你知道為何車身傾斜會使車把手轉向嗎？人類直到1880年代才了解的操控原理, 乃是自行車發展史的最重要里程碑, 無價的知識.
Trail(循跡)是上述兩條線在地面上交叉點的距離. 以上圖為例, F20R(左)的trail較Reach(右)小.
Trail的大小與頭管角, 輪徑及前叉偏移(fork offset)有關. 其關係可參考下面的網頁.
http://www.wretch.cc/blog/franklu/11877245
因為前叉與車輪的重量是offset落在車頭轉軸的前方, 當我們打斜車子, 這重量正好落在我們傾斜的那一側, 導致車頭轉彎, 順利進入彎道.
當我們過彎後, 車身回正, trail會強 迫、引導前輪跟著轉軸(與地面的投射點)的方向跑. trail愈長, 車子的「自我校正」方向的作用愈好.
前叉及輪子重量落在車頭轉軸的前方，是我們打斜車子時，可以進彎的主要原因。而 trail就是引導車子進彎後又能恢復直線進行的關鍵。
當trail越小, 操控性越快, 機動性越強; 過小的trail, 在低速行駛時因操控性太強, 反而不穩定.
當trail越大, 穩定性佳, 越能讓車子直直的前進; 過大的Trail在高速行駛時會有遲鈍, 厚重的感覺.
相同直徑的車輪, 車頭角度大則trail小, 車頭角度小則trail大.前叉向前彎(fork offset)是為了抵消過多的隨跡.
Trail該多大？載重車約75mm，都市車約60mm，公路車約50mm. 小徑車隨跡小, 確實數字, 視設計概念決定.
低速的平衡(低速的操控性)
把上述兩部車身打斜時, 車把手(前輪)轉向的情形.
F20R(左)的Trail較小, 當車輪轉到約60度時, 等效Trail變為0(車頭轉軸與輪胎觸地點重疊), 車頭便不再轉動.
Reach(右)的Trail較大, 當車輪轉到約60度時, 等效Trail尚大於0, 車頭會繼續往左偏擺到大約80度為止(此時的等效Trail為0).
因上述的現象, 若要手握車子的座墊推車前行, F20R較小的trail會顯得較好操控, 施力將車身左傾, 車子會較Reach易於左彎;
同理, F20R要將車子回正直行也輕鬆許多. Reach則要把車身回正後再往右偏一些, 車子方能回正.
因此, 近日試了幾次, 都還不敢放手騎Reach.這近90度的側傾轉角會讓低速時很難平衡.
(有空我會再試試F20R, 看會不會比較敢放手騎)
話雖如此, 根據我的實際體驗, Reach在高速的情況(e.g. 下坡)下, 比F20R穩定許多.
這原因除了與Reach的trail較長有關, Reach優異的減震機構(前四連桿與後URT, 使輪胎緊貼地面)與較大的輪徑也功不可沒.
沒有Trail的車子會怎麼樣?
本著實事求是的精神, 讓我們來做個簡單的實驗吧! 把後輪墊高, 模擬成一部頭管角更大(更陡)的單車, 如上圖所示, 此時的trail為0.
若把這樣的車傾斜, 前輪還會朝傾斜的方向轉嗎? 事實上, 當我們騎單車下陡坡時, 單車正處於這樣的狀態. 由經驗告訴我們, 此刻的車把會變得較為敏感,
於下坡過彎時, 我們得花更多的心力去操控車子, 以求平衡與穩定.
好吧! 回到正題. 當我們把沒有trail的車子傾斜, 前輪還會朝傾斜的方向偏嗎? 如下圖所示, 答案是不會. 很能想像吧.
人類從1880才年代才了解的操控原理, 著實困擾了我好久. 每隔一陣子就想拿出來想想這看似平常, 又不是很容易解釋的原理.
我並不認為它直覺, 不然人類不會到19世紀末才真正搞懂它.
在網路上爬過無數的文, 終於讓我找到解釋此原理的最佳解釋.
"...As the bike leans, the upward force of the ground on the wheel combined with this distance creates a torque about the steering axis that tends to turn the wheel in the direction of the lean."
http://wiki.answers.com/Q/How_does_a_bicycle_in_motion_maintain_its_balance#ixzz1FM8S5dlv
請看上圖左. 當我們把車身傾斜, 輪子與地面接觸點的反作用力(藍色)會產生黃色與綠色的分量.
其中垂直於輪面的綠色分量, 因trail不為靈而對轉軸產生力矩(綠色的力乘以紫色的半徑), 造成前輪朝車身傾斜方向偏.
當前輪偏到一定程度(如上圖右), 等效trail等於0, 此時力矩不覆存在(因已無紫色的半徑存在), 輪子自然就不再繼續偏轉下去.
(ps: 若在繼續偏下去, 我們不是等著摔車, 就是得耗多於心力把把手穩住, 無法人車一體)
這也同時解釋了
1. 上述trail等於0的的車子在傾斜後, 前輪不會朝傾斜方向偏擺.
2. Trail越大的車子, 在低速前進(或靜止)時, 身身傾斜後, 前輪偏擺幅度較大. (如前述的Reach單車)
車頭/頭管角度的作用
(Reference: http://www.tt-bike.com/bbs/ArticleContent.aspx?typeid=6&articleid=125 )
" ...頭管角度決定了前輪的轉動，實際上到底給了多少分量帶動車子頭管。車頭角度愈小，你必須出力愈出力轉車把，前輪才會左右轉動。直挺的車頭角度(72°)，感覺起來會比較靈敏，而且車把轉起來 感覺會比較輕，左右轉動比較簡單省力。但這樣也會導致車子高速中，操控幾何的反應太快，增加了輪子左右擺動的不穩定性。低一點的車頭角度(70°)，車把轉起來比較重，但龍頭的左右轉控比較可預期，高速騎乘比較好操控。
而車頭角度也在車子的「自我校正」的功能(ability to self-correct)及「維持平衡不倒」(maintain its own balance)扮演重要的角色。下坡時，事實上地面的斜度把車頭角度「調整」 得更為直挺，比如說，71°的頭管原本那向後傾的19°角被 地面斜度所中和了，在同樣的情形下，69°的頭角還是能夠 自我校正，迎合你穩定操控車子的努力，下坡車的頭角大致上是65°到68°之間，以維繫操控性要素的功能發揮..."
上圖清楚說明head angle 與fork offset對trail 的影響. 車架設計者可根據車子的用途去調整這些變數, 得到他想要的目地(e.g. 更長的軸距).
對我而言較有意思的命題是:
假設圖A(較小的頭管角)與圖C(較小的fork offset)有著相同的trail, 那他們騎起來的感覺有甚麼不同?
根據前面的探討, 圖A為了得到相同的trail, 就需把輪胎往前推(fork offset增加). 如此一來, 轉向輪前方的重量影響就更大, 當自行車傾斜, 車把手就比較容易轉動. 但比較不容易回正(? to be checked).
其它的差異還有:
1. 高速的穩定度(or高速操控性)A肯定優於C.
2. C的把手轉起來會較A輕(靈敏, 低速操控性強).
3. 一樣衝程對地面的吸震能力A會比較好.
4. C爬坡時身體重心可以趴更前面比較好出力.
要是有專業車廠能提供如上圖四種設定的自行車, 理論與實務將得到驗證.
在此之前, 只能就有限的經驗, 與車界前輩多交流, 多找一些bicycle physics來佐證/修正.
===
補充 : 2012/01/12
700c前叉小徑+hybrid高速穩定性- 越小的輪徑需要越小的前叉偏位
http://tw.myblog.yahoo.com/jintoku_bike/article?mid=2877&page=0#3454
留言列表
