山地自行车与公路车车轮的辐条样式为什么不同?飞驰林间!这场山地自行车比赛又美又飒

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文章来源: 上海嘉定

(11月21日)上午,

2021上海城市业余联赛活力嘉年华

自行车制动器可分为轮辋制动器和轮毂制动器(包括盘式制动器)两大类。不同类型的刹车会在轮辋上产生不同的力,辐条系带也会产生一定的作用。在这篇文章中,我们将计算两种制动器和两种辐条系带在轮辋上的应力。事实证明,辐条径向带与轮毂制动器的组合是一个坏的组合。

刹车、轮辋和辐条样式简介

你有没有注意过,自行车的后轮从来没有径向系带?或者,你可能已经注意到,环法自行车赛(Tour of France)用车的前轮在过渡到盘式制动后看起来有些不同。原因是:为了避免在轮辋上施加过大的力,踩踏和制动产生的扭矩需要一个切向系带的车轮。这些力不会产生在轮辋制动器上,因为整个车轮作为一个拱形工作,轮毂上没有任何扭矩。这样会使轮辋更轻,从而解释了为什么有些轮辋上有一个警告:“仅限轮辋刹车!”

山地自行车与公路车车轮的辐条样式为什么不同?飞驰林间!这场山地自行车比赛又美又飒(图2)

2005 年典型的铁人三项自行车,展示了当时高性能赛车的径向辐条的布局特点。图片由 GS 提供,א x 重新制作——自己的作品。通过Wikimedia Commons 获得许可(CC BY-SA 3.0)。

请注意,国际自行车联盟(UCI)在 2018 年之前禁止使用盘式制动,而且这一变化并不是没有争议。接下来,我们从结构力学的角度看看差异有多大……

模拟自行车轮辋中的力

本文,我们讨论模拟自行车轮辋模型中的力,模型使用 COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品设计模块和结构力学模块建模。

暨“嘉温昆太”自行车邀请赛

模型中的轮辋和轮毂由铝制成,辐条由结构钢制成。轮胎压力设置为 3bar,使用螺栓预紧力特征施加 1kN 的辐条张力。考虑了几何非线性,使得模型的非线性增加,因此应用了逐渐施加载荷力。两种类型的刹车器作为单独的载荷施加,而辐条系带样式由一个参数控制。除了系带和刹车类型给出的四种情况外,我们还计算了制动力的影响。

在嘉北郊野公园举行。

仿真结果

下图显示了两种载荷和几何形状的轮辋中的平均应力。带有径向辐条系带和盘式制动器的外壳具有更大的应力。这解释了为什么使用专为轮辋制动器和盘式制动器设计的轮辋是不安全的。

山地自行车与公路车车轮的辐条样式为什么不同?飞驰林间!这场山地自行车比赛又美又飒(图3)

盘式制动器会产生更大的轮辋力,这可能会导致切向系带车轮的车轮屈曲。

来自长三角地区的

百余名骑行爱好者,

相约秋意野趣之中,

在径向辐条情况下,为了实现轮毂上的扭矩平衡,辐条力重新定向很有必要。这也是造成盘式制动器具有很大轮辋力的原因,如下图所示。这个应力虽然明显低于材料屈服应力,但仍可能足以导致屈曲失效。

山地自行车与公路车车轮的辐条样式为什么不同?飞驰林间!这场山地自行车比赛又美又飒(图4)

为盘式制动器绘制的轮辋应力(彩虹色表)。请注意在径向辐条(右)情况下,轮辋如何相对于轮毂旋转。

轮辋的突然失效是一方面,但在保持对自行车的控制方面,刚度也可以发挥重要作用。下图显示了两种类型系带和制动的轮辋相对于轮毂的旋转情况。盘缘制动器引起轮辋的边缘旋转,而径向系带车轮上的轮辋制动器引起大的变形。

展开了一场山地车的越野比拼 。

“3,2,1……”发令声响,选手们如离弦的箭驶出起跑线,车轮摩擦地面腾起阵阵白烟,气氛瞬间热闹起来。

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山地自行车与公路车车轮的辐条样式为什么不同?飞驰林间!这场山地自行车比赛又美又飒(图6)

选手们需要在总长4.75公里的狭窄赛道内,穿过波浪道、砂石、林道等复杂地形,用时最短者获胜。

轮辋旋转主要取决于车轮系带和刹车类型(注意角度为对数轴)。

总结

我们模拟了不同刹车类型和辐条系带的自行车轮辋中的力。仿真结果解释了为什么有些轮辋中带有警告,并且还解释了为什么有些人仍然非常信赖轮辋制动器。

山地自行车与公路车车轮的辐条样式为什么不同?飞驰林间!这场山地自行车比赛又美又飒(图7)

我们还有一篇以前的文章:自行车踏板如何保持不动?是关于自行车踏板的。这篇文章解释了为什么自行车踏板往往会停留在上面,如果您对此感兴趣,欢迎点击下方链接阅读。

最难是波浪沟壑障碍区。大家不仅要不停转换方向,穿过弯曲的泥路,还得越过接连不断的沟壑。选手黄先生是第一次在上海参加山地越野赛,他告诉记者,自己在比赛中连人带车摔了不下4次,尽管如此,他依旧没有放弃,完成了比赛,“摔倒后的第一反应就是赶紧起来继续,冲过终点那一刻非常有成就感。”

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据介绍,今年的赛道进行了全面升级,将林间分为3块区域,修建了波浪道、大弯墙、石板路等各种形态路段,增加了入门级、中级和高级不同难度的分级路段。

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比赛中,选手在林间穿梭,既能体验飞驰的刺激,又能感受浓厚的秋意野趣。“树叶纷纷落下,我忍不住要加速去接住,与其说是比赛,不如说是在享受大自然的美好。”选手邱女士说,赛后特地捡了一片落叶留作纪念。

据了解,本次赛事由上海市社会体育管理中心、嘉定区体育局等部门主办,除成人组外,还设置了青少年组。此外,比赛还开设了山地车现场培训,丰富选手们的参赛体验。

撰稿:周玉林

摄像:孙雨豪

编辑:王安琪、卢泽斌

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