2013年9月23日 星期一

有關板輪的說明(借分享旳)

有關板輪的說明(借分享旳) 這是一篇隱藏文章。

分類:自行車運動
2012/12/15 16:25
般都說板輪通常慣性大,用在平路,很不錯,慣性又破風,但是如果是用板輪來爬坡,很有可能發生"鬼在拖"的情形。
但是有些板輪雖然板高,但是重量不重,有些都低於1200G。如果用這些輕量的板輪來爬坡,效率難道不會比用一些非板輪但重量差不多的輪組來的好嗎?
還是說,只要是板輪,不管重量如何,用來爬坡,就是不會有很好的效率?



板輪怕狗:
http://www.youtube.com/watch?v=eT7f6Ac3FHI

輪組的特性與選擇
買一組輪子,我們會考慮幾個特性: 重量,強度,空氣動力特性,順暢度,煞車性能,耐用度,方便性。我們就來看看這些特性。

1: 重量:
A:單純的輪重只是一個靜態指標參考,對於爬坡較具參考價值。一般較好的前花鼓重約80-110gm,後花鼓200-270gm,鋼絲每根約9-12gm,輪圈變化較大,純碳纖維約在210-300gm(窄框) 280-420gm(大板框),鋁框350-500gm,鋼絲頭,鋁的約重0.5g,銅的1gm。整組重介於1100-1800gm間較常見。
B:相對旋轉重量 (rolling weight):比較重要。想像鏈球就較清楚,一個一公斤鏈球,鏈條一公尺來旋轉,要將它轉起來所需力量,與重量及鏈條長成正比。輪子也是同樣的道理,但是輪子的重量分佈並不像鏈球般單純,鋼絲、輪圈分佈從內到外都有,不過以輪圈與輪胎,所佔比例最大,因其位最外緣,重量也最高。而花鼓的旋轉重量幾乎不用考慮。



2: 強度:輪子的強度決定於幾個因素,輪圈強度,鋼絲數目,鋼絲張力,花鼓強度。輪圈越寬,強度越強,需要鋼絲數目越少。剛絲數越多、編的張力越大,強度越強。花鼓強度越夠,強度也更好。強度越佳,傳動效能越佳。


3: 順暢度:主要在於花鼓的培林數目、大小及品質。越順暢則培林磨擦力越小,越省力。很多輕量化的花鼓除了用上鈦的飛輪座,鋁合金甚至碳纖的軸。有些為減輕重量,用較小的培林,或少用一兩個培林,但賠上了耐用度與順暢度,並不是很理想。目前順暢度最好的培林是陶瓷的滾珠,因它可以做的更圓,號稱再40km/hr時,減低0.8-1.0 watt功率損耗,不過代價也很高,如果有興趣,Zipp與Campagnolo都有此消金的選擇。


4: 煞車性能: 鋁框的煞車性能較碳纖佳,散熱也較好,如再加以CNC或陶瓷邊-處理,連雨天都不用怕。碳纖輪框散熱較差,需用專用煞車片,煞車時較易有異音,嚇到路人,長下坡時較令人擔憂。 ( 想想看4-5萬的輪子,發出快毀滅的聲音,多令人心疼;若速度不夠快,還可以看到路人驚惶閃躲) 有些碳纖輪框會在煞車面膠合上鋁片,又重個100多克,而且膠合面在煞車的高溫下易有問題,也會需要的技術層面就更高了。


5: 耐用度:通常是煞車面磨平了,碳纖的則可以看到碳纖維裸露,不過這與每個人煞車習慣與路況有關。有些則是培林先掛了。


6: 方便性: 碳纖需用專用煞車片,且以管胎為多,換胎較麻煩。


7: 空氣動力特性: 以板輪為佳,且越寬者越佳,碟輪當然使最好的了。鋼絲數目越少,鋼絲越扁,也越佳。不過空氣動力特性越佳,也是要付出代價的,通常是逆風時,破風如箭;側風時,擋風如牆。你就開始蛇行,看到警察當心酒測被扣車。另外每家各有設計獨特之處,有些是理論派,有些是行銷手段,消費者要多比較。



輪組對於自行車行進的助益
大約有下列幾種: 降低空氣阻力,減低踩踏施力,增加慣性使踩踏平順。
1: 降低空氣阻力: 減低風阻也就減低耗能,以板輪破風性較好。
2: 減低踩踏施力: 通常是上坡時,經由減輕輪組整體重量幫助最大。
3: 增加慣性使踩踏平順: 相對旋轉重量越高者,慣性越高。


輪組的慣性
輪組的慣性取決於輪子的相對旋轉重量,我們有提到這個數值是無法直接測得,不過最重要的是輪圈與輪胎重。可以用一5-10公斤的秤錘,以一條1公尺的線纏繞於花鼓上,利用秤錘下墜來驅動,此種方法下,相對旋轉重量越大者,加速越慢,可達到的最高速度也較低。相對旋轉重量越小者,加速越快,可達到的最高速度也較高。相對旋轉重量,整體輪重也比較重。
這慣性有什麼用處呢?其實,這就相當於自行車上的蓄電池。
當你踩到車速40㎞,開始滑行,整車的儲存的動能有 (車重+體重)×速度平方+輪子的相對旋轉重量×車輪轉速的平方。一直都不踩的話,這些能量將會被阻力所抵消,車速也就變慢下來。儲存的能量越高,可滑行越遠,車速下降也就較慢。所以體重越高的車手,輪子的相對旋轉重量越大者,越有利。
體重高的選手,約75-85公斤,通常可以輸出的功率較高,且輪子的重量佔整體重量比例低,不過長時間高輸出的耐力較差,他們的踩踏一般也比較間斷性;如衝刺型選手,這些選手通常也比較可以利用慣性輪的優勢,維持穩定的速度。他們一般會選用較重較寬的慣性輪,如Mavic Cosmic Carbon( 約2000gm),慣性高又破風。
體重輕的選手,約65-70公斤,通常可以輸出的功率較低,且輪子的重量佔整體重量比例較高,且長時間高輸出的耐力較佳,他們的踩踏一般也比較持續;如登山型選手。這些車手一不踩,速度下降較快,也因此加速減速機會較大,為了破風,選用太重的慣性輪,不僅負重比例增加,減速加速之間更耗能,容易疲乏,所以一般會用較輕的板輪,目標以破風為主,如Campagnolo Bora (約1350gm)。
慣性越大的板輪,騎乘時會有一種車子被拖著跑的感覺,但車速其實是一樣的。
目前因碳纖技術的進步,大板輪可以輕鬆做到1400gm以下,不再像鋁框,一定超過2000gm,車手的選擇也較多。



輪子的阻力決定於幾個因素
A: 輪徑越小,風阻力越小。不過地面滾動阻力較大。比如700C 與650C。
B: 三叉、四叉的輪組比鋼絲板輪組力小。
C: 車胎越細,風阻阻力越小。如: 700-21C 比700-23C小。
D: 扁平鋼絲比圓鋼絲阻力小,板輪比方框阻力小。


滾動阻力 (rolling resistance): 摩擦係數一但路面狀況與輪胎沒有改變,是一定的,約為0.3-0.5%. 這大約是時速17公里時的風阻。一般而言,輪徑越大、胎壓越高、光頭胎及乳膠內胎,阻力較小。也有提到充氮氣可減低阻力,且目前也有選手採用,像Ullrich。

將輪子的特性配合上行進狀況,我們可以擬出一些準則:
1: 大集團平路高速騎乘:盡量躲在集團內,以較低的姿式騎乘,最好躲在體積較大較高的車手之後,效果越好。可選用慣性較高的板輪。當決定用板輪時,得看看當時風速,若風很大,板輪會嚴重影響操控,反而得不償失,若很想用,可考慮後輪使用輪框較寬,前輪輪框較窄的,因前輪影響操控較明顯。
2: 長登山上坡賽段: 如埔裡武嶺,竹山杉林溪,時速大概很難超過30㎞,這時風阻重要性低,整體重量與地面行進阻力較重要,輪子、輪胎以越輕越好,胎壓打到建議最高磅數,650C可能會有幫忙,不過要注意路面狀況。如以輕量的碳纖輪組,須特別留意長下坡時煞車的問題。不要騎上去,滾下來。
3: 混合型路況,上坡平路均有:輕量的板輪,1500gm左右,平路有點慣性,上坡也夠輕。


結論:
輪組的選擇需視情況而定,絕不是單一考量。上述有些不需花大錢的工作你做到了嗎?這才是第一個你該做的事!
市面上輪組千奇百怪,從NT 5000-NT 180000都有,有的號稱輕量,有的誇耀強度,設技的花招講的好像是輪子的相對論。但當選手需要的是一組耐用,耐操,強度夠,穩定度佳,可以在歐洲石板路的賽道上,讓他無畏的往前時,你猜哪一組輪子是首選呢? 202 ? 303 ? 404? Campy Bora? Hyperon? Mavic Ksyrium ? Shimao 7800? 真慘!以上皆非。雀屏中選的是:資深技師手工編的32或36孔手工輪組,用上Campy Record 或Shimano Dura-ace 花鼓,鋁合金方框,DT、SAPIM 鋼絲,還有銅質鋼絲頭。
想到這裡,我又想起牛頓的萬有引力,也許這是科學家的共識,你不用擔心明天睜開眼睛時,它已經被推翻。也許它每天就在你身邊發生,也許它是讓你犁田時頭破血流,確定的是它讓我對騎上武嶺,又愛又恨!!!!!!


關於版輪
在網路上長期拜讀眾多高手的心血智慧,慢慢的對碳纖板輪有概念;有時看別人的發言會發現似乎有點不妥,如:「...小板輪的優勢是騎平路的慣性..」。鑑於使用者付費…..不不,是閱讀者做貢獻的原則,小弟匯整眾位高手言論集結成冊,如下(不討論空力破風理論);如有錯誤請指正。
機械引擎出力的表達概念以「馬力」、「扭力」為宗,同一引擎兩者最大值出現的範疇一般都在不同的轉速(rpm)上。起步及低速由扭力當家,高速巡航時馬力開始上位,扯了一堆有的沒有,目的是要帶出碳纖板輪就「轉動慣量」輸出的方式,也可以分為高慣性的馬力型以及低慣性的扭力型;簡單的以目測區分實物,前者為高板、後者為低板。
目測區分的說法就來一段漢克前輩曾經測試過的二組 P 牌板輪心得補強:
50mm 板輪在平路及緩坡丘陵地所帶來的爆發慣性令人著迷,但它就像野馬一般需要較大的Power加以馴服, 否則在較陡的爬坡路段,恐將無力駕馭.基本上來說:極適合於平緩路況使用的超值輪組。
38mm 牌板輪表現在爬坡的效率令人驚訝;雖然在丘陵地路段的慣性不及前者,但卻可以讓中庸力道的選手帶來極大的加分效果,並同時保有易於駕馭的流暢感。
何謂轉動慣量?對公路車運動用有何影響?
轉動慣量的物理定義就是一個物體對於旋轉運動的慣性,也是一個物體對於旋轉慣性的持續運動。
這個轉動慣性在自行車上的用處,就相當於自行車上的蓄電池或者UPS不斷電系統,在一段時間之內穩定、持續出力而不間斷。

轉動慣量 I 在基礎物理學上是有簡化公式來表述;實際上是不能直接套用加減乘除,需要考慮很多變數。下列二式分別為基本形式及空心圓柱。
I = m r^2基本形式
I =1/2*m*(r1^2+r2^2)空心圓柱

如果依上式加減乘除:假設有A、B、C三組輪組半徑皆取32.5cm,A是密封碟輪、B板輪框高4.5cm、C板輪框高9.9cm,代入轉動慣量公式(令三組重量相同為m),依公式可得框高9.9cm板輪慣性較框高4.5cm的板輪……差。但是實際上剛好相反,框高的板輪慣性動量較佳。再假設B輪組1.25KG、C輪組1.7KG代入上式,結果仍同框高的板輪慣性動量較差。
簡化公式大家看一看有概念就好,實際上不能用簡化公式去求,該用微積分的概念去分段積分,並考慮到鋼絲、花鼓等其他問題。

慣性設計:
高慣性與低慣性板輪製程的原理並不是單純的將板寬增大及縮小,牽涉到物理現象。譬如說高慣性將較多的重量分布在板上相對的軸心(花鼓)減輕,低慣性板則把重量集中在軸心,板寬減輕。Lightweight文宣就很老實的將某爬山專用輪組設計原理PO出:「爬山賽段設計的輪組,整組輪組僅970g( 700C ),可以很快地加速。輪圈外圍輕量化,重量相較集中於中心的輪組設計,因而具有較低的扭力,正是可以輕易加速的關鍵。」


實例討論1:
以前認為爬山不適合用板輪是因為它太重,沒競爭力;爬山的輪組要輕量化是定理,不使用大板輪是也是老生常談;那麼如果使用的碳纖大板輪比一級鋁合金輪組還輕量化是否就迎刃而解?引同學會裡面的腦力激盪來下註腳。
猛將阿汎兄以zipp 606 (前404 + 後808) 重量13xx g ,跟 mavic sl 重量 15xxg,這兩組來比較,提出為何不用606大板來爬坡?在高手集思廣義之下得到606轉動慣量大速度變化就不容易,轉動慣量大的結果就是造成加速遲滯;為了減少功率隨坡度劇烈變化,小的慣量較有利,因為人的力量輸出很難一直維持恆定。所以「板輪不利於爬坡」這種說法應該修正成「高轉動慣的輪組不利於坡度不斷變化,或者是集團速度不斷改變」的比賽。
我們可以再對照用過多款輪組的suhumi說:「…在爬坡的路段,盡可能的把較重的零件配置在轉軸中心,譬如說輕的輪圈配重的花轂就比重的輪圈配輕的花轂來得優秀,轉動慣量小的輪組讓你加速更凌厲。..」理念一致。



實例討論2:
有網友問:「碳纖板輪位何要區分85mm -50m m -38m m 不同的寬度 用意為何?」聽到的回覆是:「應該說是框愈高,愈切風,平路維持在某個速度下會愈容易;板輪爬坡像鬼在拖,那應該是框愈高,愈重。爬坡時要不斷的克服旋轉的慣性,所以爬坡時框愈輕愈好…所以如果有框很高剛性夠又很輕的框!那就是無敵了,平路切風,爬坡又輕快」。
其實答案大致沒錯,但區分85mm -50m m -38m m除了平路破風的功效還有慣性動量上的助益。爬坡當然是用38mm的低框,低框設計上強調扭力超過慣性作用。至於如果有框很高剛性夠又很輕的框!那並不表示是無敵,雖然平路切風慣性又大,但基於 ” 高轉動慣的輪組不利於坡度不斷變化 ” ,所以不是無敵。
或者這樣問 : 「'09 雷諾 MV32T UL 也是DT花鼓 /DT鋼絲/框高32mm 重1000g 偏爬坡取向的輪組!!EQUINOX RT038 喬昇頂級CNC花鼓/SAPIM扁鋼絲/框高38mm 重1120g 定位??!!
價錢的話~~~~~~雷諾可以買2組RT038!! 小弟目前這2組正猶豫不決中!! 車友們請提供寶貴意見!! 謝謝!! 」
其實看EQUINOX RT038的38mm,到雷諾官網看一看框高比對一下心理應該有底,雷諾輪組官網已建議25%平地路段和75%爬坡路段 用 KOM ,50%平地路段和50%爬坡路段 用 MV 32T 或 MV 32C 或 Attack,它們的框高大概落在38mm的上下範圍。
慣性與框高的基本概念大致上就聊到這裡了,至於其他剛性、彈性、強度、耐久性、維修、價格、外觀,或則花鼓、鋼絲之類就交給其他高手去造橋鋪路。第20期單車身活 P92有用SRM測板輪的數據,在高低功率測出來的結果有些背離上面的基本觀念,譬如某板輪測出來的數據居然比鋁輪還沒慣性?雜誌本身檢討影響變數可能是輪組尚未磨合、外胎搭配等問題。理論和現實是有差異的,所以不管理論如何?輪組再好還是要人努力去騎才能發揮效益。


使用實例:
http://www.mobile01.com/topicdetail.php?f=316&t=1052391&last=11928655

演算過程:I = m r^2基本形式;I =1/2*m*(r1^2+r2^2)空心圓柱
(假設圓柱體全長L,根據轉動慣量公式I=∫r^2*dm。對於一圓柱體來說,dm=r*dr*dθ*ds,所以帶入式中得:I=∫r^3*dr*dθ*ds(其中r的上下限為R1積到R2;θ的上下限為0積到π;s的上下限為0積到L)=(1/2)*π*L*(R2^4-R1^4)=(1/2)*π*L*(R2^2-R1^2)*(R2^2+R1^2)。再利用整個圓柱的體積M=π*R2^2*L-π*R1^2*L=π*L*(R2^-R1^2)代回積分出來的式子可得轉動慣量I=(1/2)*M*(R2^2+R1^2)。)
加減乘除的玩玩:假設有A、B、C三組輪組半徑皆取32.5cm,A是密封碟輪、B板輪框高4.5cm、C板輪框高9.9cm,代入轉動慣量公式(令三組重量相同為m)可得:
1.轉動慣量I a = m *(32.5)^2= 1056.25m
2.轉動慣量I b = m/2*(32.5^2+28.0^2)= 920.13m (中板輪)
3.轉動慣量I c = m/2*(32.5^2+22.6^2)= 531.51m (大板輪)

依公式可得框高9.9cm板輪慣性較框高4.5cm的板輪……差。但是實際上剛好相反,框高的板輪慣性動量較佳。再假設B輪組1.25KG、C輪組1.7KG代入上式,結果仍同框高的板輪慣性動量較佳。

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