自行车车架上的一切设计只有一个目的:转向(公路车篇23)

在第一部分的最后,我们提到了机械轨迹量,下边,我们来看看为什么要在轨迹量的基础上引入机械轨迹量这个参数。

机械轨迹量:通过轮胎接触面和转向轴垂直的距离。机械轨迹量也被称为真实轨迹量,它和地面上的轨迹量密切相关,因为增加其中一个就会导致另一个增加。地面上的轨迹量是对机械轨迹量良好模拟,但是机械轨迹量是更加真实的测量,因为它的大小直接与车轮自动居中的“脚轮效应”相关。车轮翻转值(wheel flop)

当车轮转向一侧时,车架前端会下降,这里选用了一个比较极端的转向角为了更加明显看到车架前段的下降量。这种下降一方面会由于车手重量分布靠前,另一方面也会因为车把倾斜的重力而导致车轮更加远离直线,这种现象就被称为车轮翻转。

车轮翻转的量由mm为单位计算,因为当车架前段下降后,此时前叉偏移量保持了同样的数值,所以这最终导致了轨迹量的改变。在上一节的轨迹量(Trail)结尾处,我们提到了机械轨迹量的概念。而前轮的翻转值就是转向后的机械轨迹量减去正常直立状态下的机械轨迹量的差值(也可以简化理解为车把转动后,前轮花鼓高度的变化范围,范围越大,这种转向趋势越明显越灵活,但是越难以操控。反之亦然)。

体验这种感觉得方法可以让前轴高于后轴,此时翻转值减小,车把会更加灵活,因为翻转值增加。反过来后轴高于前轴翻转值会减少,转向会变得迟钝。现实状态下可以从上角度比较大的坡路中去感受。低速状态下上坡,此时头管角度增加,实际trail也增加了,理论上会有更好的稳定性,但是由于车轮翻转量也随之增加,所以会让转向更加灵活,更容易转向过度。对于正常的头管角度范围来说,头管下降的越多(头管角度越大),那么机械轨迹量就会越大。

对于车手而言,在低速状态下,车轮翻转的效应会更加明显,因为这会有助于前轮转弯(尝试一下定车,你就能感受到前轮翻转的效应)。当前轮翻转值越大时(比如20mm),那么它会比数值更小的翻转值的车(比如10mm)更加倾向于转向。虽然翻转值会有助于你在骑行中转向,但是如果太多,那么就会非常容易超过可控范围(试想比赛慢骑行中的状态,车把超过范围后会急速的向一个方向旋转,过大的翻转值会减少趋势的可控范围)。而在高速状态下,头管角度的大小会占主导地位。这就是为什么具有更加倾斜的头管角度的自行车会在低速状态下更加容易向侧方翻转难以控制,但是在高速状态下特别是在转向中,会更加稳定和趋于自动保持轨迹的原因。

上图显示了在安装了25c的700c公路车上,随着前叉偏移量和头管角度的变化,车轮翻转值的变化。车轮翻转值提供了在转向中前轴高度的变化量。例如:同一头管角度下,随着前叉偏移量的减少,机械轨迹量就会增加,从而进一步带来了车轮翻转值的增加,因为车轮翻转值是车头向前的机械轨迹量减去转向后的机械轨迹量之差。所以随着机械轨迹量的增加,车轮翻转值也会增加。虽然上图标注了两者的关系:两者处于一种正相关的状态,其中一个数值增加,另外一个也会增加。所以并没有办法设计出一辆既提供大量轨迹量,又有很少的车轮翻转值的自行车。

在实际使用中的例子:比如71°的头管和55mm的偏移量,72°的头管和49mm的偏移量以及73°的头管和37mm的偏移量都可以获得59mm的轨迹量,但是他们的车轮翻转值不同,从18mm稳定的缩小到了16mm。虽然这是一种细微的差别,但是它证明了为什么在相同轨迹量的情况下,这些车会具有不同的响应反馈(在山地车,这些变化会更加的有意义,比如固定的头管角度下,可以通过增加或者减少前叉偏移量来改变车轮翻转值和轨迹量,以便获得更加平衡的性能:低速灵活性和高速稳定性之间的平衡点。)。

很多车手都体会过车轮旋转下的陀螺效应。当把旋转的车轮握在手上,并试图倾斜车轮时,你就能感受到这些力。

陀螺效应可以让车轮处在任何状态下,但是如果想改变这种状态,就要抵消陀螺效应。上图为一个旋转的车轮,此时只需用手指托着单边轴心就可以保证车轮不会因为重力倒下。在自行车上,这种效果可以让前轮处于任何倾斜角度,所以,它有助于自行车的操控。过去,人们普遍认为这种效果对于保持自行车平衡至关重要,但是,就像在轨迹量的章节中所描述的那样“(在2011年已经有试验团队通过试验验证了无需通过轨迹量-trail和陀螺效应就可以实现自行车自稳定,这实际上也在告诉我们,在实践探索的部分中,车架的几何角度还有非常大的挖掘空间,以前的经验论只是告诉我们哪些有效,哪些无效,但是并没有说明其中的原因,感兴趣可以搜索文章:a bicycle can be self-stable without gyroscopic or caster effects。)”。实际上车轮的陀螺效应对于自稳定的自行车来说也并不是必需的。

陀螺力可以帮助稳定自行车,特别是在高速状态下,可以有效的保持平衡和维持状态。虽然有利于稳定性,但是就像我们看到的那样,更多的车手通过升级更轻的轮组虽然会减少这种陀螺力,但是车手们会更加陶醉于这种额外的灵活性,而不是失去的稳定性。

把立的长度会影响自行车的操控性是一种普遍的认识:更长的把立更稳定,更短的把立更灵活。

上图很好理解,在转动相同角度的情况下,更长的把立需要转过更长的弧度才可以完成。首先,车把的转向弧度的大小取决于把立的长度。当弧度较小时,车把对车手的输入(也就是手臂的运动)会更加敏感,所以不需要过多的努力就可以改变自行车的方向。较长的把立会有较大的转向弧,这会对手臂的运动不那么敏感,减慢转向速度。

上图展示了不同把立状态下不同把立长度对重量分布的影响。其中对于小车架安装长把立的情况,实际会抵消掉更小轴距的影响而降低灵活性。这个后边还会有详细分析,请继续阅读……另一方面,把立的长度也会影响车轮的重量分布,更长的车把会让车手把更多的重量移动向前轮。比如,在小车架使用长把立以便可以获得和正常车架使用更短的把立一样的前申量,但是车手此时的重量分布就会发生改变,小车架长把立让重量进一步前移落在前轮上,这会让前轮的响应速度减慢。

在山地车上,短把立会由于更倾斜的头管和更大的trail值而在灵活性的改变上变得不是重要,但是由于前边说到的,可以减少转向弧度的长度,所以对于山地车机动性而言,更短的把立在一定程度上,还是提高了一些灵活性的。相比之下,短把立让车手的重量更多的转移到车架上,让前轮重量更轻,使转向也会更加轻一些。如前所述,如果自行车有一个松弛的头管角度和比较大轨迹量(小角度头管,比如山地车上),那么这些把立并不会对转向起到多大的作用,但是它可以提高机动性,减少行程,这也可以解释在山地车上车手更热衷于短把立的原因(近几年山地车车架的设计也在吧前伸量设计的更长以迎合这种趋势)。反过来,这也解释了为为什么过短的把立会让自行车在快速转向时更容易失控。

车把的宽度对操控产生的影响和把立长度对操控产生的影响相同。更宽的车把可以把手分的更开(特别是握持在手变头和下把位时),这增加自行车转向时的弧度。越窄的车把弧度越小,转向越快越灵敏。这可以改善自行车的操控性,但是如果过于窄,这会带来“抽搐”(增加不稳定性),特别是在短把立和窄车把配合的情况下。

在选择车把时,更多的前伸量和喇叭口型的公路车把,都会进一步的增加转向弧尺寸。因此在组装新时,这两者的组合需要考虑在内。

车把的宽度还有另一个影响,那就是稳定车手的身体和增加操控的精准度。如果你尝试把手放在非常靠近车把中心的位置尝试骑行你就能明白这点:稳定身体需要更多的力量,而且自行车也变得难以控制。因此,更宽的车把有助于车手的稳定,尤其是当他们的肩膀很宽时,即使他们没有扶着车把这也同样重要。

最后是车把的宽度对转向扭矩的影响。更宽的车把为前轮转向提供了额外的杠杆作用,这在使用宽轮胎进行越野时非常有意义。

在这方面,山地车的宽车把的意义会让你更容易理解,而在gravel和CX上,喇叭口的设计可以获得相同的结果,并有助于在车把上加装更多的装备(车头包等)。

上图表示了一台26寸山地车直接更换29寸轮组后发生的情况,由于前叉偏移量相较于头管之间的距离是固定的,更大的轮组太高了头管,让实际角度进一步减小,这就间接的增加了轨迹量。这是因为车轮的直径会随着轮胎宽度的增加而增加,反过来就会影响到轨迹量(车头太高,头管角度向后倾斜,前叉偏移量没有变,此时trail值就会增加)。比如,如果从700C*23mm的轮胎改为28mm的轮胎的线mm的轮胎,轨迹量则会增加6mm。在大多数的情况下,比较小的轨迹量(Trail)增加往往可以忽略不计,但是更大范围的变化,比如40mm的轮胎,就可以感觉到转向反应迟钝(感兴趣的可以在山地车或者公路车上更换轮组进行一下测试)。

车轮翻转值也会随着轮胎的宽度增加而增加。我们继续上边提到的例子,从25mm增加到28mm的轮胎会让车轮翻转值增加1mm,而40mm的轮胎可以让车轮翻转值增加2mm。当然,有些非常小的变化,是不易察觉得,但是在40mm的情况下,轨迹量(Trail)和车轮翻转值的综合影响,会带来相当于头管角度减小近1°的状态。

上图反应了随着轮胎宽度的增加,轨迹量(trail)和车轮翻转值(wheel flop)之间的关系。其中横轴表示轮胎宽度,纵轴表示这两个数据的变化幅度。轮胎的宽度还和另一个被称为”轮胎轨迹量“的东西有关。由于个轨迹量和轮胎与地面的接触面积有关,简单解释的话,就是在车轮转向的过程中,轮胎接触面并不是处于一种平滑的过度状态,而是处在一种和地面滑动摩擦的状态,这会产生一种让轮胎重新回到直线行驶轨迹的趋势,当车轮继续转向时,轮胎接触面和地面完成一次转向摩擦,连续的滑动摩擦最终完成一次转向。并且这种趋势会随着轮胎宽度的增加而增加。这会让从转弯开始的一瞬间就产生一种车轮自动会正的效果。不过,关于在自行车上的轮胎宽度和轨迹量的关系,还没有确切的指标,所以就不再更进一步的讨论,我们只要知道,这个力是存在的,并在自行车范围内,会带来一些自稳定性就可以了。配合下图会更容易理解一些。

上图显示了轮胎接触面的被动转向过程,可以简单理解为轮胎对地面施加的力就是轮胎自动回中的力。在公路自行车的情况下,这个接触面积比较小,所以这种影响可以忽略。但是更宽的轮胎(比如40mm)就会是不同的情况,这就是为什么更宽的轮胎,就会需要更多的转向扭矩来补偿操控性的下降的原因。

以上关于轮胎对操控的影响,可以解释为什么明显更大的轮胎(比如用于gravel公路车)总是会给你带来略微迟钝的操控感受,但是却可以提供高速下的稳定性。转向会在低速时感觉迟缓或者不精准,除非使用更小的车轮直径(比如通过使用650B安装更宽的轮胎来获得近似的轮经)来抵消这种效果中的一些,不然就会在操控上给你带来相当大的迟钝反馈。

上边所描述的使用更小的轮组配合更宽的轮胎,对保留原有车架几何角度非常有意义。比如下边的例子:对于一辆头管角度71°,前叉偏移量55mm的自行车而言,当使用25mm轮胎的700C轮组是,它的轨迹量(Trail)是59mm,车轮翻转值是18mm。但是如果只把轮胎更换为50mm的话,轨迹量(Trail)就会增加到68mm,而车轮翻转值会增加到21mm。这是一个很大的变化,这会让你的车变得迟钝。相比之下,如果采用650B*2.1的组合,那么轨迹量(Trail)则为62mm,车轮翻转值为19mm。虽然仍然会有一些预期内的反应迟钝,但是这大部分就都是轮胎轨迹量所导致的了。

在700C和650B轮组之间进行轮胎尺寸的更换,可以尽量保持原有的车架设计的几何角度。在操控上可以给你一个你所期望的范围,而不是超出自己的预期。

从表面上来看,似乎五通的高度和自行车的操控无关,而且事实也确实是不会影响到自行车的转向。然而,五通的位置影响了车手的位置,却具体的说就是影响到了车手的重心的位置。

想一下在公路车高速下坡时的状态,双手放在下把位上,而不是手变或者把横上。这并不仅仅是获得更好的气动性,而是降低了车手的重心,获得更稳定的操控。所以,五通的位置也是以同样的方式影响自行车的操控:相对低的五通会让骑手更接近地面,获得更稳定的状态。

五通的位置通常可以用两种方式描述:1.五通到地面的高度;2.五通到车轮中心连线之间的距离。第一种情况很好的反应了自行车的离地间隙,第二种很好的反应了车手的重心位置。

注意红线标注的位置。五通的高度可以相对于地面测量也可以相对于前后轴测量,在相同的车上前者取决于车轮和轮胎尺寸,后者则可以用于比较不同车架之间的差别。如果把前后花鼓作为两个点绘制一条平行于地面的直线,一般情况下,五通都会位于这条线的下方(也就是常说的五通下沉量)。究竟会下沉多少,这主要取决于车架的设计。公路车一般会设计下沉65-75mm,但是在某些情况下可能会更多一点(比如,旅行车也会有80mm或者更多的下沉量)。相比之下,山地车车架的下沉量一般较少,因为越野会需要更多的离地间隙以免脚踏或者牙盘撞击到岩石或者障碍物。

比较极端的车型DH,五通的下沉量极小,如上图的闪电demo8,五通下沉量仅为12mm。考虑到无论如何,一辆自行车都必须要有一定的离地间隙,所以五通的下沉量就变得很有限。然而,对于那种在自行车上有采用更直立的骑行姿势的骑手来说,在高速状态下,和身体一起倾斜转向时会获得更多的稳定性,虽然这是很细微的改变。

那么什么更重要呢?就是下边我们要讨论的轴距以及重量如何在前后轮之间分配。

自行车的轴距描述了前轮和后轮之间的距离,并且是从一个花鼓到另一个花鼓中心的测量。这个距离很大程度上会受到车架长度的影响,所以车架尺寸增加,轴距也会增加。

更严格来说是轮胎接触面之间的距离,因为如果是大小轮就没有办法通过从轴心来测量轴距了。当车轴距更小的时候,自行车转弯半径也会更小,因此,在通过一些紧急弯道时也会更容易转向。增加轴距长度可以获得更好的稳定性,这就是为什么DH车会比XC车有更长的轴距,但是这也是以机动性为代价的。

虽然轴距的整体长度为自行车的某些稳定性设定了基调,但是它会受到车手在车上的重量分布的影响,这可以从前轮和后轮到五通之间的距离反应。这也是前后轮的中心距离之所以重要的原因,因为他可以反应每个车轮到五通之间的距离。

上图展示了前后轮中心距离的测量方式:从后轴中心到五通的直线距离为后轮中心距离;前轴中心到五通的直线距离为前轴中心距离。一般情况下,前中心距离会大于后中心距离(60/40是最常见的分布),因为前轮需要额外的转向空间。前轮的中距离更多的还是取决于车架的前申量,但是更小角度的头管以及更多的前叉偏移量都会让前轮更进一步的远离五通。相反,后中心距离则主要取决于链线长度。

前后中心距离的分布之间差异意味着会有更大比例的重量会落在后轮上,但是更确切的数值则要取决于车手的位置。更加激进的骑行姿势或者使用计时赛车把(俗称休息把),会让更多的重量向前轮转移,以减缓转向。在正确的衡量标准下,这可以提高自行车的稳定性。事实上,很多人都认为这可以防止虚迷效应(High Speed Shimmy直译为高速抖动)。下图展示了虚迷效应在自行车以及摩托车上发生时的情景:

但是,过多的重量分布在前轮,会使得更加精细的转向修正更加困难,从而让操控更加难以控制(要么多,要不没反应,转向的度比较难以控制)。

如果让前轮的重量分布更少,则会让转向更轻,又会增加过度转向的风险。同时,如果是在湿滑的条件下,这会让你对转向缺乏信心,甚至由于过度转向失去抓地力-摔车。另外前轮的重量分布过少时,当有颠簸激发虚迷效应时,车辆就会剧烈抖动,所以在高速行驶时,更需要把集中注意力来控制自行车。

重量分布的影响不仅会在自行车前端发生,当你在车座上用身体转向时也会有所影响。后轮额外的重量会放大身体由于倾斜而带来的前轮转向。这种情况在双手撒把的情况下格外明显,并且也会因为后轮负重增加而产生(比如gravle后部增加的货架和驮包等)。在这两种情况下,车轮都会更加容易转向,特别是在低速状态下,并且虚迷效应在这两种情况下会依然存在,并更加容易被激活。

实际上车手对于前后轮的重量分布会有非常大的调整空间,通过重量分布可以改变自行车的操控。显然,在重量分布上找到一个平衡点,可以让车手同时在两种机制(车把转向和身体转向)中都获得优秀的操控。但是,对于可能带来的操控性反应,并没有一个严格的规则;一些人认为前45后55在公路车上市一个理想的选择,但是这一设置同时也会受制于车架上的固有转向设计(比如前边提到自行车前端的种种设计)。比如,如果自行车有一个小角度的头管和较大的轨迹量(Trail),那么移动一些重量到后轮上,会更加有助于提高转向响应,此时45-55的分配就不会那么合适了。

把立长度和车座位置虽然可以重新分布车手在自行车上的重量,但是调节范围却很有限-只有几厘米,而且既便如此,对于车手来说,也未必可以通过此方法获得新的重量分布。因为对于公路车车手来说(山地车会更加灵活多变,这也是魅力之一),重新定位车座会破坏原来他们踩踏位置上的效率,而改变把立则会影响到骑行的舒适性。尽管如此,两者的细微改变多可以影响到自行车的操控。

不过,如果你选择一个从0开始设计的车架的话,那么这些限制将会消失。实际上,优化重量分布通常是定制车架的一个重要指标。在许多情况下,这不会改变自行车的固有操控设计,但是却可以从一定程度上进一步改进。

明天我们将继续车架几何角度对转向的影响最后一部分,其中包括车手的影响以及我们这两篇里所有提到的内容在今天市面上的自行车上的反映和学术界和自行车制造商之间不同的研究方式等。敬请关注。

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