车架的刚性不能说的秘密

彼得潘

传说中，神秘的车架刚性跟我们并非专业的广大骑友有关系吗？答案是：Yes！据报告显示，即使是业余骑友蹬自行车，车架也会产生甚至肉眼可见的变形，下面就来揭开它的神秘面纱，顺便讲讲它的测定秘技！

骑行中车架的变形

有关车架变形的问题，在车圈内一直都是备受关注的。一般来说，自行车车架的作用，是让车轮保持在正确的位置、起到支撑体重和承受蹬踏力的作用。如果骑友坐在车座上，让自行车的前轮来承受全部体重的话，这时车架就会受到弯曲的力，然后发生纵向变形。如果用车来做类似上下台阶之类的动作，荷重增加，那么这种变形更会加剧。当一个人蹬脚踏时，荷重会从中心位置横向移动，车架就会相应发生扭转，这就是扭转变形。

此外，如果是用车来进行攀爬，那么对车体的横向蹬力还会增加，于是横向变形也会随之增加。同时链条的张力也能造成中轴扭转，反过来对链条本身施加压缩的力让其变形。

这时关键的来了，什么是刚性？用变形量除以这种力量得到的就是刚性！在弯曲的情况下，为使车架发生1mm的变形的力量；或者在车架发生扭转的情况下，扭矩为1°的力量越大，车架越不容易变形，那么这车架的刚性就越强（越硬）。当然，具体施力的位置和方式以及以什么位置的变形为标准，对它的这个值也会有很大影响。

（备注 荷重：物体所能够承受的重量。）

车架的纵向变形

在实际情况中，车架会发生多大的变形呢？我们就来用最普通的铁车架来计算一下（参见图4）。假设骑友的体重为40kg的话，如果中轴位置变形0.8mm，那么其中（各部分所占比例分别是）前叉占76.6%、前三角占23.8%、后三角占0.5%。对纵向变形而言，前叉比车架本身更占据支配地位，而后三角则基本上不发生变形。而单独对车架而言，前三角几乎决定了它的特性。纵向刚性与高度（车架尺寸）的二次方成正比、与支点距离的三次方成反比。一旦车架尺寸增大、支点距离也随之增加，所以，结果就是车架的纵向刚性下降。实际上，严格来说，除了车架会产生变形，轮胎、轮组甚至车座也会产生变形。车轮的变形虽然很小，但是就轮胎负载来说，1～2mm的变化其实比车架的影响更大。

车架的横向变形

所谓的横向变形，是相对于纵向而言的。由于车架横向的厚度通常只有纵向的1/20，所以横梁的刚性会更低，横向受力时就会产生更大的变形。

根据研究已得到的数据，横向的刚性为纵向的1/50左右。这个刚性，在攀爬或者将车体倾斜并踩脚踏等情况下会有影响。假设攀爬的倾斜为7.5°，体重为70kg的人踩上去时的横向荷重为9.1kg，这时中轴处的变形量就为2.2mm，比纵向的会更大。实际上，由于车轮、轮胎产生的变形，再加上下面将讲到的扭转变形，车架实际会产生更大的变形。

车架的扭转变形

将先前车架的曲柄调到水平位置，然后让一个体重为70kg的人开始站着蹬车，这时车架由于受到扭转的力、脚踏的位置会下降（图2），变形量为4.1mm。其中53%是前三角、35%则是曲柄和中轴 （图3），这时车架后面的三角形几乎没有变形。

这时，扭转的轴比头管的正中心位置更靠下。由于扭转力的作用，脚踏横向也发生了移动，变形量为4.5mm，比纵向移动的量更大。这里所说的移动不是单纯的脚踏下降，还会感觉后轮胎的方向发生变化、偏离了踩踏的方向。

因此，蹬自行车时的感觉，应该是车架的横向变形和扭转变形的影响会比较大。当然，如果车架有弹性的话，这种变形都是能恢复的。

用眼睛看见扭转刚性

我的车架真的会这样变形吗？有这种疑问的人可以做一做实验。如图1所示那样，将自行车的车座紧紧地靠在合适的柱子上、立好，然后将脚踏调到水平位置。这时让自行车尽量保持垂直，一只手抱住柱子，然后尽量垂直地将体重加在与柱子相反方向的脚踏上（别忘记捏紧刹车）。这时你就会发现，脚踏在下降（目测就能发现）并且在往柱子的一侧横向移动。怎么样？即使是高端的比赛用车，通常也会有数毫米的移动。之所以垂直增加荷重时也会横向移动，就是因为框架发生了扭转。

上面说的将全部体重加在某一侧脚踏上，这是谁都会的。这时的变形在骑友实际骑车时其实也会产生，而且扭转的轴越低、横向移动越少，下管粗斜、立管短的车架扭转刚性会更强。在蹬自行车时，脚踏横向移动变小。在用同样管子的基础下，计算一下倾斜的情况就会发现，头管短的其纵向刚性下降、横向刚性大致相同，但扭转刚性提高了。由此可以得知，如果使用同样的管子的话，想车架结实就选择倾斜的；想感觉不到车架的存在就尽量选择水平的可能比较好。

当将自行车用于攀爬之类时，将自行车倾斜并踩踏的话，甚至还会有弯曲变形。弯曲刚性也是可以算出来。如果以杆棒到把端距离的中间点和轮胎的连线为垂直的话，大致上为7°左右。这种状态时，垂直蹬踏比较好。需要注意的是，这个时候不能更大角度倾斜、增加重量。自行车一般对横向力量的抵抗力很弱。如果进一步加上扭转，所举计算例的框架（黑森、框架自身1700g），骑手再横向将体重加上去的话，一次就将永久变形。

在先前的荷重实例中，无论哪一个都是利用的体重（变形情况）相同。但是，扭转的应力是最高的，约为纵向荷重的2倍。

车架材料的影响

如果换一种材料会怎样呢？同样形状、厚度的车架材料，刚性和材料的纵弹性模量是成一定比例的。轻的材料其纵弹性模量低，如果不厚一些就不可能得到同样刚性的车架，所以，结果是也不可能太轻。由此就讲到要采用轻的材料来制造就必须加厚的话题。实际上并不是单纯的厚，要找到纵向刚性、横向刚性、扭转刚性之间的平衡，有时要增加高度、有时要填空，另外与组成部件的间隙、空气阻力等也要考虑，进行调谐，铝车架轻，碳纤维的更轻。从对某制造商生产、销售的铁、铝、碳车架的刚性实测数据来看，在几者的数值都相同的情况下，重量的顺序是铁﹥铝﹥碳。所以也不是说因为是铝就硬，而是因为做得硬所以硬。从理论上来讲，即使用铁作材料，如果能做到半径大、超薄，也能做出非常轻的高刚性的东西。但是这不仅做起来难，做出来只是拿一下就瘪了，完全不实用。