折疊車（4）：結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

Insigne

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▲主要參數(shù)

▲參數(shù)名

需遵守傳統(tǒng)的自行車設(shè)計原則。各種類型自行車的建造在過去一個世紀(jì)有所改進，通常認(rèn)為根據(jù)人體工程學(xué)和物理學(xué)有所優(yōu)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(tǒng)的技術(shù)，需考慮騎行人員和道路的交互。自行車的主要參數(shù)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(shù)根據(jù)車子尺寸和用途（山地車、公路車、通用車等）會有細(xì)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(tǒng)的強度對于騎行人員的安全至關(guān)重要。這一點是廣泛認(rèn)可的。

但是，很少有人意識到車架/車把系統(tǒng)的剛度同樣至關(guān)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(jù)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(zhuǎn)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(tǒng)（以及前叉和車輪/輪胎）必須為橫向的、可扭轉(zhuǎn)的以及垂直的，自行車左右有規(guī)律的晃動時，蹬踏保持穩(wěn)固。多達20%的蹬踏力轉(zhuǎn)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(tǒng)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(shè)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(diào)折疊自行車的剛度。

對于小輪折疊自行車，較長的車把系統(tǒng)必須結(jié)實/穩(wěn)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(xué)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(fā)展，如今主要是通過焊接的管子構(gòu)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(xué)上因正確構(gòu)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(shù)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(nèi)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(shù)殼體通過螺絲結(jié)合在一起（而不是焊接），使問題更加嚴(yán)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(yán)重，除非采用特別牢固的結(jié)構(gòu)。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(shè)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(shè)置，而傳統(tǒng)車架中，座管下端焊接著五通管。現(xiàn)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(chǎn)生顯著的“脫離”，導(dǎo)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(zhuǎn)前后軸周圍）。

一些設(shè)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)委員會測試對于設(shè)計師很有用。仔細(xì)看下歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)傾向于只強調(diào)垂直力，甚至在亞洲也逐漸變得過時。）

后懸架設(shè)計需考慮傳統(tǒng)設(shè)計原則。如果需要后懸架，則必須遵守通常的自行車物理學(xué)。必須在鏈條下方的五通管上方正確旋轉(zhuǎn)。（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(dǎo)致嚴(yán)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(fù)雜。電子應(yīng)力檢測器作為一種實驗性的研發(fā)工具被一些設(shè)計師用于應(yīng)力測試。結(jié)構(gòu)設(shè)計可以不需要反復(fù)試驗而快速優(yōu)化，反復(fù)試驗費用高昂且耗時。

▲3D打印自行車部件

對于美學(xué)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。