車架的剛性不能說的秘密

彼得潘

傳說中，神秘的車架剛性跟我們并非專業(yè)的廣大騎友有關(guān)系嗎？答案是：Yes！據(jù)報告顯示，即使是業(yè)余騎友蹬自行車，車架也會產(chǎn)生甚至肉眼可見的變形，下面就來揭開它的神秘面紗，順便講講它的測定秘技！

騎行中車架的變形

有關(guān)車架變形的問題，在車圈內(nèi)一直都是備受關(guān)注的。一般來說，自行車車架的作用，是讓車輪保持在正確的位置、起到支撐體重和承受蹬踏力的作用。如果騎友坐在車座上，讓自行車的前輪來承受全部體重的話，這時車架就會受到彎曲的力，然后發(fā)生縱向變形。如果用車來做類似上下臺階之類的動作，荷重增加，那么這種變形更會加劇。當(dāng)一個人蹬腳踏時，荷重會從中心位置橫向移動，車架就會相應(yīng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這就是扭轉(zhuǎn)變形。

此外，如果是用車來進(jìn)行攀爬，那么對車體的橫向蹬力還會增加，于是橫向變形也會隨之增加。同時鏈條的張力也能造成中軸扭轉(zhuǎn)，反過來對鏈條本身施加壓縮的力讓其變形。

這時關(guān)鍵的來了，什么是剛性？用變形量除以這種力量得到的就是剛性！在彎曲的情況下，為使車架發(fā)生1mm的變形的力量；或者在車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情況下，扭矩為1°的力量越大，車架越不容易變形，那么這車架的剛性就越強（越硬）。當(dāng)然，具體施力的位置和方式以及以什么位置的變形為標(biāo)準(zhǔn)，對它的這個值也會有很大影響。

（備注 荷重：物體所能夠承受的重量。）

車架的縱向變形

在實際情況中，車架會發(fā)生多大的變形呢？我們就來用最普通的鐵車架來計算一下（參見圖4）。假設(shè)騎友的體重為40kg的話，如果中軸位置變形0.8mm，那么其中（各部分所占比例分別是）前叉占76.6%、前三角占23.8%、后三角占0.5%。對縱向變形而言，前叉比車架本身更占據(jù)支配地位，而后三角則基本上不發(fā)生變形。而單獨對車架而言，前三角幾乎決定了它的特性?？v向剛性與高度（車架尺寸）的二次方成正比、與支點距離的三次方成反比。一旦車架尺寸增大、支點距離也隨之增加，所以，結(jié)果就是車架的縱向剛性下降。實際上，嚴(yán)格來說，除了車架會產(chǎn)生變形，輪胎、輪組甚至車座也會產(chǎn)生變形。車輪的變形雖然很小，但是就輪胎負(fù)載來說，1～2mm的變化其實比車架的影響更大。

車架的橫向變形

所謂的橫向變形，是相對于縱向而言的。由于車架橫向的厚度通常只有縱向的1/20，所以橫梁的剛性會更低，橫向受力時就會產(chǎn)生更大的變形。

根據(jù)研究已得到的數(shù)據(jù)，橫向的剛性為縱向的1/50左右。這個剛性，在攀爬或者將車體傾斜并踩腳踏等情況下會有影響。假設(shè)攀爬的傾斜為7.5°，體重為70kg的人踩上去時的橫向荷重為9.1kg，這時中軸處的變形量就為2.2mm，比縱向的會更大。實際上，由于車輪、輪胎產(chǎn)生的變形，再加上下面將講到的扭轉(zhuǎn)變形，車架實際會產(chǎn)生更大的變形。

車架的扭轉(zhuǎn)變形

將先前車架的曲柄調(diào)到水平位置，然后讓一個體重為70kg的人開始站著蹬車，這時車架由于受到扭轉(zhuǎn)的力、腳踏的位置會下降（圖2），變形量為4.1mm。其中53%是前三角、35%則是曲柄和中軸 （圖3），這時車架后面的三角形幾乎沒有變形。

這時，扭轉(zhuǎn)的軸比頭管的正中心位置更靠下。由于扭轉(zhuǎn)力的作用，腳踏橫向也發(fā)生了移動，變形量為4.5mm，比縱向移動的量更大。這里所說的移動不是單純的腳踏下降，還會感覺后輪胎的方向發(fā)生變化、偏離了踩踏的方向。

因此，蹬自行車時的感覺，應(yīng)該是車架的橫向變形和扭轉(zhuǎn)變形的影響會比較大。當(dāng)然，如果車架有彈性的話，這種變形都是能恢復(fù)的。

用眼睛看見扭轉(zhuǎn)剛性

我的車架真的會這樣變形嗎？有這種疑問的人可以做一做實驗。如圖1所示那樣，將自行車的車座緊緊地靠在合適的柱子上、立好，然后將腳踏調(diào)到水平位置。這時讓自行車盡量保持垂直，一只手抱住柱子，然后盡量垂直地將體重加在與柱子相反方向的腳踏上（別忘記捏緊剎車）。這時你就會發(fā)現(xiàn)，腳踏在下降（目測就能發(fā)現(xiàn)）并且在往柱子的一側(cè)橫向移動。怎么樣？即使是高端的比賽用車，通常也會有數(shù)毫米的移動。之所以垂直增加荷重時也會橫向移動，就是因為框架發(fā)生了扭轉(zhuǎn)。

上面說的將全部體重加在某一側(cè)腳踏上，這是誰都會的。這時的變形在騎友實際騎車時其實也會產(chǎn)生，而且扭轉(zhuǎn)的軸越低、橫向移動越少，下管粗斜、立管短的車架扭轉(zhuǎn)剛性會更強。在蹬自行車時，腳踏橫向移動變小。在用同樣管子的基礎(chǔ)下，計算一下傾斜的情況就會發(fā)現(xiàn)，頭管短的其縱向剛性下降、橫向剛性大致相同，但扭轉(zhuǎn)剛性提高了。由此可以得知，如果使用同樣的管子的話，想車架結(jié)實就選擇傾斜的；想感覺不到車架的存在就盡量選擇水平的可能比較好。

當(dāng)將自行車用于攀爬之類時，將自行車傾斜并踩踏的話，甚至還會有彎曲變形。彎曲剛性也是可以算出來。如果以桿棒到把端距離的中間點和輪胎的連線為垂直的話，大致上為7°左右。這種狀態(tài)時，垂直蹬踏比較好。需要注意的是，這個時候不能更大角度傾斜、增加重量。自行車一般對橫向力量的抵抗力很弱。如果進(jìn)一步加上扭轉(zhuǎn)，所舉計算例的框架（黑森、框架自身1700g），騎手再橫向?qū)Ⅲw重加上去的話，一次就將永久變形。

在先前的荷重實例中，無論哪一個都是利用的體重（變形情況）相同。但是，扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力是最高的，約為縱向荷重的2倍。

車架材料的影響

如果換一種材料會怎樣呢？同樣形狀、厚度的車架材料，剛性和材料的縱彈性模量是成一定比例的。輕的材料其縱彈性模量低，如果不厚一些就不可能得到同樣剛性的車架，所以，結(jié)果是也不可能太輕。由此就講到要采用輕的材料來制造就必須加厚的話題。實際上并不是單純的厚，要找到縱向剛性、橫向剛性、扭轉(zhuǎn)剛性之間的平衡，有時要增加高度、有時要填空，另外與組成部件的間隙、空氣阻力等也要考慮，進(jìn)行調(diào)諧，鋁車架輕，碳纖維的更輕。從對某制造商生產(chǎn)、銷售的鐵、鋁、碳車架的剛性實測數(shù)據(jù)來看，在幾者的數(shù)值都相同的情況下，重量的順序是鐵﹥鋁﹥碳。所以也不是說因為是鋁就硬，而是因為做得硬所以硬。從理論上來講，即使用鐵作材料，如果能做到半徑大、超薄，也能做出非常輕的高剛性的東西。但是這不僅做起來難，做出來只是拿一下就癟了，完全不實用。