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行業(yè)動(dòng)態(tài) 單車裝備 經(jīng)驗(yàn)技巧
韓博士折疊車大講堂4:折疊自行車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
折疊自行車專家、大行創(chuàng)始人韓德瑋博士著《折疊自行車》,詳細(xì)講述了折疊車歷史、品牌、生產(chǎn)、前景等。美騎網(wǎng)之前與各位分享了折疊自行車的設(shè)計(jì)策略、整車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及品牌供應(yīng)鏈類型、生產(chǎn)材料對(duì)比。今天繼續(xù)與各位分享折疊車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。
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▲主要參數(shù)
▲參數(shù)名
需遵守傳統(tǒng)的自行車設(shè)計(jì)原則。各種類型自行車的建造在過去一個(gè)世紀(jì)有所改進(jìn),通常認(rèn)為根據(jù)人體工程學(xué)和物理學(xué)有所優(yōu)化。折疊自行車和電動(dòng)折疊自行車屬于自行車,因此須遵守傳統(tǒng)的技術(shù),需考慮騎行人員和道路的交互。自行車的主要參數(shù)有:軸距、車架立管高度和角度、前叉角度和偏移、車把位置、強(qiáng)度/剛度等。每項(xiàng)參數(shù)根據(jù)車子尺寸和用途(山地車、公路車、通用車等)會(huì)有細(xì)微變動(dòng)。否則性能會(huì)受影響。
不管是何種自行車,車架/車把系統(tǒng)的強(qiáng)度對(duì)于騎行人員的安全至關(guān)重要。這一點(diǎn)是廣泛認(rèn)可的。
但是,很少有人意識(shí)到車架/車把系統(tǒng)的剛度同樣至關(guān)重要——對(duì)于效率和可操控性而言,可能最終也是為了安全。
自行車最重要的剛度要求是五通管(蹬踏力作用于此處)和兩個(gè)輪軸(通過車輪/輪胎與地面接觸)之間的剛度。這需要根據(jù)五通管和車把(騎行人員在用力蹬踏的同時(shí)平衡自身,不需要轉(zhuǎn)向)之間的剛度確定。車架立管的剛度相對(duì)次要,這一點(diǎn)對(duì)折疊自行車來說比較重要。整個(gè)車架/車把系統(tǒng)(以及前叉和車輪/輪胎)必須為橫向的、可扭轉(zhuǎn)的以及垂直的,自行車左右有規(guī)律的晃動(dòng)時(shí),蹬踏保持穩(wěn)固。多達(dá)20%的蹬踏力轉(zhuǎn)為了橫向向量。在艱難騎行中,少量但是仍然有部分的力作用于車把。蹬踏時(shí)的車架/車把系統(tǒng)的額外柔韌性是以損失前進(jìn)推進(jìn)力為代價(jià)的。
遺憾的是,一些折疊自行車設(shè)計(jì)師為了降低尺寸和重量而選擇了去除或減小后下叉或下管。此外,柔性的折疊自行車會(huì)無意地給鉸鏈造成額外影響,因其碰撞并最終縮短使用壽命,同時(shí)也會(huì)成為安全問題。因此,不能過分的強(qiáng)調(diào)折疊自行車的剛度。
對(duì)于小輪折疊自行車,較長的車把系統(tǒng)必須結(jié)實(shí)/穩(wěn)固。這一點(diǎn)也適用于車架座管。同樣的,這一點(diǎn)對(duì)于良好的騎乘以及人體工程學(xué)和安全是必須的,尤其對(duì)于較高/較重的騎行人員。
最好用焊接管。普通自行車在過去幾十年有所發(fā)展,如今主要是通過焊接的管子構(gòu)造(或者牢固的耦合在一起)。作為一種密閉的殼體,管子在物理學(xué)上因正確構(gòu)造后在所有向量方向上可以提供最大的強(qiáng)度和剛度-重量比而著稱。比如,管子軸線周圍的拉力強(qiáng)度。
▲抗扭強(qiáng)度
然而,如果按照軸線方向剖開管子,管子會(huì)變成曲面的薄板,抗扭強(qiáng)度會(huì)減少數(shù)百倍。只能通過增加厚度來重新獲得抗扭強(qiáng)度,因而重量增加——這一點(diǎn)只是不得已而為之。這一問題見于許多帶中置電機(jī)的電動(dòng)自行車。電機(jī)和齒輪,以及曲柄軸,包含在內(nèi)置的殼體中,下管、座管和后下叉通過螺栓和螺母連接——而不是焊接。大多數(shù)殼體通過螺絲結(jié)合在一起(而不是焊接),使問題更加嚴(yán)重。即使是新自行車,整個(gè)車架也會(huì)顯得“柔軟”,隨著時(shí)間推移,變得更加嚴(yán)重,除非采用特別牢固的結(jié)構(gòu)。一種(更好的)方法是將中置電機(jī)單元中的曲柄軸(電機(jī)單元的一部分)放入正常焊接車架的五通管中。這一方法從強(qiáng)度/剛度和整車重量角度更加合理。成本也更低。
還有其他電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)中錯(cuò)誤使用厚板替代管件的例子——失去剛度的同時(shí)增加了重量。折疊自行車的一個(gè)例子就是座管與五通管偏移設(shè)置,而傳統(tǒng)車架中,座管下端焊接著五通管,F(xiàn)如今有時(shí)兩個(gè)焊縫都不是連在一起。這會(huì)使得五通和座管之間產(chǎn)生顯著的“脫離”,導(dǎo)致五通管(蹬踏力作用的地方)和后輪(著地)之間變得剛性不夠(旋轉(zhuǎn)前后軸周圍)。
一些設(shè)計(jì)師嘗試在車架中使用線纜替代某些管子(或鉸鏈)。遺憾的是,這些部件通常提供了所有受力部件的剛度以形成一個(gè)牢固的車架。扭力,尤其是下管,根本不可能使用線纜替代。很少有此類產(chǎn)品可在市場上長期存在。如果使用線纜,線纜僅可在車架強(qiáng)度已足夠時(shí)加強(qiáng)車架強(qiáng)度。
歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)測試對(duì)于設(shè)計(jì)師很有用。仔細(xì)看下歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在自行車實(shí)驗(yàn)室中的車架和車把測試。你就會(huì)知道自行車是如何被使用和濫用的。(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傾向于只強(qiáng)調(diào)垂直力,甚至在亞洲也逐漸變得過時(shí)。)
后懸架設(shè)計(jì)需考慮傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。如果需要后懸架,則必須遵守通常的自行車物理學(xué)。必須在鏈條下方的五通管上方正確旋轉(zhuǎn)。(例如,維基百科條目:“Bicycle Suspension(自行車懸架)”。) 否則,自行車在蹬踏時(shí)的過多晃動(dòng)將不可避免,導(dǎo)致嚴(yán)重的低效率。
▲車架有限元分析
對(duì)于力度分析,計(jì)算機(jī)工具“有限元分析”最適于折疊自行車,折疊自行車比普通自行車更加復(fù)雜。電子應(yīng)力檢測器作為一種實(shí)驗(yàn)性的研發(fā)工具被一些設(shè)計(jì)師用于應(yīng)力測試。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以不需要反復(fù)試驗(yàn)而快速優(yōu)化,反復(fù)試驗(yàn)費(fèi)用高昂且耗時(shí)。
▲3D打印自行車部件
對(duì)于美學(xué)和幾何建模,使用塑料進(jìn)行3D打印變得更加流行。金屬材料日益普遍,3D打印在不久的將來可能變得有用,甚至對(duì)于強(qiáng)度/剛度測試也是如此。
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責(zé)任編輯:昭歌
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