韩博士折叠车大讲堂4:折叠自行车的结构设计原则

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发表于 2016-8-13 10:14:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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韩博士折叠车大讲堂4:折叠自行车的结构设计原则

折叠自行车专家、大行创始人韩德玮博士著《折叠自行车》,详细讲述了折叠车历史、品牌、生产、前景等。之前与各位分享了折叠自行车的设计策略整车技术标准及品牌供应链类型生产材料对比。今天继续与各位分享折叠车的结构设计原则。

▲主要参数

▲参数名

需遵守传统的自行车设计原则。各种类型自行车的建造在过去一个世纪有所改进,通常认为根据人体工程学和物理学有所优化。折叠自行车和电动折叠自行车属于自行车,因此须遵守传统的技术,需考虑骑行人员和道路的交互。自行车的主要参数有:轴距、车架立管高度和角度、前叉角度和偏移、车把位置、强度/刚度等。每项参数根据车子尺寸和用途(山地车、公路车、通用车等)会有细微变动。否则性能会受影响。

不管是何种自行车,车架/车把系统的强度对于骑行人员的安全至关重要。这一点是广泛认可的。

但是,很少有人意识到车架/车把系统的刚度同样至关重要——对于效率和可操控性而言,可能最终也是为了安全。

自行车最重要的刚度要求是五通管(蹬踏力作用于此处)和两个轮轴(通过车轮/轮胎与地面接触)之间的刚度。这需要根据五通管和车把(骑行人员在用力蹬踏的同时平衡自身,不需要转向)之间的刚度确定。车架立管的刚度相对次要,这一点对折叠自行车来说比较重要。整个车架/车把系统(以及前叉和车轮/轮胎)必须为横向的、可扭转的以及垂直的,自行车左右有规律的晃动时,蹬踏保持稳固。多达20%的蹬踏力转为了横向向量。在艰难骑行中,少量但是仍然有部分的力作用于车把。蹬踏时的车架/车把系统的额外柔韧性是以损失前进推进力为代价的。

遗憾的是,一些折叠自行车设计师为了降低尺寸和重量而选择了去除或减小后下叉或下管。此外,柔性的折叠自行车会无意地给铰链造成额外影响,因其碰撞并最终缩短使用寿命,同时也会成为安全问题。因此,不能过分的强调折叠自行车的刚度。

对于小轮折叠自行车,较长的车把系统必须结实/稳固。这一点也适用于车架座管。同样的,这一点对于良好的骑乘以及人体工程学和安全是必须的,尤其对于较高/较重的骑行人员。

最好用焊接管。普通自行车在过去几十年有所发展,如今主要是通过焊接的管子构造(或者牢固的耦合在一起)。作为一种密闭的壳体,管子在物理学上因正确构造后在所有向量方向上可以提供最大的强度和刚度-重量比而著称。比如,管子轴线周围的拉力强度。

▲抗扭强度

然而,如果按照轴线方向剖开管子,管子会变成曲面的薄板,抗扭强度会减少数百倍。只能通过增加厚度来重新获得抗扭强度,因而重量增加——这一点只是不得已而为之。这一问题见于许多带中置电机的电动自行车。电机和齿轮,以及曲柄轴,包含在内置的壳体中,下管、座管和后下叉通过螺栓和螺母连接——而不是焊接。大多数壳体通过螺丝结合在一起(而不是焊接),使问题更加严重。即使是新自行车,整个车架也会显得“柔软”,随着时间推移,变得更加严重,除非采用特别牢固的结构。一种(更好的)方法是将中置电机单元中的曲柄轴(电机单元的一部分)放入正常焊接车架的五通管中。这一方法从强度/刚度和整车重量角度更加合理。成本也更低。

还有其他电动自行车设计中错误使用厚板替代管件的例子——失去刚度的同时增加了重量。折叠自行车的一个例子就是座管与五通管偏移设置,而传统车架中,座管下端焊接着五通管。现如今有时两个焊缝都不是连在一起。这会使得五通和座管之间产生显著的“脱离”,导致五通管(蹬踏力作用的地方)和后轮(着地)之间变得刚性不够(旋转前后轴周围)。

一些设计师尝试在车架中使用线缆替代某些管子(或铰链)。遗憾的是,这些部件通常提供了所有受力部件的刚度以形成一个牢固的车架。扭力,尤其是下管,根本不可能使用线缆替代。很少有此类产品可在市场上长期存在。如果使用线缆,线缆仅可在车架强度已足够时加强车架强度。

欧洲标准委员会测试对于设计师很有用。仔细看下欧洲标准委员会在自行车实验室中的车架和车把测试。你就会知道自行车是如何被使用和滥用的。(日本工业标准倾向于只强调垂直力,甚至在亚洲也逐渐变得过时。)

后悬架设计需考虑传统设计原则。如果需要后悬架,则必须遵守通常的自行车物理学。必须在链条下方的五通管上方正确旋转。(例如,维基百科条目:“Bicycle Suspension(自行车悬架)”。) 否则,自行车在蹬踏时的过多晃动将不可避免,导致严重的低效率。

▲车架有限元分析

对于力度分析,计算机工具“有限元分析”最适于折叠自行车,折叠自行车比普通自行车更加复杂。电子应力检测器作为一种实验性的研发工具被一些设计师用于应力测试。结构设计可以不需要反复试验而快速优化,反复试验费用高昂且耗时。

▲3D打印自行车部件

对于美学和几何建模,使用塑料进行3D打印变得更加流行。金属材料日益普遍,3D打印在不久的将来可能变得有用,甚至对于强度/刚度测试也是如此。

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