第2章 自行车行驶阻力分析
2.1 滚动阻力
相当于车轮在路面上滚动时所引起的能量损失。它由滚动时轮胎断面产生变形、胎面与路面之间相对滑动、路面变形、由于路面不平而引起的振荡损失等因素组成。
2.2 空气阻力
自行车在空气中运动，空气本身也在流动，两者综合形成的相对运动，造成对自行车骑行阻力。空气阻力由磨擦阻力和压力阻力构成，磨擦阻力是空气对车和人体表面的磨擦作用造成的阻力。压力阻力有二种:一种是车和人的前部气流被紧挤，产生对抗车和人前进的正压；另一种在后部和拐角处空气变得稀薄而引起涡流，产生将车和人吸住的负压。构成磨擦阻力的因素与车和人的表面平整、光滑度和外形大小有关，此外还与挥动脚蹬时的空气阻力和车轮转动的空气阻力有关。目前出现的高速自行车、避风式自行车、流线型自行车以及采用“滴水管”和异径辐条等，其目的均为了减轻空气的阻力。
2.3 内部阻力
骑车人驱动中轴转动所做的功，在转换成为有效的后轮推力过程，把动力传递中所浪费的部分称内部阻力。其中包括:
1. 各转动部分的转动摩擦力矩:如果环绕中轴力矩，则其摩擦力矩(公斤力·厘米)为:若前后轴:2.4，则中轴:1.0，链轮和链条:1.2，飞轮和链条:1.2。如果环绕后轴，则其值进一步减小到它的三分之一左右，与滚动阻力、空气阻力相比，仅为百分之一左右。
2. 链传动的效率:轴皮转动、链轮、飞轮和链条的啮合，产生的摩擦阻力并不大。
3. 由于车架的弯曲或扭曲等瞬时弯曲变形时变形产生的能量消耗:由于大链轮和飞轮的旋转与车架中心平面不重合，如果踏力较大，在强大的链条抗力作用下，使中接头和后平立叉部分受弯曲而靠拢，曲柄每转一周，这种现象在左右脚蹬各发生一次，使车架弯曲变形，并出现“抖动”现象。不单是能量的损失，随着车架的抖动促成车轮安装精度的破坏而增大滑角，从而引起滚动阻力的增加。设计赛车等自行车时应特别重视这一点。抖动的能量损失很大，一般占内部阻力的10%左右。
4. 轴皮变速内部阻力:轴皮变速内部的行星齿轮机构是由很多零件组成的:中心齿轮、行星齿轮、内齿轮、撑牙等，但其摩擦阻力不大。外变速或变速器的链条中心线是偏斜的，但传动效率的降低也很小。
5. 骑车人身体的上下振动的能量损失:从带有减震的车架和鞍座到骑车人身体的上下振动，其能量的损失有时很大。为了骑行舒适，车架、前叉、鞍座的弹性要好，但设计时也要考虑保持其合理的刚性，以充分发挥骑车人输出功率的实际效能。由于自行车内部阻力的产生原因和性质，与其它骑行阻力不同，设计时，可以传动效率的形式来处理。
第3章 山地自行车设计的要点
3.1 材料因素
材料是实现自行车设计的物质基础，离开了材料及辅助材料的材性与工艺，其设计只能是一种抽象存在，无法体现其存在的意义和价值。就其主要构件——车架而言，自行车车架的材料有已往使用的铬铝钢以外、还有铝、钛、碳纤、镁等不断出现新材料。其中钢制的车架最便宜，不过重量也最重，表面的油漆脱落后便有生锈的危险，所以平时在保养上要下功夫。再高级点就是铝合金，重量较轻，但是需要较粗的管径才能达到与钢管相同的强度，为大部分登山车所采用。表面抛光后整台车呈现银白色，很好看。碳纤维车架的特点是可以一体成型，不需要焊接，不过每个车架需要特殊的模具制造，成本也很高。钛合金不但重量轻，不生锈，强度高，材料特性最佳，不过原料昂贵，加工困难。
3.1.1 下面就几种材料做具体分析
1. 铬钼钢(Fe—Cr—Mo)
图3-1铬钼钢车架
在自行车的100年历史当中，铁素材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。(如图3.1)铁制车架的最大特征是可在各种成份，各种粗细厚薄的铁管中，任意选择所需要的铁管进行加快。因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架，这对于数毫米的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。它的最大的缺点是比起其它的素材重(过去)。但是最近的铁素材车架经过热处理，把薄的管道做成粗的管来使用，其重量不会输给轻的合金。
2. 铝合金(A1-Mg-Si，Al—Zn—Mg一(Cu))
用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从『轻』来说，当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反应是『虽轻但易弯曲』。虽然经过多次改进，但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架，为了提高杨氏弹性模量，加大管道外径，使用扁平管，或者对铝管进行热处理等，制造出轻而有刚性的车架，这种最新的铝合金车架对车手来说，具有足够的轻量与刚性。
铝合金是纯铝中加入Mg，zn，si，cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。
●铝合金车架的优点
(1)可以制作重量轻的车架铝的比重轻但不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。热处理采用时效析出增强法，简单地说，在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。在某种高温下进行热处理时，会引起时效析出，若没有经过这个程序的车架，也会引起常温时效。就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。
有7075标志的自行车零件(如XTR曲柄等)，严格来讲没有经过热处理。也就是说因没有时效，因此是常温时效。7075合金本来就必要进行热处理，通过热处理其强度可以增加5倍。
(2)长时问使用外观不怎么变化
铝本身是很容易受腐蚀的金属，在空气中几乎不存在没有被氧化的铝，放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜。为什么不生锈昵?原因是该氧化膜达到一定的程度时防止继续生锈。该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化(有时会发白)。
●铝合金车架的缺点
(1)铝是弹性率及刚性低的材料。因此采用粗的管道，或者改变形状如cross—over管、padded管等。
(2)需要进行热处理必需进行热处理，否则强度不够。因此一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。尤其是6000系的铝合金管，多数情况是管道厂家指定热处理条件。
3. 钛、钛合金(Ti，Ti—A—V)
美国在60年代首次使用钛合金来制作白行车车架。钛合金给人的印象是轻而硬。早期的钛合金车架，作为比赛用车，刚性不足，其车架不适合于长距离赛车，也不是适用于所有的比赛，只适合用在山岳，或者Big reces，Time traial等需要轻型车的特定的场合。钛金属给一些人错觉，贵而稀有，实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高，价格才较贵。
●钛合金车架的优点
(1)可以制作轻量而强度大的车架纯钛金属的强度更高。在钛金属中添加铝和钒，弹性更高(和铝比较)，也有利于设计。
(2)不生锈：钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。例如，不同种类的合金接合在一起时，成为电极状态，电位差使局部通电引起腐蚀。对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏，如商品名：Ti Plepu等)。这种金属粉末防止脂膏流失，即使流失后也用来防止紧密接触。这种金属粉末有导电性也不要紧，接触后被较小的荷重破坏掉。这种现象称为『粘住』，它和『烘焙』是不同的。『粘住、咬合』：金属之间通过腐蚀来接合的现象。『烘焙接合』：加工金属时所产生的热量来溶融接合。
●钛合金车架的缺点
价格高。钛在自然界以二氧化钛的形态存在，提练及加工过程复杂，技术要求高，并花时间因此成本高。再有溶接加工极为困难，因为钛和氧的亲和力极强，和空气接触后马上变成二氧化钛，而二氧化钛硬而脆，该部分的强度会不断下降。因此用惰性气体小心焊接。通常所说的Tig焊接是：(Tig：钨、惰性气体的略语)用钨电极及氩气体进行弧焊接。钛的焊接必需隔绝空气下进行。由于以上原因钛车架价格很贵。
近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵，这说明钛合金车架的价格下降了。其因是冷战结束后军费缩小，钛的用量少了；优秀的技术员开始用钛来制作车架：制作钛车架的成本降低等原因。
4. 碳纤维(CERP)
碳纤维车架的特征是轻、不弯曲、冲击吸收性好，但是，充分发挥碳纤维的优异性能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。图3-2 COLNAGO牌的碳纤维车架碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。(如图3-2)非常轻，但它是具有方向性的材料(拉伸强但容易断)，因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。但成本太高。
图3-2 碳纤维车架
●碳纤维车架的优点
(1)可以制作重量轻的车架
碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻，这是它的密度和强的拉伸强度构成的。捷安特的碳纤维车架非常轻，2000年的型号1.2kg重。
(2)冲击吸收性好
碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿，或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能，制作不用避震器的自行车。如SCOTT厂的ELEVATED车架是著名的。但是各个厂家之间的品质差异较大，有的很硬，因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。
●碳纤维车架的缺点
(1)复杂的应力计算
构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。加工技术各厂家各异，应选择有经验可靠厂家的是很重要的。
(2)老化
使用树脂因此会不会老化? 这是一个存在的课题，它放置在阳光下时会逐渐变白。当然这种现象关系到厂家的技术。最好不要放置在阳光下。
5. 镁合金
镁的比重很轻(1.74)，约铁的1/5，钛的2/5，铝的2/3。它是不容易腐蚀的活性金属。它广泛用在各种领域里，如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。
●镁合金车架的优点
(1)可以制造重量轻的车架
它比铝密度低，可以制造轻的车架。杨氏弹性模量稍微低些，但是可以用加粗管直径及椭圆化等方法来解决。使用铝合金的目的仅仅是为了减轻重量，将来可能会被镁合金取代? 钛和镁的研究课题稍不同，这两种金属今后仍然会活跃下去。
(2)加工性好
镁制车架加工不会差。切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话，剪断、溶接性可能不会差。和钛比较起来加工性好。
●镁合金车架的缺点
生产镁车架的厂商都说耐腐蚀性好。但是这方面的资料当前还很少，耐腐蚀性好到何种程度难于判断。镁是剧烈氧化的金属，不小心操作错了很容易爆炸，纯镁一般不能使用，添加其他金属(铝、锌、锰等)制成合金来使用，制成的镁合金强度、机械性能都得到提高。有些人曾经使用过镁合金制用具，如摩托车的曲柄套等、他们说：虽然用了很久，但是很好，不会象铝般发白。
3.1.2 材料的选择
已经介绍了几种自行车材料，总地来说，骑感好的是铬钼钢制的、要轻的是铝制的，冲击吸收性最好的是碳纤维。钛合金制的上述各种性能都不是最好的，但是为什么对它感兴趣呢? 因为它是有前途的金属。
1．铬钼钢已经使用了很久，对它的研究也最多，除非有什么突破，铬钼钢的前途可想而知的了。使用适正厚度的管道时重量是会增加，但是不容易引起金属疲劳，这种车能带给车手极佳的骑感。单纯地追求薄壁的管道的现在，铬钼钢应该走自己的道路，充分发挥其优势，否则很可能被其他材料淘汰。
2．白行车用铝管，当前的设计方针很危险，铝是没有疲劳极限，为了降低应力应该增加厚度。但是为了单纯地谋求薄壁，使用强勒的新合金来制作车架。从外观来看这些制品使人引起很不错的错觉，但是疲劳寿命将是如何呢? 铝管的薄壁程度已经到了极限，不可能再薄下去。结果它的命运将和铬钼钢一样。今后铝制自行车向那一个方向发展呐? 我认为可能会成为比赛专用自行车的素材。若用铝制自行车来练习，一定会感觉到性能的降低显著。
3．碳纤维制自行车是有前途的，通过应力计算会找到最适合的加工条件。另外是信心问题。当前尚存在各种问题。
4．钛管还有发展的余地，强度可能会超过铬钼钢，现在己能制造1.5k的车架，钛必定会夺去铝的“轻量王”的宝座。另外，钛不需要涂漆，可减少这部分的重量(20～409)。
综合种种因素，考虑到设计初衷的理念：娱乐、休闲、时尚、旅游、便携，结合材料的特性，选择钛镁合金材料作为其主要构件材料。
3.2 结构因素
本次自行车设计运用圆形形态组合原则，受到“新锋锐”(New Edge)理论及圆周运动规律的启发，其整体构架由平面倒角板材(车身部位)与直线金属管材(自行车车头碗组、座杆等部件)以及塑料、橡胶部件(自行车坐垫、车把手、脚踏板)(如图3-3)；车架分为前部和后部，前部为转向部分，以简洁的弧线为贯穿，后部为驱动部分，由于后部的特性——受力较大，则对后半部分进行加固；其传动方式仍然保留原有的链条式传动，配备单速或速度调节器。为贯穿，其传动方式仍然保留原有的链条式传动，配备单速或速度调节器。就整车结构来说，以点、线、面式的组合结构为主，配上直线构架、倒角支架板材以及富有动感的弧线，整体造型圆滑、线条简洁，藉由连结中央圆盘组合，且车架钢性强。另外，可利用在圆盘移动时折叠整车，实现便携的功能。我所设计的自行车的造型设计如下图3-3：
图3-3 车体造型
3.2.1 车架
车架是构成自行车的基体联接着自行车的其余各个部件并承受骑者的体重及自行车在行驶时经受各种震动和冲击力量，因此除了强度以外还应有足够的刚度，这是为了在各种行驶条件下，使固定在车架上的各机构的相对位置应保持不变，充分发挥各部位的功能。车架结构可由设计人员创新，但与其他部件相关的安装尺寸，应严格控制。
在车架加工过程中，或多或少地存在加工精度问题，从后视方向观察车轮，两轮也不在同一平面上，使骑行产生“沉重”的感觉。车架立管与水平面之间的夹角称之立管倾角。立管延长线和鞍座上表面的交点为鞍座的位置。一般情况下，骑车人股关节的位置大致地与鞍座位置一致。对于骑车人来说，下肢的关节相对中轴中心的位置，是决定下肢肌肉群的肌力有效利用的一个关键，即踏力和踏速能否获得最佳的配合的一个关键。随着踏速的提高，如果股关节的股骨运动角范围不相应地缩小，由于肌肉运动速度跟不上，下肢肌力就不能充分发挥。在膝关节也存在同样情况。实验证明:高速自行车股关节相对中轴的位置应该前移，即立管倾角增大。反之，股关节位置后移，立管倾角减小。如图3-4：
图3-4 车架
3.2.2 前叉
前叉有三个作用。第一个作用是支承前轮所受的重量， 第二个作用是将车把转向动作传送到前轮，使自行车能按骑者的意愿方向行驶；第三个作用是前义下端压有弯度，能促使自行车有自己向前直驶的性能，减轻骑车者操纵强度，并起一些缓冲作用。前叉装在车架前管内，能在管内灵活转动，前叉的上端与车把紧固地连结在一起，下端与前轴连接，与前轮以前轴为中心自由转动，组成转动机构。如图3-5：
图3-5 前叉
3.2.3 车把及位置
车把是连接着前叉，可转动前叉，在使用性能上主要是操纵自行车的行驶方向，并作为骑车者的扶手，支承着一部分骑车者的重量，在车把上安装着制动手把和车铃，控制制动和信号。车把因装在自行车正前方，要求美观合适，必须能承受一定的颠簸撞击性能。车把和鞍座的位置影响了骑车人上半身的姿势。车把的水平位置离地高度约等于骑车人股骨的长度。如果车把位置太高，会增加车架长度；过低，将妨碍车把的转向。车把的垂直位置应略高放鞍座，如果长期骑行车把位置低于鞍座位置的自行车，对身体是不利的。如图3-6。
综上所述，中轴、鞍座和车把三者的位置称为车架的三支点，支配着骑车人的姿势，对自行车的出力性能影响很大，是自行车设计工作的重要课题。关龄车架三支点的研究，除考虑出力性能外，还要考虑骑车人的疲劳程度、身体局部疼痛，驾驶方便程度和安全性能等因素。如图3-7：
图3-6 车把的位置图 3-7 车把图
3.2.4 前轴、后轴和中轴
前轴是承受由前叉传来的自行车本身及骑车者的部分(约40% )重量，并通过前花盘、辐条、车圈及轮胎，将重量传落地面和推动前轮旋转前进的支承，必须有足够的强度和转动的灵活性能。如图3-8：
图3-8 前轴
后轴有三个作用，第一个作用是承受由立管和平叉传来的自行车本身及骑车者的一大部分(约60％ )重量，并通过后花盘、链条、车圈及轮胎，将重量传落地面；第二个作用是推动前轮旋转前进；第三个作用是驱动全车前进的主动
轴承。因此，后轴必须具有比前轴更大的强度，并需保持轴承转动灵活。 同时为了调整链条的松紧度，后轴必须能前后调整，并能在合适的位置上紧固而保持不动。和前轴一样。
中轴是传动机构，承受骑车者的脚踏力量。传动力遥过脚蹬、曲柄、链条、链轮传到后轮，驱动全车前进。参照前轴。
3.2.5 脚蹬
脚蹬是承受骑车者的蹬踏，然后通过传动机构驱车前进。在运转中脚蹬本身能自转，以保持脚掌用力位置的不变， 脚蹬的结构与规格是否合适，将直接影响到骑车者的放脚位置是否舒适，足胫关节和小腿肌肉的作用状况是否最佳，这是设计者要考虑的因素。如图3-9：
图3-9 脚蹬子
3.2.6 飞轮
飞轮有两个作用，一个是当骑车者用力踏动脚蹬时，飞轮能将踏力传到后轴身上，推动全车前进；另一个作用是在行驶途中当骑车者不踏动脚蹬时，自行车因受惯性影响，仍继续前进，但飞轮外套并不随着后轴身转动，脚蹬也不旋转，可使骑行者获得休息机会和便于上下车。
图3-10 前飞轮
图3-11 后飞轮
3.2.7 变速器
自行车在行驶时遇到的道路情况是复杂的，有时风速和风向对骑行者影响也很大，因此，自行车在不同的行驶条件下，应有不同的速比，就需要安装变速器，变速器有内、外变速两种，内变速器一般在后轴内，也有利用中轴变速。如图3-12：
图3-12 变速器
3.2.8 前后轮
前后轮总称车轮，一个作用是承受自行车本身和骑车者的全部重量，另一个作用是车轮旋转推动自行车前进及转向，因此必须具有足够的强度，以免在行驶中受到震动发生折断，同时要求车轮须圆正，可保持在旋转时平稳，此外车轮结构要有适当弹性，以增强避震性，提高骑行者的舒适性。
胎冠的厚度和胎肩的厚度越大，滚动阻力系数越大。胎冠的花纹呈线型、细条型、帘线的支数细，其滚动阻力系数往往较小，多用于运动车。普通车对路面的抓着力、雨天的刹车力、防止侧滑能力、耐久性等有较高需求，往往采用块形花纹和帘线支数粗的轮胎，而其滚动阻力相应也增大。因此，设计人员应根据具体的车型选用相应的轮胎。
图3-13轮子
3.2.9 鞍座及高度
鞍座是承受骑车者的体重作用，要有足够的强度和弹性，不同型号的自行车对鞍座的要求也不完全一致， 对鞍座的要求是坚固、舒适，既能使骑行者提高输出功率的作用，同时减少骑行者的疲劳，提高行驶性能。
图3-14 鞍座 图3-15 鞍座的位置
鞍座的高度是指鞍座管延长线与鞍座上表面的交点到中轴中心的距离。为了有效地产生必要的踏力和踏速，下肢骨骼应保持合理的运动角范围。鞍管高度是一个重要因素，骑行者虽然可适当调整，但首先在设计时要合理确定。
有自行车旅游特别是长途旅游，掌握好自行车技术是很重要的，目的是为了节省体力，保证安全。自行车车座的调整，是自行车技术的一个重要方面。自行车车座应调整到什么高度为最佳呢?一般说来，以车座较低并有5-10度的后倾最便于长途旅游。因为低车座好处很多：
1. 低车座蹬车灵活，可用脚的不同部位轮流用力，这样可使脚的各种肌肉轮流休息，延长耐久长；
2. 车座低，人的位置相对降低，可减少空气阻力，也便于伏在车把上，改进空气流张；
3. 车座低，微后倾，可使身体挺直，臀部受力均匀，减少疲劳感，同时又可减轻双臂的负担，保护手腕。
坐垫前后位置的设定其实相当简单：先在坐垫上坐好，将脚掌放在踏板上正确的位置，然后踩个几下，接着将踏板摆成水平，这是前脚的“膝盖下点”所垂下的垂直线要刚好通过踏板的中心位置（也就是踏板轴），这样就完成了！
3.2.10 前后闸
前后闸是保证骑行安全的关键部件，有普通闸、钳形阐、触闸、抱阐、涨闸、脚闸、盘闸等多种结构、形式、但不管何种结构，都要切实保证达到制动性能的要求。如图3-16：
图3-16 前后闸
3.2.11 曲柄
曲柄长度决定了脚蹬轴的前后水平距离和上下垂直距离。由此也确定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。由于肌肉的收缩使两个骨骼夹着关节而运动、肌肉的收缩力是通过骨骼而起作用的，表现在手碗或脚的端部的力量，就是肌力。肌力的大小与肌肉的伸长和收缩程度有密切关系。如果踏速增高，而骨骼的运动角范围不相应地缩小，那么，肌肉收缩的速度就跟不上，收缩力就下降。曲柄长度可取股骨长的二分之一左右。也有把曲柄长度的基准定为身高的十分之一。如图3-17：
图3-17
