二楼

一
在说山地车避震之前，我们先看一看总的避震器的历史。与单车不一样，在汽车上弹簧和减振器是分开来的（当然coilover除外）。汽车的弹簧不是这次的主要关注对象，就一笔带过，主要关注的是减振器。
首先提醒大家一下名字问题，所有的前叉后胆避震器正确的名称都叫做减振器。这里尤其注意，是减振器不是减震器。这里引用一下带我的某教授的解释，震是单个的冲击，振是连续颠簸的振动，所以都是减振器。当然，在下文里为了不让文字变得太别扭，我还是会用一些通俗的例如避震之类的名字。说起名字，还有不少容易有歧义的名词。变速的每一片是挡位还是档位？我们的轴杆是桶轴还是筒轴还是通轴？

先从最低端的前叉开始，众所周知，最次的前叉是纯弹簧没有阻尼的。这就有人会奇怪了，物理课上不是说无阻尼的自由振动是会一直这么弹下去的么，怎么那些辣鸡前叉这么硬。
这是因为实际情况和理想情况不一样。实际前叉运动过程中有很多的摩擦力，这阻力大家都很熟悉，但它说高端点就叫“摩擦阻尼”。没错，摩擦力也是一种阻尼，而且是最早的一种阻尼，现在各种减振器的爷爷就是摩擦阻尼减振器。
开始正题，说回历史。在最最最早期的汽车（或者说马车车厢）上，只有弹簧，基本没人知道阻尼是什么。在1910-1925年这段时间，车上开始装减振器了，这些最初的减振器都是摩擦阻尼的。例如下面这种Truffault发明的剪刀式摩擦减振器，在1904年首次在汽车上开始使用。这个长的与现在的减振器差老远的东西由若干套摩擦片压紧而成，使用铜片与泡了油的皮革提供摩擦力，并通过锥形盘簧压紧。

后来大家发现，液力减振器比摩擦减振器好用不少。所以在1920年以后等制造工艺啊密封性能啊都有长进了之后，液力减振器开始替代摩擦减振器了。先别急着眼熟，这时候的减振器依然是现在看来奇奇怪怪的模样。那会儿普遍都是下面这种旋转叶片式的液力减振器，底下推动杠杆带着上面中间的叶片转。等到我们眼熟的筒式减振器普及，那就已经是1950年那会儿了。此后，到了21世纪电控减振器开始发展，但最主流的普通减振器的基本形态就一直没太变过。

讲了那么多跑题的，说回我们的山地车。除去那些不成气候的小牌子外，首次让避震前叉普及的是1989年的Rockshox RS-1。这根49mm行程的气弹簧前叉结束了山地车全是硬叉硬尾的时代。从时间上可以看出来，山地车的前叉后胆刚发展的时候汽车的减振器已经稳定几十年了。所以在这方面业界整体的水平已经很成熟了，山地车要做的就是吸收汽车界摩托车界的知识并且把它改造为适合山地车使用。大家不难发现前叉后胆从古董到现在，主流的结构一直没有变过。弹簧不是金属弹簧就是气弹簧，阻尼也都是液阻尼占主流，外构也其实没有过什么根本性的颠覆。山地发展的这二三十年间，基本就是不断的优化再优化，外构变得更轻更硬更结实，弹簧变得更柔顺更细腻，阻尼变得更合理更全能。总的来说，有能参考的例子的确是一件很舒服的事啊。

二
弹簧虽然不是这篇文章的重点，但既然题目里没排除掉它那不说一下也不好。
目前在前叉后胆上用的弹簧都是螺旋弹簧或者空气弹簧。螺旋弹簧不用多说了吧，起码一百年没变过的东西，是个人应该都认识，它的进步基本也就体现在工艺和重量方面。还有变刚度的螺旋弹簧（螺距不同），不过山地车上很少用到，也就不太多讲。曾经弹簧叉弹簧胆除了DH以外都是被排挤的低端玩意，但最近随着enduro的兴起，中行程车越发偏向下坡，弹簧叉弹簧胆凭着更低的摩擦阻力（比气弹簧省去了相当多的密封件）迅速回归，甚至还有把前叉气室改成弹簧的改件。气弹簧换了线圈弹簧之后因为摩擦力明显小，避震会更灵敏，车也会更贴地。好了，线圈弹簧应该也就这么多了。

气弹簧比起螺旋弹簧的学问就要多了。首先气弹簧和螺旋弹簧有哪些区别呢？大家肯定都知道第一印象就是轻（再轻的弹簧也轻不过空气），第二印象就是好调，打气就能调软硬而不需要换弹簧。第三就是气弹簧有非线性特性，说白了就是一开始软最后面硬（这一点有兴趣的朋友可以有克拉伯龙方程自己推导一下）。
如今的气弹簧已经玩出了各种花样，几乎可以调出来各种你想要的特性曲线。通过气室垫块调节气室容积，可以让气弹簧根据你的偏好变得更线性或者更渐进。这其中的道理不难解释。例如拿一个气嘴堵住的打气筒，假设你要压下去5公分，如果总共行程只有5.1公分，那你虽然一开始很轻松，到了最后是无论如何也难以压下去的。反之如果总共行程有20公分，你会从头到尾都非常轻松而且力量几乎没有变化。前者就是极端的渐进，后者就是所谓的线性。从这个例子中我们也能知道去掉气室垫块后，同样一根前叉需要稍微增加气压来防止它末段太软，反之增加气室垫块同理。

气弹簧比起螺旋弹簧还要多的一点就是负压弹簧。这是气弹簧本身的特性导致出现的结构。一根螺旋弹簧，即使在有一定预载之后依然是没有启动阻力，给它一点点力就会压缩相应的长度（当然是忽略摩擦的理想情况）。气弹簧就不一样了，设想一个打饱气的皮球或者你的外胎，需要很费劲才能给它按动，只用一点点劲它是没有反应的。想要在理论上做到没有启动阻力，就只有0psi的气压才能做到（也就是不打气），不然就首先要有克服气压压强x活塞面积那么大的启动阻力才能让前叉压缩。这也就是为什么早期（20世纪）的气压前叉后胆乳齿之硬。
负压弹簧就是理想的解决这个问题的办法。在初始位置加入一个方向相反，力道相等（一样气压）的弹簧，正好就能在启动时抵消刚才说的阻力。此外负压弹簧也可以防止回弹过快导致的猛烈打顶（如下图最左边没有负压弹簧的例子），给初段行程一个缓冲，这也是为什么弹簧叉现在也会用负弹簧的原因之一。而且由于负气室一般远小于正气室，所以除了初段行程以外，负气室对中后段整体的弹簧曲线都没有什么影响。

负压弹簧也有线圈弹簧和负气室两种设计。早期的负压弹簧均为线圈弹簧，如下图的Fox 32一样，有明显可见的负压弹簧。很多弹簧叉也会用负压线圈弹簧的设计，一是为了防止打顶，二也是为了增加小振动的灵敏程度，毕竟给弹簧叉专门做个负气室这也的确有点难为它了......

顶

负气室这个东西原先主要是Rockshox、Manitou之类在玩，FOX早期一直是线圈弹簧。Rockshox以前还有两个气嘴分别调正负的Dual Air。到了现在各家产品都变得差不多了，RS抛弃了Dual Air留下了Solo Air，FOX也从2015年开始改用了自平衡负气室的FLOAT NA系列气弹簧（TALAS可调行程气弹簧还保留负压弹簧，如上图），可以说现在的气弹簧结构基本都为自动串气平衡的双气室。这种结构是什么样呢？就是在最初行程的位置上往外开个槽，正气室和负气室连通，这时候压力相等，等到往下压的时候越过了这个槽，正负气室分隔，前叉正常工作。下面这张FOX气室的结构图应该能够解释的很清楚。

自平衡双气室现在如此普及也不是偶然，首先他比Dual Air这种双气嘴的结构更方便，毕竟调气压就少了一半工作量，只用打一次气。然后负气室比线圈弹簧有明显的重量优势（15款Fox 36改成负气室后，弹簧这部分直接轻了100克），而且由于是自动平衡，也免了线圈弹簧刚度不合适的问题（例如体重较轻的骑手用正常刚度的负压弹簧可能导致缩阳）。
线圈负压弹簧如今已经变得罕见，剩下X-Fusion之类的牌子还在一直坚持（还有例如Magura用硬海绵做负压弹簧这种清奇操作不算）。当然它也不是完全没有好处，例如中段支撑会好一些，还有肯定不会像双气室那样有串气风险，长久下来更加稳定。至于线圈负压弹簧会让前叉更加“线性”之类平时常听到的论调，还是建议大家自行思考一下负压弹簧的工作原理之后，自己判断一下......
自平衡双气室的普及已经是前几年的事了，而近些年在气室上做的文章则是各种外挂气室，以及前叉上更大体积的负气室。Fox的EVOL和Rockshox的Debonair就是增大气室的很好例子，在RS后胆上的Debonair更堪称最复杂的气室结构之一，既有外挂负气室又有外挂正气室（左图右边的Debonair罐子两侧多出来的就是外挂正负气室）。

各大牌子最近越来越发现加大负气室是个好东西。更大的负气室可以在初段给你更持久的辅助，让你有更好的初段灵敏度和中段线性。当然，厂家也都自己有个度，即使负气室增大了，跟正气室相比也是很小的，所以除了初段以外并不会对整体曲线带来太大的影响。这种有利无害的事情大家岂能放着不干？于是除了后胆，前叉上也玩加大负气室。Fox在2018年给前叉都升级了EVOL大号负气室，Rockshox也在同年给Pike等前叉搞上了Debonair大气室，并在2019款给SID也上了Debonair。

在2020款上，Rockshox在外挂气室这一方面又迈进了一步，给Deluxe后胆推出了超级大负气室的MegNeg气瓶（Mega Negative，超级无敌大负气室是也）。这个负气室大到原厂配了一套负气室用的气室垫块（下图红色环状物），从前只有正气室才会有的东西，怕你嫌气室太大。就连Rockshox自己也说这套超大气罐不一定适合所有人。在外挂气室这方面各家以后还会玩出什么花样，现在只能坐等了。

下图是装上了MegNeg气罐的Super Deluxe后胆，这玩意现在不是一般的肥......

曲柄好帅

三
阻尼这个东西就有意思了。它可以说是目前所有避震系统的关键，决定性能的核心结构，也是人们研究最多的东西。但是扒开了说，阻尼的基本原理也异常简单，它其实就是控制液体流动的液压阀。说白了，阻尼的工作原理和你家水龙头是没有什么区别的。
但是千万不要因为原理简单就看不起它，现在的各种芯片不都是由与或非运算组成的，基本逻辑运算的原理也是小学生就能想通，但依旧不妨碍这是一门高（秃）难（头）度学问。阻尼里面的各种阀也同样是高级学问，也有无数人为此没了头发。毕竟这个关于液力的东西就要涉及到流体力学，而流体力学对于绝大部分人来说，基本上就与玄学划了等号。

然讲到这里，那就不得不开始讲流体力学了。就像想学编程首先要懂逻辑运算一样，想完全看明白减振器必须得会一点点流体力学。这玩意我自己也学不怎么灵光，但是只看定性的分析就不那么难理解。这点对于讲明白避震已经差不多了，我尽量把它讲的人性化。

好几百年前，人们还处于啥都不会的那会儿，伯努利（上图：是的对就是我）出版了一本叫《水动力学》的大书。他大手一挥，写出了理想流体的能量守恒定律（伯努利定理），算是奠定了流体力学这个深坑的基础。之后欧拉啊、拉格朗日啊之类的都对流体的流动做了研究，他们发现这玩意解释潮汐，涡旋，水波什么的还挺好使，一时不要太美滋滋。
后来问题来了。法国的Jean le Rond d'Alembert在1752年发现了一个不得了的事情。他拿方程推导发现，物体在流体中运动竟然是没有阻力的！这就是有名的达朗贝尔悖论。这可完了，这明显不科学嘛，三岁小孩都知道顶着风骑车更费劲，水里的桥墩子容易被冲走。后来人们才搞清楚了这是流体的粘性在作怪，理想流体在这里不适用了。知道流体有粘性之后，流体力学进展又加速了。老司机狠狠踩下油门，牛顿整出了内摩擦定律，普朗特提出了边界层理论，1845年的纳维-斯托克斯方程更是沿用至今成为了流体力学的理论基础。
避震器的阻尼能产生阻尼力，也要归功于阻尼油的粘性。阻尼油流过阻尼活塞里的各种孔产生压降，压降乘以活塞与活塞杆面积之差即为产生的阻尼力，能量通过液体内的摩擦变成热能耗散掉。

下面说说阻尼里的阀吧。前面提到了阀的出流孔面积得是可变的，不然前叉就是该硬的时候不举，该软的时候烧火棍。这里解释一下阻尼孔面积与阻尼力的关系，或者说是阻尼孔面积对速度特性曲线的影响。
学过机械振动的一般都认识一个弹簧-质量-阻尼的数学模型，这是最简单的模型，里面阻尼C的阻尼力是和速度成正比的，也就是F=Cv（专业一些就会把v写成x顶上加一点，位移对时间的一阶导是也）。这是对阻尼一个简化的模型，实际上最简单的固定尺寸孔也并不是和速度成正比的特性。

推导过程估计大家也没什么兴趣，这里直接给结果得了。首先假设一个阀的阻尼孔面积与施加的压强成n次方关系，则压强（阻尼力）与流速的关系就是2/（1+2n）次方关系。这些数不用记，大家不用管，看看下面的图就明白。

对于n=0的情况，阀门就没有可变的面积（就是一个固定的孔，最辣鸡的那一种），阻尼力就与流速成二次方关系。当n=1/2时，孔的面积和压力的平方根成正比，阻尼力就直接与速度成正比，得出一个线性的特性。当n=1时，面积与压力成正比，阻尼力与流速成2/3次方关系，速度特性曲线会得出一个渐退的膝盖形状。变量n的取值越高，渐退特性就越明显。这句话通俗的解释就是阻尼孔随着压力打开的越大，在冲击的速度快的时候前叉的阻尼力增长变小，在高速冲击下前叉反应更快，这种通常会被认为是更理想的。

在避震里，一般使用的阻尼模型是上图这样的并联模型，由一个常通孔Ap和一个垫片阀Av组成。这个常通孔就是大家经常说的“低速阻尼”，垫片阀就是“高速阻尼”，是不是平常吹的顶天厉害的高低速阻尼一下就好理解了？好，来看看下面这个曲线。

这个速度特性曲线里，第一阶段对应的是避震伸缩速度较低的情况，这一阶段是高速阻尼关闭，只有常通孔（低速阻尼）起作用的时候，阻尼力曲线的斜率较大，有利于在比较平的路面上提供较好的支撑性，减少踩踏造成的浮动，加速和刹车造成的纵倾。
曲线中第二阶段对应速度较高的情况，这一阶段泄压阀（高速阻尼）开启，阻尼力曲线呈渐退规律，这可以避免在树根和乱石路上避震太硬，让前叉后胆在连续冲击下更好地吸收振动，提高山地车在激烈的越野中的速度与通过性。
第三阶段是速度极高时的情况，为了保护前叉后胆免遭损坏，阻尼力需要较大增长以避免猛烈打底。

当然，以上是纯理想的数学模型，实际的前叉后胆性能肯定会与以上描述的有出入。但是，现在大家起码大概知道了好的阻尼应该是怎么样的。
前面说到随压力改变面积大小的阀门，这是一款好阻尼的关键。一个合适的面积关系最简单粗暴的办法是设计一个有恰当造型的异形孔的滑阀，但这需要吊炸天的加工技术，成本也会随之上天。用其他类型的阀门，由于面积和阀门开度位置成比例，就需要一个可变渐进刚度的设计。要是弹簧背压的阀门，就需要一系列渐进布置的弹簧来实现。也可以使用单个渐进刚度的弹簧，例如渐进螺距的螺旋弹簧，距离最紧密的几圈最先压缩，导致弹簧可压缩的圈数变少，刚度增加。但是，这种弹簧由于加工上的微小误差，并不能简单且便宜地加工出性能一致的产品。因此，由分隔开的若干个薄阀片组合成的阀片组是一个更实用的办法，也就是现在绝大多数阻尼采用的设计。


阀片可以有若干数量，若干种尺寸和若干种厚度，排列起来基本可以实现大多数想要的效果。而且比起前面说的其他方法，这种也是成本最低而且个体差异最小的结构。

活塞与阀片这样组装起来便是完整的阻尼活塞部分。

一套组装好的阻尼活塞总成就长这个样子。