自行車知識----自行車的設計重點


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1.車架、前叉
  車架、前叉作為自行車的首要主體應該是一個顯而易見的常識,也不會受到專業知識的質疑。車架、前叉構成了自行車的主要架構,同時也是傳動的主體。其影響自行車騎乘性能的主要因素是重量與剛性,其次是車架幾何。
 
a.
重量與剛性
  重量輕同時又要剛性高,可以用材料的選擇去達到,但也可以用重點加強、管型構造來完成,但是這一切都有成本的考量在內。有時候同樣的效果可以以較不花錢的方式達成,例如,鋁合金可以便宜又有效的達到輕量化的效果,然而部分車架結構採用碳纖維則有不犧牲剛性同時增加舒適度的效果。對鋼材而言,鋼與碳纖維的結合可以非常有效的降低鋼車架的重量又不失鋼材的騎乘特性。
 
b.
車架幾何
車架幾何是自行車在材料科學、機械學外在車架結構上最明顯影響性能的因素。車架幾何包含了車架結構的尺寸與角度兩個部分。

(1)
尺寸:尺寸是指構成車架各部管材的長短,不同的品牌在同樣大小的車架會有不同的結構尺寸的出現。例如,上管長度、頭管長度、前叉前引長度、BB與輪軸落差距、後下叉長度,以上尺寸的差異都會明顯的造成騎乘性能上的差異。同樣大小的車架,上管越長前進性能越佳、頭管越長操控力量傳導越佳、前叉前引越短操控越靈敏、BB與輪軸落差越大騎乘與擺動都越穩定(但過低則力量傳導與靈敏度會變差)、後下叉越短則踩踏傳動靈敏度越高。

(2)
角度:在車架的結構上,中管角度與頭管角度會同時影響性能與尺寸。在同樣大小的車架條件下,中管角度越小(後斜)車子騎乘重心越後移也越穩,反之則重心前移且騎乘感較不穩定。同樣的車架頭管角度越小(後斜)則操控靈敏度越差但直線穩定性越好,頭管角度越大,則操控靈敏度越好但是騎乘穩定度會較差。Peloton的觀點是:自行車騎乘的穩定度要高,操控則要靈敏,同時踩踏的力量傳導要越靈敏越好。於是在同樣大小的車架中Peloton的上管較長、中管角度較斜、頭管角度較直立、BB與輪軸落差在7cm(屬於較低)、後下叉長度為40.5cm(屬於短後下叉)

2.
車輪
  車輪是所有行動載具的基礎要件。相信許多開車的人如果有更換輪圈的經驗,都應該會明顯的感受到輪子對汽車性能的影響有多大。
  車輪是自行車與地面接觸的部件,從車架傳來的力量完全透過車輪轉換為速度。因此車輪的性能對速度的影響常常是比車架、前叉來得大。騎乘經驗告訴我們,一組性能好的車輪可以大大的提昇騎乘表現。

a.
車輪的剛性
  騎士踩踏的力量透過傳動系統機械性能的傳導,最後經由車輪的轉動成為前進的速度。此時車輪滾動性能的高低,直接影響著自行車速度的發揮。自行車的傳動是將人力經由踏板、曲柄、大齒盤、鏈條、飛輪、花鼓直接傳到車輪產生滾動,再經由輪胎與地面的摩擦力將車輪的滾動轉為前進的力量。在這個個力量傳導的過程中因為材料、機械系統運轉、阻力等因素,會不斷的消耗力量而減低所產生的速度。此時車輪材料的剛性越大所流失的人力越小,所產生的速度也就越快。
  車輪的剛性來自幾個部分,首先輪胎的剛性可由胎壓來解決所以不予討論。其次是輪圈的剛性,然後是結合花鼓與輪圈之幅條的剛性。

(1) 
輪圈的剛性:輪圈的剛性最直接來自材料,不同的材料會有不同的剛性,相同的材料重量不同(質量不同)也會有不一樣的剛性。一般來說超過一定的輕量後則剛性開始降低,也就是材料固定的情況下,過輕同時也會降低輪圈的剛性。現今最常被使用為高級輪圈的材料第一為鋁合金,其次是碳纖維。這兩種材質的價差非常的大,通常在相同的構型下碳纖維佔有很大的輕量優勢。第二個影響輪圈剛性的因素就是輪圈的外型。例如,輪圈縱向剖面為A型構造的就較傳統box型構造的剛性來得高。但是A型輪圈使用的材料較多容易過重,所以大A型輪圈再採用碳纖維材質就是同時兼顧剛性與輕量的最佳選擇。

(2) 
幅條的剛性:幅條結合花鼓與輪圈是構成車輪的主要結構部分,幅條擔負著傳遞來自花鼓的動力使得輪圈轉動的任務。幅條同時承擔兩種力量,一是承擔建構車輪整體剛性的張力,另一是承擔來自飛輪的傳動力。幅條的剛性受到重量(質量)與長度的影響。

重量太輕會讓幅條過軟而無法承擔張力與傳動力,從而造成車輪剛性不佳而減低了傳動力,同時輪圈也會常常因為受力變形而需要調整。幅條承受的傳動力同時有縱向的拉力與橫向的甩動力,縱向的拉力性能與幅條的質量有關,質量越高幅條剛性越高傳動的拉力也就越好。然而橫向甩動的傳動力就跟幅條的長度有關了。幅條越長則橫向剛性越差,在負擔橫向力時能傳動的力量就越小。

如何增加幅條的剛性呢?當然選用品質好材料等級高的幅條是首要辦法,其次就是想辦法盡量減短幅條的長度。縮減幅條的長度有兩個辦法,一是加大花鼓的凸緣,二是增加輪圈的厚度。最極端的實例就是計時賽及場地賽使用的碟輪。但是在公路賽中,一來碟輪過重二來受風時很危險。於是採用大凸緣的花鼓及較高的A構型輪圈就成了減短幅條的最佳良方。當然使用幅條數量越多車輪剛性也會越高,但是不論採用哪一種增加車輪剛性的方法都必須顧及車輪重量的問題。理論上車輪越輕越好,可是也不行輕到降低了車輪的剛性。

b.
車輪的阻力
  自行車行進時有兩個部分會一直採機械化的運轉,一是傳動部件二就是車輪了。只要是動態運作的零部件,都會有機械作用所產生的阻力問題。傳動部件的阻力是決定於各部件動作連結或接觸部分的滑順度,構成零件各部的精密度越高、調整的越精確、潤滑保養作的越好,則零件所產生的阻力越小。
  
車輪運轉的阻力則來自三個部份,一是輪胎與地面的摩擦力,二是車輪運行與行進所面對的空氣阻力,三是花鼓轉動的滑順度。

(1)
輪胎的阻力:面對輪胎的摩擦力牽涉到,第一輪胎的選擇,第二胎壓的決定。不同的輪胎其支撐力、摩擦力都不同,支撐力好的胎不會騎起來軟綿綿的路感不明確從而消耗了傳動力。摩擦力好的車胎,則會忠實的將車輪轉動所產生與地面的作用力反作用力轉換為前進的動力。至於胎壓理論上是越大越好,因為這樣可以增加車輪的剛性。但是胎壓過高超過可容許的限度會容易造成爆胎,其過度反應路面的震動也會影響騎乘的舒適性。一般輪胎都會有建議的胎壓值,通常高品質的輪胎只要照著建議的胎壓打氣都會得到很好的傳動感。

(2)
車輪運轉的空氣阻力:對於車輪運行所產生的空氣阻力稱為擾流。任何物體通過空氣,都會產生空氣中的擾流(基本上是一種亂流),擾流越大表示空氣對行進物體的阻力也越大。要減低空氣的擾流唯一的方法,就是改變物體的外型使其行進時正對空氣的面積越小(也就是流線型),則物體越容易穿越空氣,物體穿越空氣越順暢則擾流越小,所產生的空氣阻力也就越小。自行車輪可說是一個超級的擾流製造器,輪圈、幅條的轉動與前進都會造成擾流,而且是轉動與前進的雙重擾流。於是輪圈縱向剖面採用A型構造再加上輪胎就會成為一個很好的破風外型。幅條的部分,傳統圓形幅條會產生較大的擾流,於是採用縱向寬兩側扁型的幅條會大幅改善幅條所造成的擾流。

(3)
花鼓運行的滑順度:最後影響車輪阻力的因素就是花鼓的滑順度了。機械運作的越順暢,所造成的能量損失越小,那麼一組滑順耐用的花鼓看起來是天經地義的要求,也就是在這小小的機械性能中,無形的可以提昇或降低車輪轉動的效能,進而影響自行車騎乘的速度。

c.
車輪的重量
  如果我們將自行車車輪懸空,將其轉動我們得施予一份力量。如果我們拿起旋轉的車輪將其懸空移動,也得施予一份力量。所以,在這兩種情況下,將車輪轉動或移動所需的力量與車輪的重量成正比,車輪越重施力越大。
  
現在我們將自行車放到地面上,我們踩踏自行車時首先得施力讓車輪轉動,然後必須再施一份力去抵抗輪胎與地面的摩擦力,使車輪產生前進作用,此時車輪越重摩擦力越大。也就是我們得對車輪施與兩份力量抵抗車輪的重量兩次才能產生自行車前進的動力。然而我們所承載的其他重量(自行車輪以外重量+體重)只要一份力或是一次施力就可以使其移動。也就是說,我們只要抵抗一份自行車輪以外的車重以及自身的體重,可是卻得抵抗兩份車輪的重量才能將自行車移動。
  
所以如果你的自行車已經很輕了,那麼最好是輕在車輪的重量。因為騎乘所必須施予車輪的力量須要抵抗車輪重量的兩倍,所以在整車重量不變的情況下,車輪越輕騎起來越省力。但前提是,車輪不能輕到減低剛性從而降低了傳動效果。
3.
大齒盤組
  基本上對自行車騎乘性能有決定性影響的零部件,都直接與踩踏力量的傳導有關。最後我們要討論與踩踏力量傳導有最直接關係的就是大齒盤組(crank set)
  大齒盤組是最直接承受踩踏力量的零件,當然其性能的評量標準首要就是剛性。無論騎士對其施以多大的力量予以摧殘,大齒盤組的曲柄都應該百分之百忠實的無扭曲的及無能量流失的傳導騎士踩踏的力量。
  當然在此剛性同樣的會受到輕量化的挑戰,如何將大齒盤組盡量做得輕又能維持最佳的剛性,是評判大齒盤組性能的唯一判準。

 

文章轉載自 天下一家鐵馬家族

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