自行車輪組:基本幾何與動力學

翻譯的外國論壇文章,源地址:https://whosatthewheel.com/2017/11/12/the-bicycle-wheel-basic-dynamics/


正文

直至今日,在一個知識遍佈並能廣泛獲取的年代,我還在讀一些像自行車輪子這麼簡單的一些廢話(a lot of “tosh”)。當然,完整地說,你應該讀一下Jobs Brandt(譯者:這誰啊?)寫的好書,但如果你時間有限,我在此嘗試解釋一下核心內容。我想指出,以下的的內容僅適用於有輻條的,並依賴於輻條張力的輪組。三刀輪組(trispokes),封閉輪(lens-like disc rear wheels),和不依賴輻條拉力拉緊硬輻條輪組(wheels with rigid spokes)不在本文討論範圍。

我第一個嘗試解釋的誤解是,輪組的強度(strength)和“耐用”(durability)是同一個東西。但其實他們不同,如果你爆圈了,這不是輪組強度低的鍋。

一個輪子的強度是其承受負載的能力:能承受越大的負載,輪子強度越高。而強度依賴於幾何和動力學。下圖中的支撐角度(bracing angles) α 和 β 由強度決定,並增大強度(determines by and large the strength)。大(支撐)角度能增加輪組的穩定性和強度。當然,輪組強度只能和輻條上的張力一樣大,因此,平均輻條張力乘與輻條數和輪子的負荷能力成比例。一個稍微不那麼重要的參數是輻條偏轉(spoke deflection):大的部分那一側的輻條(spokes with larger section section(gauge))偏轉更小,因而增加了輪子的負荷能力。大的部分那一側輻條也由缺點,我們之後會討論。
這裏寫圖片描述
在第一個實例中,如果你要輪組的強度更高,那麼你需要更大的支撐角度,高張力,更厚的輻條。

支撐角度α和β是距離AD,即輪子直徑的函數:一個更小的輪子有更寬的支撐角度,因而強度更高。在較小程度上,通過增大BC距離來增加支撐角度也是可能的,即將花鼓的法蘭距設計地更大。在更小的程度上,通過”更高”的法蘭來增大支撐角度也是可能的。但給定三角形ABD和三角形ACD的形狀,這個效應可以忽略,除非是在最小的輪子上。

強度可以通過增加每一根輻條的載荷(張力)或者輻條數來加大。驅動測和非驅動測輻條的張力之比,總是和對應的支撐角度之比的角度的倒數成反比。簡單的說,寬大的α會增加強度,但也會降低非驅動側輻條的相對張力。這是由幾何結構決定的。但有一個例外,唯一一個改變驅動側輻條張力和非驅動側輻條張力之比的方法就是用一個非對稱車圈( asymmetric rim),改變BD和CD的相對長度或者說移動點A。一個想左偏移的輻條孔會減少(驅動側和非驅動側)的張力差異(因爲支撐角度差異變小了),反之亦然。

輻條數是一個例外:當兩側的輻條負載和支撐角之乘積相等時,輪子兩側達到平衡狀態。然而,

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