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    折疊車(4):結構設計原則

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    發表于 2020-4-30 14:29:39 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

    ▲主要參數


    ▲參數名


    需遵守傳統的自行車設計原則。各種類型自行車的建造在過去一個世紀有所改進,通常認為根據人體工程學和物理學有所優化。折疊自行車和電動折疊自行車屬于自行車,因此須遵守傳統的技術,需考慮騎行人員和道路的交互。自行車的主要參數有:軸距、車架立管高度和角度、前叉角度和偏移、車把位置、強度/剛度等。每項參數根據車子尺寸和用途(山地車、公路車、通用車等)會有細微變動。否則性能會受影響。


    不管是何種自行車,車架/車把系統的強度對于騎行人員的安全至關重要。這一點是廣泛認可的。

    但是,很少有人意識到車架/車把系統的剛度同樣至關重要——對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)和兩個輪軸(通過車輪/輪胎與地面接觸)之間的剛度。這需要根據五通管和車把(騎行人員在用力蹬踏的同時平衡自身,不需要轉向)之間的剛度確定。車架立管的剛度相對次要,這一點對折疊自行車來說比較重要。整個車架/車把系統(以及前叉和車輪/輪胎)必須為橫向的、可扭轉的以及垂直的,自行車左右有規律的晃動時,蹬踏保持穩固。多達20%的蹬踏力轉為了橫向向量。在艱難騎行中,少量但是仍然有部分的力作用于車把。蹬踏時的車架/車把系統的額外柔韌性是以損失前進推進力為代價的。


    遺憾的是,一些折疊自行車設計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,同時也會成為安全問題。因此,不能過分的強調折疊自行車的剛度。


    對于小輪折疊自行車,較長的車把系統必須結實/穩固。這一點也適用于車架座管。同樣的,這一點對于良好的騎乘以及人體工程學和安全是必須的,尤其對于較高/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展,如今主要是通過焊接的管子構造(或者牢固的耦合在一起)。作為一種密閉的殼體,管子在物理學上因正確構造后在所有向量方向上可以提供最大的強度和剛度-重量比而著稱。比如,管子軸線周圍的拉力強度。


    ▲抗扭強度


    然而,如果按照軸線方向剖開管子,管子會變成曲面的薄板,抗扭強度會減少數百倍。只能通過增加厚度來重新獲得抗扭強度,因而重量增加——這一點只是不得已而為之。這一問題見于許多帶中置電機的電動自行車。電機和齒輪,以及曲柄軸,包含在內置的殼體中,下管、座管和后下叉通過螺栓和螺母連接——而不是焊接。大多數殼體通過螺絲結合在一起(而不是焊接),使問題更加嚴重。即使是新自行車,整個車架也會顯得“柔軟”,隨著時間推移,變得更加嚴重,除非采用特別牢固的結構。一種(更好的)方法是將中置電機單元中的曲柄軸(電機單元的一部分)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。


    還有其他電動自行車設計中錯誤使用厚板替代管件的例子——失去剛度的同時增加了重量。折疊自行車的一個例子就是座管與五通管偏移設置,而傳統車架中,座管下端焊接著五通管。現如今有時兩個焊縫都不是連在一起。這會使得五通和座管之間產生顯著的“脫離”,導致五通管(蹬踏力作用的地方)和后輪(著地)之間變得剛性不夠(旋轉前后軸周圍)。


    一些設計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。很少有此類產品可在市場上長期存在。如果使用線纜,線纜僅可在車架強度已足夠時加強車架強度。


    歐洲標準委員會測試對于設計師很有用。仔細看下歐洲標準委員會在自行車實驗室中的車架和車把測試。你就會知道自行車是如何被使用和濫用的。(日本工業標準傾向于只強調垂直力,甚至在亞洲也逐漸變得過時。)


    后懸架設計需考慮傳統設計原則。如果需要后懸架,則必須遵守通常的自行車物理學。必須在鏈條下方的五通管上方正確旋轉。(例如,維基百科條目:“Bicycle Suspension(自行車懸架)”。) 否則,自行車在蹬踏時的過多晃動將不可避免,導致嚴重的低效率。


    ▲車架有限元分析


    對于力度分析,計算機工具“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雜。電子應力檢測器作為一種實驗性的研發工具被一些設計師用于應力測試。結構設計可以不需要反復試驗而快速優化,反復試驗費用高昂且耗時。


    ▲3D打印自行車部件


    對于美學和幾何建模,使用塑料進行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,甚至對于強度/剛度測試也是如此。


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