Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 單車的車架設計

2007年6月13日 星期三

單車的車架設計

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B94611003

使用有關機動學有關的機械很多
因在學校常常使用的交通工具就是腳踏車
所已針對單車的機構做比較深入的討論

單車上的連桿機構不明顯(車架)
但其傳動所使用的鍊條
就是機動學中的齒輪齒列
因自行車大盤及後飛輪為同軸齒輪 所以探討其齒比關係成為非常實用的討論

雖市面上大多數的腳踏車變速虛有其名,很難在該變速的時候變到想要的位置
但在專業的XC(越野)或跑車以上車種變速的精準度及騎士對於齒比的選擇決定
了單車表現出的性能

傳動上的鍊條看似簡單,其中確相扣著眾多的桿與結,雖然桿與結的連接
與運動相當簡單,但其因為傳動的條件比較複雜且承受的拉力大小差距頗大
鍛鍊等等因節點強度不佳或不當使用的力量會決定鏈條的性命

最接近於連桿的就是變速系統與煞車系統,他的控制方都是手把上的撥把煞把
透或尼龍鋼絲傳導拉利拉住夾器或變速的一端,再以連趕形式將連桿破端的接觸點做變化,行程我們看到的樣子。

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一.
第一部分先將車架幾何的設計理念和圖表顯示,因人體本就屬於一種連桿的機制,人體有動力輸出,但被輸入的目標則是腳踏車的車架,車價設計是否能達到騎車的效率及車輪間避震(懸吊系統)的配合,則應可算是機構機動設計的一部份。


大部分的騎車人或單車族,都將車架的幾何當成一種魔法妖術,裡面充滿了難以理 解、永遠都搞不懂的事實。幾乎所有的現代越野登山車只在幾種角度內變來變去, 兩度的差異就可立判車架的高下。二十年來的試驗造就了一個放諸四海皆準的登山 車車架幾何:71°的頭管角度、73°的座管角度、23英吋的上管長度、16.9英吋 的後下叉長度及12英吋的BB高度。雖然實在很難說得出兩個不同廠牌的車子,騎 起來的操控感覺有什麼了不起的重大不同,但是,不一樣真的就是不一樣!
車架尺寸配方上小小的更動,就能大大地改變車子的操控性。MBA每年都 要試騎40台以上的登山車,而且沒有例外的,我們發現,每 一台車子都有自己的個性。常識告訴我們,車架幾何一小丁 點的更動,對登山車的操控性似乎不會有什麼大不了的改變。但事情卻不是想像的這 樣,車架各部份的長度、角度的不同,真的會讓你現在看到 外觀大同小異的車子,騎起來是如此的不同。

像「傳奇性的感覺」或「完美的均衡」這樣的形容字眼,並不常出現於MBA雜誌評 比、試騎的車子上。車架設計師完完全全地了解,我們所謂 的車架幾何,一隻手就數得出來的「眉角」關鍵點。任何有 經驗的登山車騎士,大概踏曲柄轉個三圈之內,也就能分辨 出一台車子到底是什麼牛鬼蛇神。
在這篇車架幾何特別企劃的報導中稿裡,我們嘗試著來 解釋車架幾何、車架上每一個數據的功能何在、以及個別部 位的尺寸規格會如何地影響車架的整個全局,以幫助讀者了 解,車子何以能和你的身材配合得天衣無縫,以及不同車子 的加速、過彎、下坡、爬坡的感覺為何不大一樣。
座管角度 seat tube angle
座管角度是指座管向後傾斜的角度,用以補償騎士腿長。當座墊在合適的高度時, 也就是腳可以完美伸展的狀態下,在大齒盤曲柄指向三點鐘 方向時,你的腳踝必須在你的膝蓋之下。
座管角的作用
一百年的車架製造史經驗累積,設計師們發現,73°的座管角度,可以滿足大部分 的騎士。這個角度可以彌補腿短的騎士,高個子的人拉高座 墊時,座墊位置可以往後移一些,而小個子的人調低座墊, 座墊位置是稍微往前跑的。當然有例外的身材,但是當73° 座管角和座墊的前後調整配合時,幾乎可以將所有騎士安置 於和曲柄搭配好的正確、適當的位置。當然,這是普遍情況。有充分的理由驅使設計師 們試著再將座管角度後傾或前挺一些。
座管角度的影響
座管角度同時也決定了騎士體重在前後兩個輪子之間的均衡分配,也就是重心。騎 士愈高,那麼他坐上車子後,大部分的體重會落在前輪。爬 坡時,體重與重心反而向後移,如果後下叉沒有稍微做長一些來補償的話,在每一次踩 踏時,容易出現「翹孤輪」的情形。對小個子的騎士來說, 狀況就正好相反,把座墊調低,重心會往前跑,爬陡坡時,也會減少車輪的循跡、貼 地性。
座管角度被高估了的一點是總輪距(wheelbase)的影響。 為了維持正確的上管長度固定不變,座管如果因而遷就做挺 直一些,不就把上管向前推了,影響所及就是頭管也向前位移,也就是最後連輪距也跟 著加長了;相反的,座管角度小一點,輪距就短了。傳統的 公路車架製造者相信,完美的輪距是一公尺。藉著改變座管 及頭管角度,他們可以堅持不會動到他們那神聖的輪距規格,而變化出不同的車架尺寸 和上管長度。
然而登山車設計師則應用另一組不同的規則來設計車架。操縱座管角度來製造出正 確輪距,只有在你為軀幹長於一般人,或是腿特別長的人量 身訂製車架時才有意義。
座管角度須知
選擇座管角度來定位你的腳在曲柄上的位置是否適合,並確認後上叉(seatstay)的 長度正確,讓體重重心落於後輪。
上管長度提供手臂的伸展,而愈斜的頭管角讓下陡坡的 操控愈容易
上管長度
上管長度的丈量是頭管上緣水平切線延伸到和座管相交會的長度。從實際角度來 說,它就是自行車操控零件/上部零件(Cockpit)的距離。因 為大部分的登山車的車架構造,已跳脫傳統鑽石車架的形貌,有的上管下彎(sloping)或如 specialized那種「兩段式」上管,如果你去量實際的「管材 長度」,那根本沒有意義。
上管長度的作用
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當你傾斜進出彎道時,前叉Offset與頭管角度會自動修 正前輪出彎的路線
上管長度提供了你上半身的容身空間,並讓手臂可以完美的伸展、握到車把上;另 一方面,它也讓車把和你的膝蓋「保持安全距離」,你即使 起身踩踏時,膝蓋也不會撞到車把。所以,上管最主要的功 能就是proper fit─創造出自行車上合於你的騎車空間。
然而上管長度扮演了另一個重要的角色:車子的重心分 布。長上管讓騎士的體重向前移(較往前趴!),重心前移到 接近前後軸距的中心點位置;短上管則增加車子前端的重量 負載。
上管長度最大的變動也只在一英吋之內:如果上管的長 度比你適用的正確長度長過一英吋,你的前輪的重量分配就 變少了,騎車過彎時,前輪就可能會不易控制而產生滑動; 如果縮短超過一英吋,起身立姿踩踏時,膝蓋就免不了會碰 到手把上的變速器了,而且前輪遭遇了大石頭路面及鬆軟的 深沙地,就會難以控制了。
上管長度的影響
因為騎車時,身體是不斷移動變化的,車架上管長度的任何一點變化,都會關係 到 豎管和龍頭的配合問題。越野騎士會偏好「長龍頭豎管╱短 上管」的搭配,上半身就會伸展出去,和前軸協調一致了, 也就像騎跑車一樣的姿勢。長龍頭豎管╱短上管的組合讓前 輪維持直線轉動,當你用力向下踩時,完全不顧遠方視野只 看在龍頭前方近處,要看遠一點,脖子會抬得酸。這種「跑 車騎姿」的車架上管和龍頭的組合搭配,侵蝕了自行車的過 彎(corning)及技術操控(technical handling)性能,但XC(越野)比賽通常勝敗的關鍵在爬坡,而不 是平路衝刺及下坡技巧,這不是什麼祕密了。一般人還是喜 歡這樣的零件搭配、跑車騎姿,以為這樣可以飆得比較快!
如果你要求下坡性能,freerider和DH(Down hill)選手則會採用較 「長的上管及短龍頭」的組合,剛好和越野選手相反。這種車子騎平路,踩踏和手把操 控起來,感覺很彆扭,就像醉酒一樣,車頭好像會歪七扭八。可是當車子箭頭直指陡降 坡時,它就蛻變成了出閘猛虎,車子和騎士的重心即刻後移。長上管╱短龍頭的標準 freerider/DH騎乘組合,讓騎士坐落在車子較後半部的位置, 他的體重、重心在兩輪之間產生較正面的助益,但這只有下 坡時才成立。
上管長度須知
事實上,龍頭和上管是各自獨立的,其影響的騎乘感也是各有不同的。對越野和林 道騎行的愛好者而言,應該挑那種可以讓你搭配100mm到125mm長的龍頭的上管。這樣 的組合才是講究爬坡效率和下坡操控性及高技巧要求的最佳 折衷點。
後下叉 Chain stays
正確的後下叉長度,是指BB和後輪軸心之間的水平距離。全避震車的後三角轉臂 代替了後下叉的功能。大部分的車架製造者,量後下叉長度 都是沿著後下叉的中間線,如此一來,因為鉤爪有角度,會 比正確長度多出八分之一英吋左右。
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適用於一般林道騎乘的全避震車多半有較斜的頭管角度,以增加高速穩定度及前後避震作用的平衡
後下叉的作用
後下叉長度決定了騎士的體重有多少落於後輪。後下叉愈短,就會有愈大比例的體 重傳遞到後輪去,不管你是站著或坐著騎都一樣。短車身後 部(rear end)的明顯好處是具有更好的爬坡時的貼地及循跡性。而後下叉較少為人所知的 方面是,其實它也會影響過彎性能。較長的後下叉可以平衡 前後兩輪是貼地或滑動;較短的後下叉則會讓前輪過彎時滑 動,除非騎士重心前移,故意用體重去鎮壓住前輪。後下叉 規格的「魔術數字」是:越野前避震車約16.75英吋,而全 避震的越野車是17英吋最適合。
後下叉的影響
後下叉長度、車架尺寸和座管角度是焦不離孟、孟不離焦的連體嬰。改變座管角 度,會改變一個騎士座姿騎車的重心分布。向後傾的座管把 高個子騎士原本會偏向前輪的重量往後帶了。在這個情形下,後下叉長度必須調整到正 確的重心位置。起身騎車時,座管角度就影響不了後輪的貼 地循跡性─只有後下叉長度還有作用。最好的設計師會取捨 後下叉長度及座管角度兩者的均衡配合,讓不管坐或立姿爬 坡的循跡貼地性都可以持續維持。
在後避震出現之前,一個頂尖的爬坡高手和軟腳蝦的差 別,可能就差在後下叉長度這四分之一英吋之間。避震車可 以使用長一點的後叉(stay),因為座管角度後仰到一個較低的 位置,可以在爬坡時讓後避震器自然而然地壓縮。
後下叉長度須知
又被稱為鏈支叉的後下叉長度上一點小小的差別,對登 山車的操控性有大大的影響,愈是挺直的座管,愈需要短一 點的後叉。
BB高度
指地面到BB軸/曲柄軸中心點的垂直高度,它決定了曲柄迴旋至最下端,指著「六 點半」方向時,腳踏和地面的間距大小。
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Rocky Mountain的RM 9有著怪異的角度,其座管及頭管角度超斜,搭配超短龍頭及長到誇張的搖臂,而超高的B. B高度則只有在岩塊地形及大跳躍的狀態之下才展現的出其獨到之處。
BB高度的作用
BB高度的最主要功用,就在於和地面保持適當的距離。也就是說曲柄軸必須夠 高,在你強行通過佈滿岩石及樹根的車道時,「齒盤」和曲 柄╱腳踏才不會去撞到。BB低的車子,缺少了有效過彎的空間性,當你要加速踩踏,從 彎道奔向直路時,腳踏還可能劃到地面。
BB高度也決定了整台車子的高度多高。因為騎車人的腿長腿短差別很大,BB高度 的上升、下降都會動到座墊的高度,在大部分情形下,也會 牽連了車架上管的高度。同樣的道理,BB高度也決定、關係著 整台車子的重心。當你猛力剎車或是上下陡坡時,重心高的車 子會誇大化體重在前後兩個輪子間的分配比例。降低BB呢,重 心降低,前輪在剎車時,車身前端比較不會下沈,爬陡坡時比較不會有翹前 輪的情形,同時騎過起伏不平的路面時,輪子可以更早地轉動。
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三角形的秘密:自行車操控最主要的秘訣就是 抓出重心位置,以前後軸心與虛擬的重心位置所假想出的三角型,其 三角型底部愈大,自行車的騎乘感愈穩定,而騎士可隨著騎乘姿勢的 不同,不斷移動重心位置,以符合所需。
BB高度的影響
BB高度許配給軸距長度了,兩者間有著親密關係。前後軸距愈長,BB就可以做得 愈高,而不會造成車子騎過崎嶇路面,一路彈跳個不停,像 隻未馴服的野牛。相反的,降低短軸組合的車架的BB高 度,車子騎起來才平順。
至於前後避震車則需要比一般車子高一些的BB高度。因為人坐上全避震車,體重會 讓避震前叉及後避震同時壓縮,也就是所謂的"SAG",壓縮行程愈多,BB就愈接近 地面,如此一來,會壞了登山車的操控性。大部分的設計師 同意:最完美的妥協下的BB高度,全避震車是在12.5到13.5英吋之間;前避震車則在 11.5到12.5之間。
下坡車的BB高度差別就比較大,從12.5到15英吋之間。同樣的基本原則也可以用 於無視地心引力,挑戰飛躍高度及落差的自行車小飛俠。但 是,BB高度太低(low-slung designs),上了賽道,在某些關卡、地形狀況下,你會沒辦法 踩踏,即便你裝了個165mm的短曲柄,因為腳踏和車架底部 可能會刮到地面或撞到障礙物;而高BB的下坡車必須搭配長軸距,才不會有上述的車 子跳動的問題。
BB高度須知
越野全避震車一族最佳的BB高度介於12.5到13.5英吋之間;前避震車最喜歡12英吋 的BB高度。BB高度愈高,軸距也必須愈長,車子騎起來才會平順、平穩。
總輪距
也就是前後兩個輪軸之間的距離。
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注重爬坡的XC車款,其座管角度及頭管角度較直,以配合車手把陡 坡時移的重心,避免前輪在上坡時舉起。
總輪距的作用
長軸距的車子騎過顛簸地形時,比較平順、穩定,猛力剎車及爬陡坡時,重 心的轉移、變化較不明顯,影響力就小了。高高地坐在車子上的騎 士,整個重量的80%壓在車子上。舉例來說,一個坐著騎車的登 山車騎士,他的重心會落在座墊鼻端上方大約2英吋的地方;如果他 站起身來騎車,體重都由腳踏去承受,會有效地降低重心高度,介於 座墊和BB之間。如果軸距太短的話,在你用力把前剎車壓到底或前 輪撞到大石頭時,車子會很不穩定;而且爬坡時,前輪會翹孤輪。軸距太長,車子 的操控性會變得遲鈍,你必須時常改變騎姿來維持循跡貼地 性,或著拉抬前輪來跨越障礙。廣為接受的軸距標準規格是,越野自行車約42英吋加減 半吋左右。
總輪距的影響
在重心及兩個輪軸間連線,畫一個想像的三角形,我們就能輕易地看出:軸距愈 長,三角形底邊就愈長,和重心高度配合起來,整個三角形 的比例就愈穩固。藉此,你也就愈能容易了解長軸距之所以 需要較短後下叉及高一點的BB,以便有足夠的重心移轉到後輪去,來增加爬坡的循跡貼 地性。
軸距的長度也和車架尺寸息息相關。大尺寸的車子,軸 距自然比較長,小尺碼的車架,軸距就短。高個子的騎士騎軸距短的小車子沒關係,因 為他們可以比小個子更不受車架限制、有效率地變換姿勢, 來增加騎崎嶇路面的穩定性。
總輪距須知
長軸距的車子騎起來比較平穩,但轉彎會比較慢、比較遲頓(迴轉半徑長)。騎車當 中的身體重心的移動,也比較不會影響車子的操控性;短軸 距的車子比較靈敏,但騎到顛簸路面,就比較能感受到顛簸。輪距的魔術數字大約是42 英吋。
車頭/頭管角度
Head tube angle
指兩個東西─車架頭管的角度及「前叉軸」(fork axle)的角度。車頭角度決定了車子的操控靈活度,及它與生俱來 的穩定性。
車頭/頭管角度的作用
頭管角度決定了前輪的轉動,實際上到底給了多少下壓力量帶動車子頭管、再帶動 整台車子前進。車頭角度愈小,你必須出力愈出力轉車把,前輪才會左右轉動。直挺 的車頭角度(72°),感覺起來會比較靈敏,而且車把轉起來 感覺會比較輕,左右轉動比較簡單省力。但這樣也會導致車 子高速中,操控幾何的反應太快,增加了輪子左右擺動的不 穩定性。低一點的車頭角度(70°),車把轉起來比較重,但龍頭的左右轉控比較可預 期,高速騎乘比較好操控。
越野選手偏好介於72°到71°之間的挺直的車頭角度,因為挺直一點的角度在拉 抬車把╱車頭跨過顛簸,愈是立姿騎行時加速,比較不會受 到側向力量的影響(靈活)。林道一族及freeride一族,特愛介 於70.5°到69°之間的低角度的頭角,因為這樣他們有更多騎乘中臨場反應時間,及下 坡俯衝時更好、更穩的操控性。
因為重心在整個操控幾何扮演了極重要的機制,爬坡及 下坡會改變車頭角度的影響力。車頭角度加大(upgrade), 會讓車頭的動作變慢,也就是轉起來比較重、比較遲鈍。相 反的,角度改小(down-grade),車頭會比較挺,也就比較不穩 定。
而車頭角度也在車子的「自我校正」的功能(ability to self-correct)及「維持平衡不倒」(maintain its own balance)扮演重要的角色。下坡時,事實上地面的斜度把車頭角度「調整」 得更為直挺,比如說,71°的頭管原本那向後傾的19°角被 地面斜度所中和了,在同樣的情形下,69°的頭角還是能夠 自我校正,迎合你穩定操控車子的努力,下坡車的頭角大致 上是65°到68°之間,以維繫操控性要素的功能發揮。

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當前輪角度離開自行車循跡路線時,頭管轉軸與接觸點的 夾角可輕易的控制轉動前輪,Trail的功能就是迫使前輪遵 循著頭管轉軸轉動。

車頭/頭管角度的影響
車頭角度和前叉的offset一起形成了一種叫做「trail」 的評量/度量單位。Trail愈大愈長,車子愈能夠直直的、平 穩的往前跑的前進力量愈大。(理論上和實際上,我們牽來一 台自行車,在平路上往前推,讓車子自己跑,它是「不會倒」的。trail愈小,騎車前進 的感覺會比較輕盈下壓(磨擦力小),前輪的轉動也比較靈巧。小車頭角度可以讓短尺寸 組合的車架感覺起來較穩定,而長軸距設計的車子,可以藉 較直挺的頭角,讓它的轉動速度較迅捷。
車頭角度也改變、左右了避震前叉面對撞擊、彈跳的反 應性。直挺的車頭角度讓前叉滑動的方向更垂直,前叉對小 撞擊和低速時的避震會更靈敏;低一點的車頭角度,在猛力剎車時,比較不會有車頭下 沈情形,對付大衝擊的能力會比較好─但犧牲了低速時的靈 敏度。
前避震車配直挺的車頭角度較好;前後避震車通常用比 較低一點的頭管角度,如越野車款大約用70°,愈直挺的角 度讓全避震車在剎車及起身立姿騎車時,像隻脫韁野馬。
車頭角度須知
71°是最受歡迎的車頭角度,因為這個角度讓車子爬坡時,車頭旋轉的感覺比較輕 靈。縮小個一兩度,可以讓全避震車在猛力重踩及剎車時穩 如泰山。角度的高低影響著車子的操控幾何 (steering geometry)。
前叉的offset及Trail
這是有關操控幾何方面,一般人最陌生、了解最少的部分了(一般的整車的型 錄,甚至有一些沒有列這兩項數據),而且這兩者是密不可 分的。所謂的前叉offset是指前叉軸和前叉立管/頭管兩條 虛擬切線的距離,你延著車頭管中心點,順著車頭角度劃一 條切線而下,前輪軸(操控軸)並不在這條操控轉軸線上,卻 是在前面一點的地方。如果你順著頭管中心畫切線和地面的 交叉點做記號A,然後再以前輪軸往地面劃一條垂直線,得 到另一個交叉點B,這個B點正好就是輪胎和地面的接觸點,AB兩點的距離就是 trail。
Trail的作用
因為外胎接觸地面的點,是在車頭操控轉軸的「後方」,也就是"trailing"尾隨 著頭管角度(trailing the head tube)。任何時刻車輪角度遠離車子前進的方向,trail會強 迫、引導前輪跟著轉軸的方向跑。trail愈長,車子的「自我 校正」方向的作用愈好。
前叉的offset的多寡,左右了trail的多寡:offset愈大, trail愈小。第二方面,也更重要的是,前叉的offset對車子的 操控性也扮演舉足輕重的角色。因為輪子的重量及大部分的前叉重量是offset在前輪軸 的上方和前方的,當你騎車側斜車身準備轉彎,輪重和前叉 重反而是掉到這個斜度裡面來了。前叉及輪子重量對應off set的反應作用,是你打斜車子時,可以進彎的主要原因。而 trail就是引導車子進彎後又能恢復直線進行的關鍵。
一般MTB前叉製造商做約1.25英吋的offset,也因此, 車架設計師就被限制在71°到69°的車頭角度之內,努力地 求取這兩種相反力量的平衡,保持車子操控時車把處的輕盈 感,而且不犧牲穩定性。
Offset/Trail 須知
Trail讓前輪直直地直線地前進,而前叉的offset事關車 子/車頭的轉動、操控靈活度,兩者相權的最佳平衡、折衷點是71°~70°的頭管角。

人體與踏板的相接處主要以腳底大拇指前的骨頭塊按在踏板的正中央上,這樣的理由與連桿的機制與精神有接近到,如果將腳底窩直接對準踏板,當踏板移動到下死 點時,人體的小腿將直接垂直踏板的移動方向,力量送下去將直接被回彈上來,造成膝蓋的壓力很大,這樣運動節所受的壓力持續下去會對運動節有損傷,如果試用 大拇趾後的骨頭在踏板上,等於腳根到大拇指前方多了一條連桿,這條連桿不但有緩衝的作用,如在震動的路面上踏板的位置相對車身相同但對地一直在改變,將可 以藉這條多的連桿做緩衝,而當踩踏時,到下死點的壓力可以比較容易感受到而改變使力的方向朝後,力量作用在連桿的側端也不會造成傷害,到了上死點也可以改 變連桿位置去適應較靠近的狀況

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