SOLE 車狂之家手編輪工作室

2016年2月27日星期六

CHC沒講到的"動能" -- 重的輪子慣性好，平路就好騎??

動能

首先我們來回憶一下牛頓第二運動定律：

F:力 (單位: N)

m: 質量(單位: 公斤)

a: 加速度(單位公尺/(秒*秒) )

由這個式子我們可以看出來，當你施的力是固定時，會對一物體產生一固定的加速度

物體輕，加速度就快；物體重，加速度就慢

符合我們在自行車上的體驗：當我們換上比較重的輪子起步就慢、換上輕的輪子起步就快

或是當我們背個行李在路上騎車時，起步就比沒背行李時來的慢

功的定義

W:功 (單位: J-焦耳)

F:力 (單位: N-牛頓)

D:距離(單位: 公尺)

把兩個式子組合在一起會變為的動能的公式：

K:動能 (單位: J-焦耳)

m:質量 (單位: 公斤)

v:速度(單位: 公尺/秒)

這個公式的解釋是：讓質量m的物體，由靜止狀能加速到速度v，所需做的功為K

由動能的公式我們可以看出，當作的功是固定的情況下

質量愈大，加速到某定速下所要做的功就愈大；反之則愈小

所以輕量化的輪子是有一定的優勢，尤其是在速度不斷改變的騎乘中，可以讓你省下更多的力

那什麼情況下不會省到力呢？

我們想想自行車在前進時受了哪些力：

人的出力-腳踩在踏板上有前進的力道

風阻-空氣阻力是速度的平方倍，速度愈高阻力愈大

滾動阻力-輪胎在地上滾動會有磨損，因為有滾動阻力的存在

內阻-齒輪、鏈條在傳動一定沒法100%傳遞，必有損耗在，或是輪子本身的形變

位能-若是爬坡的話需要克服位能

平路最大的阻力就是風阻，而爬坡就是位能

所以我們選擇比較重的輪子是為犧牲重量去換更低的空氣阻力(比如框高變高、框也變重、但空氣阻力理論上也比較低)

而不是像一般人說的，重的輪子慣性就好，平路就好騎

若只要有慣性，平路就好騎，那背鉛塊在身上不就更有慣性，把鉛塊綁在輪上也很有慣性；實際上這麼做是沒可能更快的
若一個輪子很重，風洞測試的結果也不理想，那講白了只是練身體用的東西

轉動動能

輪子在路上前進是比較複雜點，它不僅有移動，也有在轉動；

當人的踩踏停止時，車子還是會一直滑行(輪子一直滾)，空氣阻力跟滾動阻力會不斷消耗你的動能，讓你的速度愈來愈慢

轉動動能的式子跟移動動能很類似

K:動能 (單位: J-焦耳)

I:轉動慣量 (單位：公斤/米(平方) )

ω:角速度(單位: 弧度/秒)

ω:角速度；聽起來有點陌生，若是說轉速(rpm)大家就知道了，只是公式上的轉換

60rpm=1分鐘60轉=1秒1轉= 2π(弧度/秒)=角速度ω

I:轉動慣量；跟物體質量成正比，半徑平方成正比

不同的物體有不同的轉動慣量

輪子的組成可拆成(框+胎)、(幅條+鋁頭)、(花鼓)

三者的轉動慣量皆不同

(框+胎)的組合我們可以看成是有厚度的圓柱體

( 幅條+鋁頭)的組合我們可以看成是棒子

花鼓算是薄圓柱

咋看之下花鼓的I值是最大的，其實反而是最小的，因為r(半徑)的關係

假設

花鼓半徑0.03m

幅條長度0.3m

框加胎的組合半徑 0.315m

半徑比值原為1:10:10.5，平方下變為1 : 100 : 110.25

由這就可以看出來為何廠商在設計輪子，他們並太在乎花鼓的重量，而想辦法在框上輕量化

再來是幅條；但是幅條影響輪子整體的剛性，有經驗的廠商會很小心處理這個部份

Fulcrum的花鼓一看就知道並不輕

Vittoria的花鼓，260g，跟fulcrum的還有點像

shimano的c24,c35，鋁擠很薄，上carbon補強

若花鼓的設計可以改進輪子的剛性，那就要先從花鼓著手，再來是幅條、最後不行再動框

而一個輪子在路上滾動時它所具有的動能就是：兩者的總合

舉例一下，若是把1kg重量加在花鼓上，幅條上，框上會有什差異(設定時速為30km)

花鼓的半徑小幾乎可以忽略其轉動動能

加在幅條上，轉動動能就約有移動動能的3成

加在框上轉動動能就約有移動動能的9成

：

花鼓上1kg，等效於人多1kg；

幅條上1kg，等效於人多1.3kg；

輪框上1kg，等效於人多1.9kg

以最極端的條件來看框上重1kg所需的動能，最大會等效於人背1.9kg在身上

(註：實際上差異應該會更大些，因為重心分佈的關係，不過這部份要請物理老師出來解釋了)

多一些重量騎平路有什麼差嗎？好像差異並不太大

基本上是要看你的速度是否穩定，愈穩定愈沒差

忽快忽慢就會影響到加速度，重量的差異就會體現出來

像鐵人三項的比賽，或公路計時賽，因為速度很穩定，所以用高框的板輪或封閉式的碟輪降低風阻係數，達到更高的極速

反觀公路賽框高50mm剛剛好，更低也有人用，不會太重，風阻也不差；而最後10km時，大家紛紛把身上的水壺丟掉，為了就是"降低慣性並減低風阻"，增加加速的反應力

CHC的測試介紹到這，差不多完結了，來總結一下如何挑選好的輪子

首先該輪子需符合你體重的側向剛性，側向剛性愈高下坡愈穩

(除非你很輕，要不輪子只騎平路才不需看側向剛性)

扭轉剛性，爬坡的輪子需要高的扭轉剛性，體重愈重的人，踩踏愈不順暢的人愈需要

否則出力都用在幅條的變型上

風阻，騎平路時(最好是一出門都不用按剎車的平路)，用的輪子要有低的風阻，速度愈快影響愈大

重量，若路線是很平穩沒什麼起伏，那輪子的重量對平路影響不大

若是常常要加減速(比方停紅右燈)，速度也不快的話，寧可用輕的輪子

若路線是爬坡的話，需要克服位能所以與重量有絕對的關連，愈輕當然爬起來愈省力

(但還是要考慮到剛性，你的施力會不會被輪子的變型量給吃掉了！)

總結就是要有剛性，風阻又低，又要輕；這才稱作是全能型，我只能說有各方面在中上水平，但沒有全部都滿分的

依用途來選爬坡就選輕、有剛性的(坦白說又輕又有剛性還真的沒幾個)

平路就選風阻低，重一點沒關係

碳框在同樣的框高下就是比鋁框輕些，容易達到目標，若沒差那一滴點效能，鋁框也是不錯的

題外話一下：2013環法的17戰ITT；

最後一段下坡前都是公路車，低框，配休息把

到山頂停下來~~~~看到我還以為故障了

換車啦，變計時車，後面還碟輪

還有人幫忙推車~~~~~好樣的

上路囉

2016年2月14日星期日

Tubeless解析；為何有的外胎好裝，有的外胎難裝？其實跟框也有關係，像Tubeless的框就是比較難裝

Clincher 框
以clincher(開口)胎來說，有的外胎好裝，有的難裝，想當然很直覺就是有的胎做的比較大
這裡所謂的大不是裝上去打完氣比較大，而是胎唇的直徑比較大

所謂的胎唇(Bead)如圖：

胎唇的直徑基本上是固定的，需要跟輪框做搭配

上圖是KINLIN XR200與XR270幾合圖，除了外型不一樣外，其實內部(入胎)的外型也不太一樣

圖中的紅線是入胎的深度，當做的愈深，外胎會愈好裝；所以看圖可知 XR270會比XR200還好裝胎

而圖中紅框是扣胎位置：外胎裝入打氣後胎唇的位置

以Clincher框來說這兩個值可以變動的範圍非常大，大概怎麼改都不會出問題

若今天有客戶跟輪框廠反應說：你的框很難入胎；那只要把紅線的部份往內做(做深)即可

講起來很簡單，不過這等於要多做一個模具，有更簡單的方法，直接把框直徑做小；連模具都不用動

Tubeless 框

Tubeless 框其實已經推出許多年，本身是Clincher框的變形

可相容於現有的Clincher胎，若只是多一個功能，價錢沒差多少，相信沒有人會拒絕

其字面上的講釋就是無內胎的框，簡單來說就是搭配tubeless的外胎，可以不用裝內胎

聽起來很神奇，其實想法很簡單：讓外胎跟框本身型成一個完全氣密空間即可

當然講是很容易，這需要三方配合：外胎廠、輪框廠、編輪廠

外胎廠：一般的外胎是會"漏氣"的，所以Tubeless外胎要有一層氣密層包在其中

再來是胎唇的設計不太一樣，要能夠在沒有內胎的情況下，又能被輪框卡住

也因為這兩個原因，所以Tubeless的外胎會比Clincher外胎來的重

輪框廠：要針對入胎與扣胎的部份重新設計

紅色的橫線是入胎的深度，做的深會很好入胎，但會很難打氣

紅色框是扣胎的地方，尺寸是固定要捉的很精準，而且有的會做傾斜倒角，目的就是要讓胎扣上去卡的緊緊的

編輪廠：輪子編完後要封幅條孔(氣密襯帶取代傳統襯帶)並上Tubeless氣嘴，若不是焊接框的話還是針對框的接合處上膠處理

講到這大概知道為何Tubeless的框就是比較難裝點，是本身設計上的限制；太好裝的話哪天你要用Tubeless的外胎跟本氣打不起來，到時會幹死，不是家家都有空壓機的

現有的Tubeless鋁框有 KILNIN XR22T、31T、31RT，重量分別是445/490/490g
而全碳框Tubeless框有，28，38，50c高的(交期許久，約二個月)，重量分別是400/440/490g

爾後還會推出更輕並更有剛性的新款Tubeless鋁框

2016年1月22日星期五

CHC的輪組測試--扭轉剛性

在寫這篇文章之前，我找過國內外的網站，並沒有看到有任何單位有測試過輪子的扭轉剛性

所以我仔細了看過測試的方法，並計算何時才需要大的扭轉剛性

首先CHC的測試方法如下：

固定住輪圈的部份，在棘輪處施以一扭矩，值為70(N-m)，量測棘輪座在受力後的角度差

假設輪子扭轉剛性是無限大，那施以任何力，棘輪座都不會有任何旋轉

但實際上不是這麼理想的，棘輪座會旋轉，若是旋轉角度愈小代表輪子的扭轉剛性愈好

角度是一個很難量測的值，有比較簡單的推算方法：

取輪圈剎車邊的中間(如圖)，施以一扭矩，量測其偏移值(單位：mm)

所以1度的偏移量是：(633-10)*3.14159/360=5.4367mm

而CHC的換算方式是：若70(N-m)有3mm的偏移，那輪子的扭轉剛性就是：70/3*5.4367=126.85(N/度)

看到這我心中就有兩個疑問：

一、扭轉剛性會像側向剛性成線性嗎？

二、70(N-m)，若是模擬人踩踏板的力道是多大呢？

一、因為我有簡單的治具能測扭轉剛性，所以就我測試的結果，並不是線性的

意思就是：若70(N-m)有3mm的偏移，不代表70/2=35(N-m)有1.5mm的偏移

所以CHC的測試結果是不能拿來跟別人的數據做比較的

最嚴僅的說法：CHC的測試是在70(N-m)的扭矩下，哪個輪子的扭轉剛性比較強！

二、那70(N-m)，若是模擬人踩踏板的力道是多大呢？

不知大家對扭矩的數值有沒有概念？一般鎖飛輪是40(N-m)，所以這值比鎖飛輪時的力道大的多

那什麼情況下人會對輪子產生最大的扭矩呢？爬陡坡？還是平路衝終點？

…

一般人的直觀想法可能會覺得是平路衝終點，因為那時速度最快、功率最高、齒比最重

但實際上是正好相反，是爬陡坡，陡到快定竿時才是作用在輪子上最大扭矩

如上圖，我們來求得其作用在花鼓上的扭矩

假設施力是70kg，施力方向跟曲柄完全垂直(假設曲柄長為172.5mm)

此時產生的扭矩為：70*9.8*0.1725=118.335(N-m)

而經過齒比的轉換最輕齒前/後 34/28T，作用在花鼓上的扭矩為：118.335/34*28=97.45(N-m)

若齒比是最重齒前/後 50/11T則為：118.335/50*11=26.03(N-m)

所以我們得到一個結輪，爬坡用的輪子需要大的扭轉剛性，而且齒比用的愈輕，速度愈慢，踩踏力道愈不穩定的人愈需要

注意這裡所做的是靜力測試，輪子本身速度為零，是完全被固定住；若是輪子在移動的情況下，被施加扭矩就不會這麼大了

前言說完了，來看CHC的測試結果：

先來談談只有一星的部份：
2013 ZIPP 404是23組輪子中墊低的，數值僅：43N/度

原因之前的文章有說過了：
http://good886mylove.blogspot.tw/2015/10/blog-post.html

傳動側用放射狀，非傳動側也僅1x，幅條還用的很細，不用測也知道很差

不過這裡要幫zipp平反一下，近幾年zipp的花鼓已有長足的進步，總算不是只拿高爾夫球面來說嘴

一星中還有另一個比較特別的例子是： Orbit Design Meson TU

雖然幅條成切線角(90度)，但是幅條本身是用很軟調的2mm碳幅條
後輪的轉動是先由花鼓轉動，幅條再去帶動輪圈；所以幅條本身要有好的抗扭轉能力
輪子的扭轉剛性才會好
為了達到數字上的輕量化而降低輪子的剛性，就我的感覺不是太妥當

看看MAVIC R-SYS SLR用的碳幅條多粗呀中空4mm

一星的說完，來講講五星的
五星就很多，實際上23對輪子我至少都看過圖片
要達到好的扭轉剛性很簡單，就是耳加大，讓幅條成切線角(90度)，用的多支，而扁的優於圓的，如此一來扭轉剛性就不可能差了！

看看前三名都在160N/度以上，是2013 ZIPP404的4倍了

所以，花鼓的幾合很重要

再來舉mavic的例子

像一級的R-SYS SLR，傳動側幅條用的粗又扁，成切線，扭轉剛性一定不錯

反觀二級的Ksyrium pro，傳動測用放射狀，把驅動的任務交給張力較低的非傳動側

扭轉剛性當然不可能比R-SYS來的好(二級的做太好，一級的叫誰買單！)

CHC的測試結果到這結束，下一篇來講講CHC沒講到的：轉動慣量

2015年12月30日星期三

繼續來講述一個輪組極重要的參數--側向剛性
側向剛性是指輪組在受側向力時會有一個偏移量，可以看這篇介紹：輪子的側向剛性

所以說當抽車時(比方爬坡、沖刺)，下坡過彎時；可以體現出一個輪子側向剛性的重要
尤其在下坡時，擁有好的側向剛性，可以讓你的輪子穩穩的過彎
這已經不是效能，而是安全性上的問題
側向剛性不好的輪子，甚至可能會讓你在過彎側滑出去

若你是個敏感的人，或是體重重的人，就會知道三大廠(MAVIC，Campagnolo，Shimano)它們的輪子側向剛性都有一定的水平，而且是後輪；其實前輪隨便編都不會太差

測試側向剛性的方法如下：

水平架設輪組於擁有無限剛性的治具上，棘輪側朝上，於輪框煞車面處向下垂直施加200N
記錄看看會讓輪框偏移多少mm，往回推可得知 剛性值(N/mm)

測試方法大概就是這樣，全世界都差不多，若你的治具設定沒有問題
出來的數據就是個絕對值，可以拿來跟別人測的數值做比較
看到這眼尖的人可能會發現幾個問題：
一、假設一個輪子的側向剛性是200N/5mm，那40N推力之下就真的會讓它偏移1mm嗎？
二、後輪的施力為何要從傳動側往非傳動側推
三、為何施力是200N?

一、起初我也懷疑推力跟偏移量是否為線性，直到自己有了治具測過才知道，真的是線性關係，這我已經驗証過了

大力感謝車友楊先生的幫忙，沒有他的話不會有這治具

二、那為何要從傳動側往非傳動側推？？原因很簡單，因為非傳動的張力比較低是弱邊

實際上我們在做推力與偏移量的線性圖會像上面那樣
圖中紅色圈圈處就是非傳動側幅條張力為零的轉折點，當推力大到會讓幅條完全失去張力時
此時輪框的偏擺量會極巨的升高
由這點也可以看出來，為何廠輪的後輪幅條張力都比前輪高，就是為了要讓轉折點延遲出現

三、為何施力是200N? 照MAVIC的解釋是測試一級車手在全力衝刺時的數據
我也想不到方法去驗証，就先信他了！

基本講完了，就來解釋CHC測試數據的意義

前輪第五名還有60N/mm，後輪第五只剩41N/mm

這就是一般輪組普遍有的特性，前輪的側向剛性比後輪好太多

不說你也知道，後輪負重明明就比較高，需要加強的反而是後輪

那多少的數值才是夠的呢？N年前國外的網站就有做個結論：

Recommendations to optimise racing performance:
Basically, only heavy riders, or racers looking for extreme performance need stiffness at all cost. Over 80kg, the racer should focus on wheels over 40N/mm of lateral stiffness.
Between 70-80kg, wheels under 35N/mm are likely to impair performance in some race situations. And finally, racers between 60 and 70kg would be best avoiding wheels with lateral stiffness
below 30N/mm.

歸納數據如下：

車手體重<=60kg 30N/mm

車手體重<=70kg 35N/mm

車手體重<=80kg 40N/mm

車手體重<=90kg 45N/mm

車手體重<=100kg 50N/mm

每多10kg，就要多個5N/mm，當然這只是個大概
(老外普遍較大隻也有力，我想這數據已經算是高標準了)

所以基本上你是對剛性很要求或下坡很拼的人，若體重達到70kg，上述只得一顆星的輪子請謹慎考慮！！(側向剛性僅30N/mm上下)

二星的話就是70-80kg出頭的人(側向剛性在41N/mm以下)

當然硬要騎也是可以的，不是說輪子會壞掉，而是在側向剛性上可能無法達到你的要求，外帶可能有容易偏擺的問題

側向剛性是選擇輪組很重要的一環
基本上挑選輪子應該要先找符合你體重的剛性，再去決定你的需求
(比方外型，框高，重量………)

超過自身體重之下過多的剛性是無用的，因為 剛性高 往往約略於 輪組重

依我目前的產品線
80kg以下的可以用XR200/XR27R(或XR22T這組合)鋁框，重量可以在1400左右
若是90kg以上，就需要用到XR31RT，XC279，XR380這些比較堅固的鋁框，重量會超過1500g

鋁框要做到輕量高剛性是有難度，目前也正朝這方面努力
花鼓幾何，幅條粗細，框的板型都需要大改
所花的金錢與結果是不成比例的，不過我就是想做些不一樣的東西

這就像DT RR21整個花鼓、幅條、框跟DT公版的花鼓、幅條、框跟都不一樣
你拿DT公版的東西再怎麼湊，也湊不出相同重量一樣剛性的東西來

結尾了，公布一些大廠牌輪子的側向剛性

Campagnolo shamal Ultra 前/後 47/44(N/mm) ----CHC測試

Shimano WH-9000 C35 CL前/後 59/50(N/mm) ----CHC測試

Mavic R-SYS SLR 前/後 55/55(N/mm) ----MAVIC自測

三大廠的前輪都進不了前五名，但後輪都在前五名內

Vision Metron 40 clincher 54/36 (N/mm) ----CHC測試

其實……………大廠一直都知道重點在哪

2015年12月29日星期二

ZIPP 808 NSW 棘爪構造

這是新的ZIPP 808 NSW HUB，跟現在的ZIPP 77/177 (77/177只是型號不是重量)
差在棘爪的設計不一樣

光看圖我覺得有點冒險，所以ZIPP只在一個型號用上它，就是三鐵的輪子上

看圖說故事，來分解如何做動的

當組裝起來後，兩個棘爪環會放置到其位置上

左邊的棘爪環上有三個磁石，讓左右的棘爪環組裝後可以always貼在一起(磁石會讓棘爪環帶磁性而貼在一起)
如此一來正轉就咬合，空轉就會有咔咔咔的空轉聲

為何我會說有點冒險呢？看看以下的材質

鋼的棘爪環要卡在鋁的棘輪座與本體上
用久了撐不撐的住是個問題

所以zipp把這設計先用在"最不需要扭力"的三鐵輪組上，三鐵講求的就是穩定的功率與速度

一方面也是試試水溫囉~~~~

2015年12月14日星期一

來聊聊CHC的輪組測試 --- 風阻篇

今年單車時代委託CHC(財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心)做了一些國內23對輪組測試
包含的項目有：風阻、側向剛性、扭轉剛性………可惜單車時代並沒有解釋這些數據背後所代表的意義
我個人對數據的東西一直很有興趣，今日就以我的認知來與所學做個解釋，若的誤的地方歡迎大家討論指教

相關測試的方法如下：
http://cyclingtime.com/tw/documents/5978.html

以下是節錄重點：
首先風洞的測試只測前輪，裝胎，時速50km/h，而且輪子轉動有達到所相應的風速（50km/hr）

取0度、5度、10度、15度、20度各數據加總的平均值

0度

其實CHC的測試是完全跟國外的測法一樣，只不過拿到國內就顯的有些不適用
比方說時速50km/h，台灣一小時平均能騎到這速度的我想少之又少(其實應該說沒有)
若是能把速時降為40km/h測試出來的結果就比較有參考性

再來第二個，對應的轉動裝置在不同的輪子下也有不同的功耗

下面是我在家裡測的，輪子空轉時，速度--時間關係

藍線是時速，而底下橫軸是時間，完全不是線性，而是成一個二次方曲線
原因就是風阻與速度平方成正比：

輪子在空轉時就要抵抗風阻，風洞測試結果風阻愈大的輪子轉動所耗的功理應也愈大
風洞測試應該要把各個受測輪子"空轉時的阻力差"算進去才能更貼近現實

現在我們來看結果：

我們看到要能達到5星框高都要在50mm以上

而4星級的就很多，有些還是鋁框的輪子框高有的甚至不到25mm

一般人的認知是框愈高風阻愈低，這是對的，但忽視了幅條的影響其實非常大

我們拿其中一個例子來看看： SAMUEL Fatboy 1060框高雖近45mm，但走的是極端的3mm碳幅條，依小索觀點這就是導致在該測試中落居倒數第二的原因(而最後一名TENY，那是2006年出品的鋁合金鑄造輪-一對重約4kg)

那風阻出來的數據單位是(克-g)，我們可以用更白話的方法來解釋，g克等於多少W(瓦)

這時回想起國中物理(抱歉本人的數理水平只有國中程度，能理解的並不多)

W=F*S (作功=力*距離)

作功的單位是焦耳(J)

力的單位是 N(牛頓)

距離的單位是m(公尺)

P*t=F*S(功率*時間=力*距離)

P=F*S/t

P=F*V(功率=力*速度)

功率的單位是瓦特(W)

力的單位是 N(牛頓)

速度的單位是m/s(公尺/秒)

所以拿第一名的HED JET6 193g跟 SAMUEL Fatboy 1060 393g

差值是200g，我們可得出時速50km/h 下的功率差是：

(393-193)/1000*9.8 * 50000/3600= 27.22W(這只是前輪，而且還少算了讓該輪子維持在50km/h的功率差)

那時速40km/h，30km/h下能差多少？風洞沒測時速40km/h下
我們可以大概用數學式來推算：
風阻跟速度平方成正比

本來50km/h下的風阻差是200g，
40km/h 下就會變為： 200/(50*50)*(40*40)=128g
30km/h 下就會變為： 200/(50*50)*(30*30)=72g

128g風阻換算為時速40km/h下的功率： 0.128*9.8*40000/3600=13.93W
72g風阻換算為時速30km/h下的功率： 0.072*9.8*30000/3600=5.88W
(當然這是數學式推算，實際還是要風洞測試才準確)

總結一下：我個人認為CHC的測試開創了台灣輪組的新頁
客人可以看數據來挑你所需要的輪子，而不再看廠商天花亂墜的業配文

當然挑輪子最重要還是挑順眼的；3mm碳幅條雖然風阻大
但是我們可取其優點避其缺點

像MAVIC R-SYS不也是這麼做的嗎？