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躺車車架設(shè)計(jì)（慎入）
2011-03-07 18:15:50
出處 : Biketo.com|自行車網(wǎng)
作者 : wxyy
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只有脫離了摸索和模仿，對躺車相關(guān)的基本問題認(rèn)真思考，廣泛采集數(shù)據(jù)，把經(jīng)驗(yàn)上升到理論并反復(fù)驗(yàn)證，分析討論，達(dá)成共識用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)制作，才能說躺車開始成熟。這必須依靠有志躺車的同好一起努力。
這是練內(nèi)功，躺車要發(fā)展離不開這一步。拋磚引玉，我來開個頭吧！
中心對稱面上的彎曲
去掉躺車上和自行車通用的東東，就只剩下車架和座椅。按下座椅不表，先說車架。
我們第一個關(guān)心的是夠不夠結(jié)實(shí)--會不會坐壞？
坐下去以后車架會下塌，人起來能恢復(fù)，這叫彈性形變。形變超過一定限度，塌下去起不來了，產(chǎn)生永久形變（塑性形變），卻沒斷裂，就不能說強(qiáng)度不夠，而是剛度不足。金屬材料做車架，只要剛度夠，強(qiáng)度肯定綽綽有余。僅僅結(jié)構(gòu)不破壞，但扭曲得不成樣子，并不是我們的目標(biāo)。躺車車架的垂直彎曲形變不能超過一定限度，這個限度就是躺車標(biāo)準(zhǔn)之一，可惜現(xiàn)在還沒有。怎么辦？
一是參考自行車標(biāo)準(zhǔn)。躺車車架和單梁的自行車相似，完全可以借鑒，例如用反向設(shè)計(jì)求出的車架剛度作為躺車的參考。
二是根據(jù)一般機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)決定，例如座椅負(fù)載70kg時，最大撓度小于軸距的1/500，或小于1.5mm。究竟該是多少，還望大家討論。
跨度對撓度的影響遠(yuǎn)大于材料和截面積：其它條件相同時，跨度增加26%，撓度就猛增一倍，兩者是立方關(guān)系。
僅就這點(diǎn)看，兩輪低躺的軸距比高躺大，要保持相同撓度，本來就比較長的梁又需要較大的截面，因此車架會比較重。
事實(shí)上車架壓塌的情況非常少見，最常見的是撞擊使前叉后退使車架拱起，應(yīng)該予以足夠重視：
車架的強(qiáng)度如何，還得經(jīng)過實(shí)際使用的檢驗(yàn)，或用模仿實(shí)際騎行的方式檢測。例如上面說的撞擊，《GB 3565-2005自行車安全要求》是這樣檢測的：
可見也完全適用于躺車車架。而車架/前叉組合落下試驗(yàn)就不一樣了：
典型的菱形車架鳳凰26輕便車的實(shí)測數(shù)據(jù)是：
以團(tuán)購躺車為例，估算數(shù)據(jù)是：
我們做個定性的分析比較：
重心 后仰角 重心升高 前軸升高
26輕便車 21.4%軸距 24° 45.3mm 416mm
團(tuán)購躺車 64 %軸距 63° 430 mm 1040mm
撞擊的能量來自負(fù)荷的勢能。
忽略車架自重和軸承摩擦，同樣的檢測方式，26輕便車的勢能為70×0.0453=3.171千克米=31.1焦；團(tuán)購躺車為70×0.43=30.1千克米=295.8焦，是前者的9.5倍！
再看沖擊力。
26輕便車前叉滾輪上的重力是70×0.214=14.98（千克 ），團(tuán)購躺車是70×0.64=44.8（千克 ），躺車大2.99倍。另一方面，自由落下的高度分別是416mm和1040mm；
自由落體末速度與高度是平方關(guān)系（v^2=2gh)，躺車前叉滾輪接觸鋼砧的瞬時速度是26輕便車的3.08倍，沖量就是3.08×2.99=9.21倍�？梢哉J(rèn)為兩者減速為0的時間一樣，躺車在這個試驗(yàn)中的沖擊力是26輕便車的9倍以上。
事實(shí)上躺車不可能后仰63°--人都大頭朝下了，這顯然不符合實(shí)際騎行狀態(tài)。可見這項(xiàng)測試完全不適合躺車。如果用后仰（前輪上抬）24°或前軸升高400mm代替可能更接近實(shí)際。
天津市自行車研究所《自行車車架前叉疲勞試驗(yàn)方法剖析》一文認(rèn)為，日本JISD9401-84標(biāo)準(zhǔn)中的車架、前叉組合件振動試驗(yàn)方法比我們現(xiàn)行的沖擊疲勞試驗(yàn)方法更為合理，更具科學(xué)性：
西德DIN14-7900一84標(biāo)準(zhǔn)是在木障高12.5mm、 木障間距0.597m的滾筒上進(jìn)行，天津市自行車研究所用同規(guī)格木障鋪在路上，由體重為70kg左右的人騎行速度為8．022km／h模擬這項(xiàng)試驗(yàn)。結(jié)論是“成車動態(tài)試驗(yàn)方法較為合理，模擬了實(shí)際騎行的受力狀態(tài)。但若作為一種疲勞試驗(yàn)方法則強(qiáng)化不夠。其振動頻率和振幅還有待于做更進(jìn)一步的研究來確定”，并指出：“其平均應(yīng)力值與平坦路面1 6km／h速度騎行時的平均應(yīng)力值接近。滾筒試驗(yàn)是一種可在室內(nèi)進(jìn)行的整車振動試驗(yàn)，目前已有許多國家采用。如果適當(dāng)加大振幅(提高木障的高度)或提高振動頻率(加快滾筒的轉(zhuǎn)速)是可以研究作為一種成車疲勞性能試驗(yàn)方法的�！�
天津市自行車研究所用的是更直接的辦法：體重為70kg左右的騎行者，在平坦的柏油路面上以24km／h和16km／h的速度騎行，從120mm高的臺階上慢速騎行做前、后輪跌落試驗(yàn)。
這對躺車車架測試極具參考價值。
這些測試是通過貼在車架不同部位的應(yīng)變片取得數(shù)據(jù)的；躺車車架的測試同樣也應(yīng)該采用。應(yīng)變片相當(dāng)便宜，電路也很簡單，就看誰開這個頭了。這個問題有時間可以專題討論。
以上內(nèi)容都是關(guān)于成品車的 ，目前好像對躺車DIY用處不大。
用碗口粗的管子做車架，想必強(qiáng)度就不成問題了。為什么沒人這樣干？
減重是個潛在因素。研究的目的之一是弄清車架內(nèi)部的應(yīng)力，在保證使用要求的前提下去掉冗重，減輕車架。盡管這是個講究奢華的時代，但簡潔依然是工程設(shè)計(jì)永恒的追求。
但這不是躺車DIY現(xiàn)階段的目標(biāo)。因?yàn)橐揽拷?jīng)驗(yàn)或憑感覺，選材和結(jié)構(gòu)都傾向大些以求保險，就算選小了也不過剛度稍有不足，并不影響使用，只是騎行感覺不同而已；而躺車現(xiàn)在還根本談不到像公路車那樣考慮車架剛度的區(qū)別。
車架剛度的檢測
這是普通自行車用的方法之一，比較簡單可行：“ 把車架安裝在試驗(yàn)臺或類似試驗(yàn)臺的夾具上，在中軸附近裝置百分表并校零，在中軸兩側(cè)掛上法碼30kg。這時由于車架變形，中軸處下降△米，中軸處的剛度系數(shù)k=30/△ (kg／米)=294/△ (牛／米)”
躺車沒有中軸，曲柄軸也在前端，可以在車架正對騎行人重心下方處加載和測量。注意人體重心位置，最好自己實(shí)測一下，一般人的估計(jì)差得很多的。剛度系數(shù)可借鑒普通自行車。適用于不帶減震器的車架。
小結(jié)
車架的剛性是我們關(guān)心的重點(diǎn)。
減小跨度（軸距）是提高剛度的有效方式
重視前管和車梁結(jié)合部的強(qiáng)度和剛度
一些可供參考的檢測方法
重心位置對動態(tài)性能（振動特性、沖擊及疲勞強(qiáng)度等）有決定性影響
橫向彎曲和扭曲
作用在自行車上的力除了負(fù)載（騎行人和載荷的重量），還有蹬踏力和轉(zhuǎn)向操縱力。操縱力不大，先不考慮，而蹬踏力對車架的影響不亞于負(fù)載。
蹬踏力的特點(diǎn)
1變化范圍大：重力是恒定的，而蹬踏力是變化的�；袝r腿部不用力，踏板上只有腿的重量；良好路面的平路，時速18公里左右時蹬踏力約12公斤；較差的路面25～30公斤；上坡、頂風(fēng)或加速時站起來搖車相當(dāng)于體重（70公斤左右），而瞬時猛踩可高達(dá)140公斤！
2周期性：每踏一周，每側(cè)踏板的蹬踏力變化一次
3左右交替：兩個踏板上的蹬踏力錯開180度
4作用在中心對稱面兩邊，相距270mm左右
在菱形車架上，這個相當(dāng)大的力除了直接扭轉(zhuǎn)車架，還使鏈條把曲柄軸和后軸拉近引起后三角側(cè)向彎曲。如果車架這方面剛度不足，車架就“軟”，影響騎行感覺。反復(fù)變化的力還會引起車架的疲勞。菱形車架橫向剛度遠(yuǎn)低于縱向剛度，因此有必要測試扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度。
可以看到，在側(cè)視（XY平面）、前視（YZ平面）和頂視（XZ平面）三個平面中都有引起形變的作用力存在。在蹬踏力最大的搖車時，情況更復(fù)雜：
在躺車上，蹬踏力和重力是分開的，因此踏板上的作用力比普通自行車要小，并且接近車架的軸向，而軸向是材料的最佳受力方向 ，同時鏈條的拉力方向又和蹬踏力基本重合，因此躺車車架的受力情況要比普通自行車單純。
另一方面，躺車的蹬踏力和重力（負(fù)載）大小相近，它不是引起扭轉(zhuǎn)，而是產(chǎn)生橫向彎曲；而躺車車架多采用單梁形式，其抗彎截面模量是各向同性的，縱向剛度達(dá)到要求，橫向剛度就可得到保證。
躺車曲柄軸的受力和自行車中軸有很大區(qū)別。自行車中軸是車架最重要的結(jié)合件，也是主要承力件，又是蹬踏力的受力件，因此它是車架上強(qiáng)度最大的部分：它的厚度是車架管的一倍。而躺車曲柄軸僅僅承受蹬踏力，雙腳（連腿）在踏板-曲柄上的重力不過10公斤左右，又是與蹬踏方向接近垂直，可見曲柄軸處所需向上的支撐力很小，向前的蹬踏力由于有鏈條拉力的抗衡也不大，螺絲鎖緊的套管夾緊力就足以應(yīng)付就是證明。
在躺車上，蹬踏力在牙盤上和鏈條拉力是一對反作用力，曲柄軸對車架的作用力基本上是軸向力�？梢娛坠艿脑O(shè)計(jì)只須考慮側(cè)向的彎曲剛度即可。
以上只是躺車曲柄軸部分受力分析，實(shí)際情況最好通過實(shí)測或模擬，擬另行討論。
以28平車為例：B3F(A3)鋼，上管1.1；前管、立管、立叉1.2；下管1.4；平叉1.5；上接頭、后接頭1.7；下接頭2；中接頭（五通）2.7
車閘的影響
車閘可分兩類：V剎、鉗剎、吊剎等在車圈制動，碟剎、抱剎、漲剎、倒（腳）剎等在車軸或靠近軸處制動。
作用在車輪上的制動力相當(dāng)大。根據(jù)自行車安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，時速25公里時制動距離不得大于7米；由此可計(jì)算出制動力F。
設(shè)人與車質(zhì)量m=85kg，制動距離7m，初速v=25km/h=6.94m/s，S=7m；由v^2=2aS可求得a=3.44m/s^2；制動力F=ma=85×3.44=292.4N≈30Kgf。
制動力由兩個車輪分擔(dān)，每輪約15公斤。26“車輪半徑32cm，車圈半徑28cm，碟剎碟片平均半徑8cm，在車圈處制動力為15×32/38≈17公斤，在碟片處為15×32/8=60公斤。
圈閘的制動力平均作用在后叉兩邊，每邊僅8.5公斤；而碟剎的60公斤制動力都集中在單邊。另一方面，后叉是本來是按彎矩向輪軸方向減小設(shè)計(jì)的，碟剎座正處于承載小彎矩的位置，這是相當(dāng)不利的。下圖中間表示后叉本來的彎矩分布，叉腿強(qiáng)度就是按此設(shè)計(jì)的，可見圈閘制動力產(chǎn)生的彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該處的設(shè)計(jì)彎矩，而碟剎恰恰相反：
事實(shí)上已經(jīng)有碟剎導(dǎo)致后叉斷裂的例子，必須引起注意：
建議將碟剎座同時和平叉立叉都連接固定。
顛簸和減震
受重心位置影響，路面不平會引起顛簸。
因?yàn)榍昂筝喪窍嗬^通過障礙的，前輪的跳動是以后輪為軸的轉(zhuǎn)動，所以車架不同位置跳動量也不同。在前輪正上方，跳動量等于障礙的大��；在后輪正上方就變?yōu)榍昂蠡�，不是上下跳了�?/span>
仍以前述兩車為例：
車型 重心位置
26輕便車 78.6%
團(tuán)購躺車 36 %
設(shè)前輪遇到100mm障礙，26輕便車鞍座處跳動約100-79=21mm，而團(tuán)購躺車座椅跳動達(dá)100-36=64mm。而障礙在后輪時，跳動分別為79mm和36mm�？梢娮阶孕熊囍恍韬筝啘p震就能有效減少顛簸，但躺車的顛簸主要來自前輪，后輪跳動小于坐式，其減震作用也相對較小，所以躺車的顛簸比坐式車厲害。
鞍座和座椅處的彈性是影響顛簸程度的主要因素。彈性應(yīng)該多大，卻沒有相關(guān)資料，只能通過其他途徑尋找。
實(shí)測一款后輪減震折疊車，鞍座加68kg（150磅）時降低39mm（約1.5吋)，即100磅/吋。
這是鞍座處的彈性，應(yīng)換算為后叉的彈性。該車后輪上抬量為1.9吋（48mm），重心在80%，后輪負(fù)荷0.8×150=120磅，故后叉彈性是63.2磅/吋；
用逆向設(shè)計(jì)法，該車減震器為1,500磅/吋，減震叉長384mm，減震器距轉(zhuǎn)軸82mm，臂長比4.68。由杠桿原理可知，后軸處的行程是減震器的4.68倍，而壓力卻是減震器的1/4.68，即彈性是減震器的1/4.68^2=1/21.9，約68.5磅/吋。不同途徑得到的的數(shù)據(jù)僅差8.4%，相當(dāng)接近。
另外根據(jù)一種懸臂式鞍座的資料，也是每100磅下壓1吋；可見座椅處的彈性取100磅/吋是合適的，可以作為減震器選擇的參考。
減震器的選擇
前面說過，在杠桿系統(tǒng)不同位置處的彈性系數(shù)與該點(diǎn)到支點(diǎn)距離的平方成反比。決定了座椅處的彈性系數(shù)，就可以根據(jù)座椅在前后軸間的位置，分別求出前、后軸的等效彈性系數(shù)。例如重心在軸距36%處的躺車，按座椅處等效彈性系數(shù)100磅/吋計(jì)算如下：
前叉即可按41磅/吋選用。后輪是擺式減震，可以根據(jù)減震器的彈性系數(shù)決定臂長比，也可以根據(jù)臂長比選擇減震器。例如減震器選500磅/吋，500/13=38.5，√38.5=6.2，此即臂長比。
如果減震器軸線與其力臂有夾角θ，實(shí)際的減震磅數(shù)就要乘sinθ。
減震器磅數(shù)越大，接頭到轉(zhuǎn)軸的距離就越小，該處應(yīng)力也越大，因此減震器磅數(shù)宜小。小的臂長比對結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度都有利，但擺臂式受制于車輪尺寸，而后三角形式則不受限制。
通過以上分析可以看到，躺車減震前輪的作用約占3/4，而且普通自行車后輪減震系統(tǒng)比躺車的要求硬5倍，可見躺車減震的設(shè)計(jì)原則和普通自行車大相徑庭。
一般結(jié)構(gòu)與受力
三躺車架通常由十字交叉的縱梁和前橋組成�？v梁除了受到和前面的兩輪躺車車架相似的力，還有前橋施加的力。
縱梁和前橋結(jié)合處的受力情況十分復(fù)雜，作用力也相當(dāng)大，不同的結(jié)構(gòu)形式在這方面有很大區(qū)別:
前橋
前橋包括前軸（橫梁）、轉(zhuǎn)向節(jié)（羊角、指軸）和主銷等。對前橋的要求是：
1強(qiáng)度足夠
2保證前輪定位準(zhǔn)確，剛性好
3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦力小，耐磨
4重量輕
前橋兩端的主銷有不同結(jié)構(gòu)，最常見的是用自行車碗組的拳形和關(guān)節(jié)軸承的叉形。小橘的這個帖子介紹得非常詳細(xì)：http://www2.biketo.com/bbs/thread-42922-1-31.html
前軸
前軸用得最多的是圓管，但承彎性不及工字梁和方管。前軸彎矩由前軸載荷、輪距和與縱梁的結(jié)合方式?jīng)Q定，安全系數(shù)取靜載荷的5～7倍，垂直方向是水平方向的2.5～3倍。
前軸承受的負(fù)荷有垂直平面內(nèi)的彎矩（側(cè)滑時加大）：
水平面內(nèi)遇障礙和緊急制動時有水平彎矩以及制動時的扭矩。前輪受到?jīng)_擊，前橋就會對縱梁在水平面形成相當(dāng)大的扭矩；而兩個前輪很少會同時遇到障礙，所以前橋會經(jīng)常擺動，在與縱梁結(jié)合處形成相當(dāng)大的交變應(yīng)力:
緊急制動時，垂直負(fù)荷加大（稱為重量轉(zhuǎn)移），水平彎矩達(dá)到最大，并伴隨巨大的扭矩，是最嚴(yán)重的情況。重量轉(zhuǎn)移和重心高度成正比，和重心到后輪的距離成反比。
當(dāng)車身傾斜和曲線運(yùn)動時會產(chǎn)生側(cè)滑，此時橫向力最大；而制動扭矩在拳部最大。
前軸的允許負(fù)荷應(yīng)比實(shí)際有效靜載荷大2倍以上。
以一輛三躺為例，看看這些力的大小。數(shù)據(jù)如下：前輪2×20"，后輪26"，軸距100cm，輪距78cm，載荷70kg，自重20kg，重心高45cm，距后軸60cm。
垂直負(fù)荷：總重20+70=90，前橋靜載荷G=90×60/100=54，重量轉(zhuǎn)移系數(shù)m：
m=φh/b+1
式中，φ-車輪與地面附著系數(shù)，取0.7；h-重心高；b-重心至后軸距；
故m=0.7×45/60+1=1.525，前軸垂直載荷為：1/2mG=0.5×54×1.525=41.18，不平路面載荷系數(shù)δ取2.5，則實(shí)際有效載荷為41.18×2.5=103，允許載荷2×103=206（kg）。
水平面內(nèi)，前輪制動力為X=1/2mGφ=28.8，該力形成水平彎矩。
制動力在拳部扭矩最大：M=Xr=28.8×0.25=72（kgm），r-滾動輪半徑。
以上數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)參考。
轉(zhuǎn)向節(jié)
為了減小前輪軸（轉(zhuǎn)向節(jié)指軸）的應(yīng)力，應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)臂，主銷中心線要盡量靠近車輪中心線，和前輪輪轂內(nèi)側(cè)軸承較近。指軸直徑應(yīng)按側(cè)滑負(fù)荷選擇。
依前例，側(cè)滑彎矩M=G/2×[(φr-C)(1+2φh/B)]，式中，G 前橋靜載荷，54；φ橫向附著系數(shù)，取1；r 滾動半徑，250；C 車輪中心至內(nèi)側(cè)軸承距離，35；h-重心高，450；B 輪距，780。 有 M=12500；指軸根部應(yīng)力σ=M/W。選45#鋼，σ=61,12500/61=205，則直徑d=12.7mm；A3或B3鋼σ=47，則直徑d=14mm。
車架結(jié)構(gòu)的影響
緊急制動時水平面內(nèi)的力對前軸形成彎矩，不同結(jié)構(gòu)的車架上彎矩不同。單縱梁十字形車架力臂最長，彎矩最大；雙縱梁形式較小；框架式座椅焊在前軸上的形式最優(yōu)：
側(cè)滑時的橫向力使座椅相對車架移動，在單縱梁上形成扭矩，也是另兩種車架較合理：
前輪定位
討論前輪定位，首先要明白三輪躺車和兩輪躺車在平衡方面的根本區(qū)別。
兩輪躺車和自行車一樣，只有在運(yùn)動中才能保持平衡，要避免傾倒就一定要向傾斜方向轉(zhuǎn)向，它們是分不開的；在結(jié)構(gòu)上這是靠轉(zhuǎn)向軸的后傾形成正伸距來保證的。
三輪躺車是靜平衡的，并不需要用轉(zhuǎn)向來保持平衡，主銷的傾角要由其他因素決定。
主銷后傾
轉(zhuǎn)向輪在受到干擾偏離原來的方向，正伸距能產(chǎn)生恢復(fù)力矩，負(fù)伸距則會加速偏離。正伸距可取40～50mm。得到正伸距最方便的辦法就是主銷后傾：
主銷內(nèi)傾
由于結(jié)構(gòu)上的原因，轉(zhuǎn)向軸無法與前輪中心重合，轉(zhuǎn)臂較大，指軸的力臂和彎矩也大。主銷內(nèi)傾使轉(zhuǎn)向軸與地面的交點(diǎn)向前輪著地點(diǎn)靠近，減小了轉(zhuǎn)臂：
主銷內(nèi)傾的一個重要作用，就是轉(zhuǎn)向時重心會升高，因此能得到回正力，增加了方向穩(wěn)定性。
前輪內(nèi)/外傾
從上圖可見，前輪外傾能進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)臂和指軸的彎矩，但也使前輪以輪軸延長線與地面的交點(diǎn)為圓心轉(zhuǎn)向，必須用前束校正，造成輪胎的不均衡磨損，同時又減小了輪距，因此必要性不大。
殘疾人競賽和運(yùn)動的輪椅因?yàn)榧炔荒芊恋K雙臂活動，又要以寬輪距獲得高穩(wěn)定性，所以下寬上窄，有很大的內(nèi)傾；對三輪躺車并無必要，它既使指軸的彎矩加大，又減小了車體有效空間：
所以三輪躺車除了主銷后傾，前輪相互平行即可。四邊形獨(dú)立懸掛系統(tǒng)不在此例。
責(zé)任編輯：老倔
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