿着转点对后三角旋转(如蓝色圆弧所示)，因此红色箭头是指向后轮轴，代表对前三角的拉力，在旋转过程中请注意前轮是可自由前后移动(如绿色箭头所示)。因此前三角对后三角可做两个自由度的相对运动，在此我们可以找到一个瞬时旋转圆心(instant center of rotations, ICR)，这代表某一时间下，前三角上的每一点的瞬时运动均垂直于本身至圆心的联机，而瞬时即是代表这个圆心会随着车架的相对运动或避震冲程位置不同而移动。在这个例子中，从后轮心到转点的线(垂直于蓝色圆弧运动方向)与前轮心垂直于地面的线两者相交之处即为ICR；若有虚拟转点则上述第一条线以虚拟转点到后轮心为准。若我们的施力方向，即红色箭头方向，直接作用在ICR上则不会产生任何力矩，即避震器不会对踩踏力量产生反应，如此例中的延伸紫色线条所示。同理，若紫色线条通过ICR上方，会使车架因踩踏力量而压缩；反之，会获紫色线条通过ICR下方，则使车架伸长。然而，在实际骑乘时，chainline在变速时会随之改变，因此在上例的车架中，并无法在任何档位都使避震器不产生反应。

避震车架 -- 固定转点

a. 单转点 (Monopivot)
最初的前后避震车通常都是采用单摇臂的设计，因为它的架构简单，而且各项的特性也很容易分析。在这里我们选的代表车款是SantaCruz的Bullit，它的踩踏效率就如同我们之前所说的，只能在特定的档位去减低踩踏对避震器的影响。由于只有一个转点与后摇臂，减少了一些连杆的重量，它的转点跟后摇臂可以做得相当坚固以维持整体的刚性，相对的在选购时也要注意主转点与摇臂是否做得够坚固。
固定转点的车如采用高转点设计会在踩踏时使避震器拉伸，而低转点会在踩踏时使避震器压缩，因此一般单摇臂的转点位置通常在大盘到中盘之间，使得在使用小盘时使避震拉伸而减缓避震器作动，增加踩踏效率，而在下坡时以大盘踩踏能维持避震器的灵敏度。由于单转点的设计是最直接的受力方式，在避震灵敏度上仍是最佳的系统，因此目前多用于DH用途的车上。至于DH车的转点会放那么高，当然对踩踏会有一些帮助，但主要原因应该是因为在长冲程的车上要尽可能提高BB的高度，以避免在后段行程时造成踏板触地。

b. 连杆式 (Faux bar, Seatstay four bar)
这类型的车架很容易让人误以为是Horst-link，但其实它的表现跟单摇臂的车架相当接近。差别就在于后轮轴附近的转点位置，请比较下图与Horst-link的转点，可以发现原本在Horst-link的chainstay上的转点，在Faux-bar上则是位于seatstay上，而使得后轮轴到前三角之间只有一个转点，其它的连杆只是用来改变对避震器的驱动方式，若以它的后轮轴在行程中运动的轨迹(wheel path)则同样是一个正圆的圆弧，因此它在踩踏方面的表现跟单摇臂的车架相同，均是以固定的转点位置来决定其特性。但由于连杆的帮助改变了施力的方式，因此Faux-bar在煞车的性能方面则优于单摇臂，这我们在以后的章节会谈到。可以发现到一个有趣的现象是Faux-bar的主转点位置几乎位在seattube后面跟chainstay的交界处，这是由于要顾虑到连杆的连接点与前变位置，因此几乎只有那个地方有空间设置主转点。
这类型的车架与单摇臂同样都只有chainstay经一个转点后连接到车架，但它又加上其它连杆的辅助，因此它的刚性应该是较单摇臂好一些。

避震车架 -- 虚拟转点

虚拟转点指的是wheel path的圆心并不在车架实际主转点上，实际转点必须是连结在车架上的，虚拟转点则可落在车架外，甚至可移动虚拟转点位置来对每个文件位的骑乘做最佳化。而一个车架要有虚拟转点的条件则是后轮轴到前三角的每个连结均必须要通过两个以上的转点，如此才能使wheel path的运动不同于一个正圆的圆弧，听起来有点复杂，但比较下面的几个结构相信会比较容易了解。
a. Horst link
Horst link应该是虚拟转点中最常见的一种，广为人知的是Specialized拥有该项专利，并应用到各种系列的车种上，但为了跟上面的Faux bar比较，我们选择了Azonic Saber (国内又称Xtension Xplore)为范例，当然跟我本身就是骑这台车也有关系啦！图中的Horst转点即是这个车架的关键。
在此，我们定义瞬时转点(IC)位于前三角上的两个转点与相对应后三角转点的交点处，请参考下图，在这个瞬间后三角上的每一点都对IC的垂直方向运动。但我们要探讨的并不是整个后三角而是后轮轴的运动，所以再从后轮轴联机至IC；移动一小段行程，再重复以上动作之后，我们会得到两条后轮轴至IC的联机，联机的交点我们称之为等效转点(Effective pivot, EP)，即代表在这一小段行程中，该车架的性能表现等效于固定转点置于EP的单转点车架。在整个行程中，EP会随着行程改变而移动，因此我们可以设计EP的位置去适应上坡或下坡不同的需求。


Horst link的缺点在于它的后轮轴多经过了一个转点才连接到前三角，因此在刚性比较不如固定转点的车架，并且Horst转点受力与主转点相当，但它的位置又不允许加大转点尺寸去增加刚性，所以在选购时要注意转点的设计是否够坚固。
虽然从理论面来说Horst link的设计可以增加在不同情况下的踩踏效率，但是在执行面并不代表使用Horst link必然会有比较好的表现，它所提供的是一个允许转点移动的可能性，设计者可以善用这个优点去设计所想要的转点位置，但也有可能获得比固定转点更糟糕的结果，这就要看各个车厂的功力了。
注：Ellsworth ICT其实就是Horst link，但却是两个不同的专利，真不知是怎么过的。

c. NRS
NRS可说是虚拟转点中很特殊的一种，它应该是所有避震车架中唯一能够让你站起来踩也不会使避震器作动的设计，如果使用者有正确的调整气压值的话。NRS的概念是这样的，它一开始的IC是在约一台车身的前方，约头管下方的高度，请参见下图。

因此在初始的一大段行程都是会使避震器拉伸，而它的气压避震器必须设定为0 mm的sag，因此在要拉伸时会遇到避震器的抗力而不产生反应，避震器既不拉伸也不压缩，所以也就没有能量的消耗。但所要付出的代价即是在前段行程避震器相当不灵敏，因为路面震动必须大于踩踏力量后避震器才会有反应，在上坡时几乎就是一台单避震车，至于喜不喜欢这样的感度就看使用者个人怎么去衡量了。它的刚性应该是跟Horst link相同，因为他基本上就是一个Horst link的设计，不过它的市场定位是在XC的骑乘，所以对强度的要求并不是那么强烈，况且你除了Giant没有其它的NRS可供选择。

b. VPP
VPP是另外一种类型的虚拟转点设计，特点是S形的wheel path，它的EP是先从很远的后方再跑到大齿盘前上方的位置，这样应该会使车架在整个行程都属于拉伸的状态，虽然踩踏效率好，但应该会牺牲掉一些避震的灵敏度，这部分我还不太确定。但是车架刚性应该会比Horst link还好，它是用两个小的连杆去连结前后三角，如此后三角是一体的结构，小连杆也可以做得比较坚固。下面是Santa Cruz的blur与它的wheel path的放大图。
注：DW link、Maestro link与VPP的几何结构类似，因此也有同样结构强度的优点，但转点位置跟踩踏效率则不大相同。

d. Lawwill
这类车架其实也是属于Horst-link的一种，也同样具备虚拟转点的自由度，只是它的seatstay特别短，而seatstay连到车架的连杆特别长，因此必须具备相当的强度，这也导致车架整体重量比较重，但它的避震功能较不因煞车而产生反应，所以常被应用在DH车上。

避震车架 -- 其它

a.URT (Unified rear triangle)
这类型车架的特点在于BB是位于后三角上，再以一个转点与前三角做连结。因此最显著的好处是在避震作动的过程中，chainline的长度不会改变，所以也就没有踏板回击的问题。此外，这样的设计可以在坐着时有一个灵敏的避震效果，同时在抽车踩踏时又能不受能量损耗。
但天下没有白吃的午餐，这样的设计也产生新的问题，当你在站立或用力踩踏时所施的力会使避震器拉伸，而转点越高这样的情况会越严重；另外，它的seattube长度是会因避震行程而改变。但下坡才是它的致命伤，当我们在下坡时常需要将身体离开座垫，将重心往后移以避免前翻，但在URT设计上，此时你的重心几乎都是与后三角一起跟着路面起伏，等于没有避震效果。总而言之，若要获得URT的好处在上坡时要站着踩踏，在下坡时必须坐在座垫上，而这也是为何这样的设计已经渐渐的不被采用了。选购时除了转点之外，转点附近的加强也很重要，不过现在要找到这样的车的机会很小了。

b.i-Drive
同属于URT的结构，只是多出来在BB附近的小连结，这主要是用来改善seattubet长度问题与减低踩踏时避震拉伸作用，但对于下坡时的避震效果没什么帮助。

煞车对避震车架之影响

除了踩踏的反应之外，避震车架对煞车的反应也是值得探讨的地方。在煞车时，后三角会因为地面与轮胎之间会产生一摩擦力，而这个摩擦力就会产生力矩，使车架沿着转点而压缩或拉伸后避震器，而这会导致避震器对路面的反应较不灵敏也较不可预测。而在这压缩跟拉伸这两种反应中，拉伸又会有重心前移的问题，由于前避震在煞车时必然是压缩反应，若后避震器在同时也拉伸则会使身体重心前移，会造成下坡操控性不佳，更甚者会因前空翻而摔车。由于煞车均是对车架主转点产生一力矩使避震器作动，因此我们以车架对煞车反应的力臂(L)来比较不同车架对煞车反应的强度，正的L值代表该力矩会使避震压缩；反之，负的L值代表该力矩会使避震拉伸，越大的L值代表反应越强烈。接下来就来看看各种类型车架对煞车的反应：
单转点车架(含Monopivot, URT与i-Drive)
单转点车架对煞车的反应都是压缩的，它的力臂值即是主转点到地面的高度。一般在是350~500mm之间，越高的转点会使车架压缩的越多。
连杆式车架
在这里问题就复杂得多了，下图是一个典型的Horst-link的结构，它的L值因为各连杆间的夹角与长度不同而改变，但我们可以把L写成以下的公式：





观察上式可发现若上连杆跟chainstay平行时，a=-b，则后面那一大项均等于0，而L=k*sin(a)，这代表当主转点高于后轮轴时会有些微的压缩效应；反之，则为拉伸效应。一般L都在-70 ~ 70mm之间。同理，若主转点与轮轴等高则避震器对煞车则不会产生反应。若上连杆垂直于seatstay(d=0)，则会使避震器压缩，L值通常较单转点车架小，约在200 ~ 230mm。而在这两者之间的设计其压缩效应则随着上连杆越平行于chainstay而减小。
Faux-bar设计
这样的车架设计应也可套用以上的公式，只要将图中的h值设为零即可，通常这样的车架其L值会较单转点车架小。

应用以上的判断准则就可以看出不同设计的车架对煞车的敏感度大小，要注意的是L值会随着避震作动而改变a,b,d与g角的角度，因此在不同的行程会有不同的力臂值，一般来说均是以在预压值的L值做参考。