2016年3月31日 星期四

鋁圈製作過程

這是很久以前在網路上看到的,分享一下:
Discovery的節目 How it's Made:

大致的過程如下:
一、素材產生(影片中沒有)
鋁料通過模具會產生一條狀的空心鋁條,這就是輪框成型的前身
模具的設計會直接影響素材(輪框)的外型,不同的框型就有不同的模具


二、素材捲成鋁圈
將條件的空心鋁條經過捲圓機捲成一圓型
常在編輪的人就知道,一般我們編成輪組時輪框的真圓要在0.4mm內(高低落差在0.4mm)
而且拿到的輪框若不是真圓,這值通常沒法做多大校正
簡單來說要有好的材料才能編出好的輪子,一個歪掉、不圓的框是沒法編出完美的輪子

所以光是這麼一捲,輪框還能是真圓的,其實還蠻訝異的
而實際上一個輪框的真圓最容易出問題的確就是在接合處前後的地方

三、裁切
之後就是把捲出來的鋁圈切掉再去接合

四、輪圈接合
方式有三種
1. 焊接 (welded)-透過正負極高電流讓鋁料瞬間融解來接合


2. 套接(sleeve) - 做一個鋁套(圖中間那個),約略等於鋁內圈的大小,再卡進去達到接合的目的

3. pin接 - 用縲絲釘,卡進框中來接合

用PIN接的框會有個特點:框體剖面圖一定會有兩個洞(下圖中紅框)來塞螺絲釘

 所以用PIN接的框一定比較重,通常只會用在低階的框,或是不看重量的框

三種接法裡面,成本最高的就是焊接,因為後續還要把焊接多出來的鋁料打磨掉


圖中只有輪框的外側打磨圖片,當然內側也要,因為要放胎(內側就複雜許多)

最後的成品,焊接處只留下一點痕跡

若單單只看框體的強度,焊接的確會比套接來的堅固
但是編成輪組後,整體剛性會大幅度上升,兩者就變的沒什差異!

而一個框好不好,還是要看其它地方,比方剛性、重量、品質
並不是說只要焊接框就一定是好的,若廠商的技術不精,冷焊也是白搭

Shimano Dura-Ace 輪組 C24用焊接,C50用套接



四、鑽孔,熱處理,表面處理
鋁圈成型後,要鑽孔與熱處理
鑽孔是把放鋼絲與氣嘴的孔位鑽出來


熱處理後可以增強鋁材的強度
表面處理成我們要的、陽極還是烤漆、亮面還是消光、黑色還是銀色……
而可以的話還是用陽極處理重量上會比烤漆來的輕



五、CNC剎車邊
把輪框放在一圓型轉盤上,讓他不停旋轉,而畫面中右邊是車刀
車刀由內往外移,整個剎車邊就處理好了

為求剎車面的平整,CNC就是輪框產出的最後的一個製程

大置以上就是鋁圈生產的過程~~~~~













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)
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