彼得潘

傳說(shuō)中，神秘的車(chē)架剛性跟我們并非專業(yè)的廣大騎友有關(guān)系嗎？答案是：Yes！據(jù)報(bào)告顯示，即使是業(yè)余騎友蹬自行車(chē)，車(chē)架也會(huì)產(chǎn)生甚至肉眼可見(jiàn)的變形，下面就來(lái)揭開(kāi)它的神秘面紗，順便講講它的測(cè)定秘技！

騎行中車(chē)架的變形

有關(guān)車(chē)架變形的問(wèn)題，在車(chē)圈內(nèi)一直都是備受關(guān)注的。一般來(lái)說(shuō)，自行車(chē)車(chē)架的作用，是讓車(chē)輪保持在正確的位置、起到支撐體重和承受蹬踏力的作用。如果騎友坐在車(chē)座上，讓自行車(chē)的前輪來(lái)承受全部體重的話，這時(shí)車(chē)架就會(huì)受到彎曲的力，然后發(fā)生縱向變形。如果用車(chē)來(lái)做類似上下臺(tái)階之類的動(dòng)作，荷重增加，那么這種變形更會(huì)加劇。當(dāng)一個(gè)人蹬腳踏時(shí)，荷重會(huì)從中心位置橫向移動(dòng)，車(chē)架就會(huì)相應(yīng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這就是扭轉(zhuǎn)變形。

此外，如果是用車(chē)來(lái)進(jìn)行攀爬，那么對(duì)車(chē)體的橫向蹬力還會(huì)增加，于是橫向變形也會(huì)隨之增加。同時(shí)鏈條的張力也能造成中軸扭轉(zhuǎn)，反過(guò)來(lái)對(duì)鏈條本身施加壓縮的力讓其變形。

這時(shí)關(guān)鍵的來(lái)了，什么是剛性？用變形量除以這種力量得到的就是剛性！在彎曲的情況下，為使車(chē)架發(fā)生1mm的變形的力量；或者在車(chē)架發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情況下，扭矩為1°的力量越大，車(chē)架越不容易變形，那么這車(chē)架的剛性就越強(qiáng)（越硬）。當(dāng)然，具體施力的位置和方式以及以什么位置的變形為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)它的這個(gè)值也會(huì)有很大影響。

（備注 荷重：物體所能夠承受的重量。）

車(chē)架的縱向變形

在實(shí)際情況中，車(chē)架會(huì)發(fā)生多大的變形呢？我們就來(lái)用最普通的鐵車(chē)架來(lái)計(jì)算一下（參見(jiàn)圖4）。假設(shè)騎友的體重為40kg的話，如果中軸位置變形0.8mm，那么其中（各部分所占比例分別是）前叉占76.6%、前三角占23.8%、后三角占0.5%。對(duì)縱向變形而言，前叉比車(chē)架本身更占據(jù)支配地位，而后三角則基本上不發(fā)生變形。而單獨(dú)對(duì)車(chē)架而言，前三角幾乎決定了它的特性?？v向剛性與高度（車(chē)架尺寸）的二次方成正比、與支點(diǎn)距離的三次方成反比。一旦車(chē)架尺寸增大、支點(diǎn)距離也隨之增加，所以，結(jié)果就是車(chē)架的縱向剛性下降。實(shí)際上，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，除了車(chē)架會(huì)產(chǎn)生變形，輪胎、輪組甚至車(chē)座也會(huì)產(chǎn)生變形。車(chē)輪的變形雖然很小，但是就輪胎負(fù)載來(lái)說(shuō)，1～2mm的變化其實(shí)比車(chē)架的影響更大。

車(chē)架的橫向變形

所謂的橫向變形，是相對(duì)于縱向而言的。由于車(chē)架橫向的厚度通常只有縱向的1/20，所以橫梁的剛性會(huì)更低，橫向受力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生更大的變形。

根據(jù)研究已得到的數(shù)據(jù)，橫向的剛性為縱向的1/50左右。這個(gè)剛性，在攀爬或者將車(chē)體傾斜并踩腳踏等情況下會(huì)有影響。假設(shè)攀爬的傾斜為7.5°，體重為70kg的人踩上去時(shí)的橫向荷重為9.1kg，這時(shí)中軸處的變形量就為2.2mm，比縱向的會(huì)更大。實(shí)際上，由于車(chē)輪、輪胎產(chǎn)生的變形，再加上下面將講到的扭轉(zhuǎn)變形，車(chē)架實(shí)際會(huì)產(chǎn)生更大的變形。

車(chē)架的扭轉(zhuǎn)變形

將先前車(chē)架的曲柄調(diào)到水平位置，然后讓一個(gè)體重為70kg的人開(kāi)始站著蹬車(chē)，這時(shí)車(chē)架由于受到扭轉(zhuǎn)的力、腳踏的位置會(huì)下降（圖2），變形量為4.1mm。其中53%是前三角、35%則是曲柄和中軸 （圖3），這時(shí)車(chē)架后面的三角形幾乎沒(méi)有變形。

這時(shí)，扭轉(zhuǎn)的軸比頭管的正中心位置更靠下。由于扭轉(zhuǎn)力的作用，腳踏橫向也發(fā)生了移動(dòng)，變形量為4.5mm，比縱向移動(dòng)的量更大。這里所說(shuō)的移動(dòng)不是單純的腳踏下降，還會(huì)感覺(jué)后輪胎的方向發(fā)生變化、偏離了踩踏的方向。

因此，蹬自行車(chē)時(shí)的感覺(jué)，應(yīng)該是車(chē)架的橫向變形和扭轉(zhuǎn)變形的影響會(huì)比較大。當(dāng)然，如果車(chē)架有彈性的話，這種變形都是能恢復(fù)的。

用眼睛看見(jiàn)扭轉(zhuǎn)剛性

我的車(chē)架真的會(huì)這樣變形嗎？有這種疑問(wèn)的人可以做一做實(shí)驗(yàn)。如圖1所示那樣，將自行車(chē)的車(chē)座緊緊地靠在合適的柱子上、立好，然后將腳踏調(diào)到水平位置。這時(shí)讓自行車(chē)盡量保持垂直，一只手抱住柱子，然后盡量垂直地將體重加在與柱子相反方向的腳踏上（別忘記捏緊剎車(chē)）。這時(shí)你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，腳踏在下降（目測(cè)就能發(fā)現(xiàn)）并且在往柱子的一側(cè)橫向移動(dòng)。怎么樣？即使是高端的比賽用車(chē)，通常也會(huì)有數(shù)毫米的移動(dòng)。之所以垂直增加荷重時(shí)也會(huì)橫向移動(dòng)，就是因?yàn)榭蚣馨l(fā)生了扭轉(zhuǎn)。

上面說(shuō)的將全部體重加在某一側(cè)腳踏上，這是誰(shuí)都會(huì)的。這時(shí)的變形在騎友實(shí)際騎車(chē)時(shí)其實(shí)也會(huì)產(chǎn)生，而且扭轉(zhuǎn)的軸越低、橫向移動(dòng)越少，下管粗斜、立管短的車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛性會(huì)更強(qiáng)。在蹬自行車(chē)時(shí)，腳踏橫向移動(dòng)變小。在用同樣管子的基礎(chǔ)下，計(jì)算一下傾斜的情況就會(huì)發(fā)現(xiàn)，頭管短的其縱向剛性下降、橫向剛性大致相同，但扭轉(zhuǎn)剛性提高了。由此可以得知，如果使用同樣的管子的話，想車(chē)架結(jié)實(shí)就選擇傾斜的；想感覺(jué)不到車(chē)架的存在就盡量選擇水平的可能比較好。

當(dāng)將自行車(chē)用于攀爬之類時(shí)，將自行車(chē)傾斜并踩踏的話，甚至還會(huì)有彎曲變形。彎曲剛性也是可以算出來(lái)。如果以桿棒到把端距離的中間點(diǎn)和輪胎的連線為垂直的話，大致上為7°左右。這種狀態(tài)時(shí)，垂直蹬踏比較好。需要注意的是，這個(gè)時(shí)候不能更大角度傾斜、增加重量。自行車(chē)一般對(duì)橫向力量的抵抗力很弱。如果進(jìn)一步加上扭轉(zhuǎn)，所舉計(jì)算例的框架（黑森、框架自身1700g），騎手再橫向?qū)Ⅲw重加上去的話，一次就將永久變形。

在先前的荷重實(shí)例中，無(wú)論哪一個(gè)都是利用的體重（變形情況）相同。但是，扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力是最高的，約為縱向荷重的2倍。

車(chē)架材料的影響

如果換一種材料會(huì)怎樣呢？同樣形狀、厚度的車(chē)架材料，剛性和材料的縱彈性模量是成一定比例的。輕的材料其縱彈性模量低，如果不厚一些就不可能得到同樣剛性的車(chē)架，所以，結(jié)果是也不可能太輕。由此就講到要采用輕的材料來(lái)制造就必須加厚的話題。實(shí)際上并不是單純的厚，要找到縱向剛性、橫向剛性、扭轉(zhuǎn)剛性之間的平衡，有時(shí)要增加高度、有時(shí)要填空，另外與組成部件的間隙、空氣阻力等也要考慮，進(jìn)行調(diào)諧，鋁車(chē)架輕，碳纖維的更輕。從對(duì)某制造商生產(chǎn)、銷(xiāo)售的鐵、鋁、碳車(chē)架的剛性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，在幾者的數(shù)值都相同的情況下，重量的順序是鐵﹥鋁﹥碳。所以也不是說(shuō)因?yàn)槭卿X就硬，而是因?yàn)樽龅糜菜杂?。從理論上?lái)講，即使用鐵作材料，如果能做到半徑大、超薄，也能做出非常輕的高剛性的東西。但是這不僅做起來(lái)難，做出來(lái)只是拿一下就癟了，完全不實(shí)用。