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自行车花鼓设计之 轴承支撑结构的变迁

2015-4-10 22:32| 查看: 24685| |来自: 700bike | 去自行车论坛逛逛



  而轴心口径的增加也意味着必须使用更大的轴承。但是从图4可以看到,更大的轴承却会增加不少的重量。为了不增加重量,花鼓厂商不得不使用更薄的轴承,而这却导致了花鼓能承受的载荷明显下降,并且耐用度也堪忧。

  Figure 10 为了降低重量,多数的花鼓品牌都在高端系列上使用更薄的轴承——一个相当方便快捷的方式,可是却付出了耐用性的代价。

  也许有人会说,“即使是68系列轴承的动载荷能力也有200kg左右啊?这已经绰绰有余了吧?”

  虽然200kg已经远超出了骑行者的体重,但是实际的情况却是,在骑行中轮组受到路面的不断冲击,传递到轴承上的瞬间载荷可以轻易超越轴承的承受能力。这也是为什么台湾产的花鼓绝大多数都不耐用的原因——一小部分原因是防水结构不好,而最大的原因往往是轴承在冲击中损坏。人们常可以感觉到即使从来没有在雨天使用这些花鼓,但是它们的轴承还是在几百公里的骑行后便变得不润且有颗粒感。

  相较之下,轴承分置两边并且滚珠直径较大的shimano花鼓(当然也包括早期的Campagnolo和Suntour花鼓……可惜Campagnolo现在已经把结构改掉了,Suntour已经不入流了),一向拥有无敌的耐用度,笔者曾经保养过一个有十年历史的6500花鼓,已经使用了十几年且从未拆开维护过,当打开轴档之后发现里面的黄油居然还保持有Shimano“神油”特有的绿色,简直是叹为观止。

  粗略地做了一个FEA的对比。模拟轴心外径为15mm,厚度1.5mm,长度120mm,忽略快拆压力,竖向载荷45kgf(大概相当于人+车70kg的情况下,后轮的典型受力),分别模拟了支撑点离中心35/12.5mm,和48/45mm两种情况:

  Figure 11 轴承间距为35/12.5mm的情况下,轴心发生的形变量。最大形变量约为0.025mm,模拟图作了100倍的放大。

  Figure 12 轴承间距为35/12.5mm的情况下,轴心所受的应力。最大应力约为33.7Mpa(对于花鼓上常用的铝合金,因应不同牌号和热处理方式,其屈服强度在250-500Mpa范围内)。

  Figure 11 轴承间距为48/45的情况下,轴心发生的形变量。最大形变量约为0.002mm,模拟图作了100倍的放大。

  Figure 12 轴承间距为48/45mm的情况下,轴心所受的应力。最大应力约为12.6Mpa。

  一部分有“追求”的(或者说是……有良心?我也不知道怎么形容:P)也意识到这在力学范畴上说是一种很糟糕的设计,从而费尽心思地把右侧轴承往右移。支撑壳体的结构在近年也大有卷土重来之势。

  Figure 13 mavic的花鼓一向都沿用支撑壳体的设计,但是为了让其容身于塔基内部,塔基的内侧轴承不得不使用了一个尼龙滑动轴承,壳体上用的轴承是小而厚的型号,轴心分成两段,右段是一个钢质的小口径边塞,并且由于驱动结构仍然做在壳体上,壳体的厚度也是相当厚。这让Mavic的花鼓难以减重,算不上一个成功的设计。

  Figure 14 Easton最近发布的echo系列花鼓重新起用了支撑壳体结构,从而一扫以往R4花鼓轴承寿命极差的坏名声。其驱动结构改为做在塔基底部,从而使得壳体的厚度能够减小,既保证了轴承耐用度,又确保了轻量化。

  Figure 15 Chris King花鼓引以为豪的Drive Ring结构。其巧妙地把行星齿轮机构放置在轴壳右侧轴承的左边,避免了DT花鼓上行星齿轮占用轴壳右侧大量的宝贵空间的缺点,增加了花鼓的寿命,而且还获得了一种独特的响声。

  Figure 16 散装花鼓领域的厂商其实从未落后过——alchemy最新的ORC-UL花鼓,直接把右侧支撑轴承放在了整个塔基的右边,通过可拆卸的支撑壳体固定在轴壳上。因为轴承是如此的靠外,其得以使用直径为11.6mm、厚度仅有1.3mm的轴心。这种巧妙的设计令其重量降到了195g之谱,并且防水性和耐用性在散装花鼓市场上可算是首屈一指。当然其高达180/440美刀的售价也让国内消费者望而生畏:“为毛我要用10倍的钱去买一个看上去和久裕没啥区别的花鼓?”呵呵。

  Figure 17 至于极端轻量的领域还是老样子。Tune通过把右侧支撑轴承和塔基轴承二合为一(该轴承被称为XOT轴承),令支撑点右移——不算是一个彻底的方法,但是好歹也有点用。

  总而言之,虽然花鼓内部的结构往往难以被一般的消费者所了解和分辨,其反映到表面上就仅剩下秤上的重量,以及难以被量化讨论的耐用性而已。厂商在这方面投入的研究,往往比不上在花鼓外壳、轮圈、辐条上的修改来得吸引眼球,但是其实这方面的改进一直都是“暗流涌动”,一直都没有停止过。反观一些台产的花鼓,只会简单地通过压榨轴承尺寸的方式来减重,导致了秤上数字漂亮但是耐用性完全说不过去的境地,跟国外的品牌在设计水平上的差距越来越大,只能靠低价冲击市场。这种状况真的值得业内人士的反思。

  (来源:philipeleven的新浪博客 )

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本文标题:自行车花鼓设计之 轴承支撑结构的变迁
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