公路車板輪__慣性與框高的觀念匯整


在網路上長期拜讀眾多高手的心血智慧,慢慢的對碳纖板輪有概念;有時看別人的發言會發現似乎有點不妥,如:「...小板輪的優勢是騎平路的慣性..」。鑑於使用者付費…..不不,是閱讀者做貢獻的原則,小弟匯整眾位高手言論集結成冊,如下;如有錯誤請指正。


機械引擎出力的表達概念以「馬力」、「扭力」為宗,同一引擎兩者最大值出現的範疇一般都在不同的轉速(rpm)上。起步及低速由扭力當家,高速巡航時馬力開始上位,扯了一堆有的沒有,目的是要帶出碳纖板輪就「轉動慣量」輸出的方式,也可以分為高慣性的馬力型以及低慣性的扭力型,或則速度快時高慣性、速度慢時低慣性。簡單的以目測區分板輪,前者為高板、後者為低板。先來一段漢克前輩曾經測試過的二組 P 牌板輪心得對照:
1. 50mm 牌板輪在平路及緩坡丘陵地所帶來的爆發慣性令人著迷,但它就像野馬一般需要較大的Power加以馴服, 否則在較陡的爬坡路段,恐將無力駕馭.基本上來說:極適合於平緩路況使用的超值輪組。
2. 38mm 牌板輪表現在爬坡的效率令人驚訝;雖然在丘陵地路段的慣性不及前者,但卻可以讓中庸力道的選手帶來極大的加分效果,並同時保有易於駕馭的流暢感。


何謂轉動慣量?對公路車運動用有何影響?
轉動慣量的物理定義就是一個物體對於旋轉運動的慣性,也是一個物體對於旋轉慣性的持續運動。
這個轉動慣性在自行車上的用處,就相當於自行車上的蓄電池或者UPS不斷電系統,在一段時間之內穩定、持續出力而不間斷。

轉動慣量 I 在基礎物理學上是有簡化公式來表述;實際上是不能直接套用加減乘除,需要考慮很多變數。下列二式分別為基本形式及空心圓柱。
基本形式 I = m r^2
空心圓柱 I =1/2*m*(r1^2+r2^2)

我們就來加減乘除:假設有A、B、C三組輪組半徑皆取32.5cm,A是密封碟輪、B板輪框高4.5cm、C板輪框高9.9cm,代入轉動慣量公式(令三組重量相同為m)依公式可得框高9.9cm板輪慣性較框高4.5cm的板輪……差 差 差。但是實際上剛好相反,框高的板輪慣性動量較佳。再假設重量為B輪組1.25KG、C輪組1.7KG代入上式,結果仍同,框高的板輪慣性動量較 差 差 差。(算式於文末)
簡化公式大家看一看有概念就好,實際上不能用簡化公式去求,該用微積分的概念去分段積分轉動慣量,整體並考慮到鋼絲、花鼓等其他問題。


慣性設計:
高慣性與低慣性板輪製程的原理並不是單純的將板寬增大及縮小,牽涉到物理現象。譬如說高慣性將較多的重量分布在板上相對的軸心(花鼓)減輕,低慣性板則把重量集中在軸心,板寬減輕。Lightweight文宣就很老實的將某爬山專用輪組設計原理PO出:「爬山賽段設計的輪組,整組輪組僅970g(700C),可以很快地加速。輪圈外圍輕量化,重量相較集中於中心的輪組設計,因而具有較低的扭力,正是可以輕易加速的關鍵。」


實例討論1:
以前認為爬山不適合用板輪是因為它太重,沒競爭力;爬山的輪組要輕量化是定理,不使用大板輪是也是老生常談;那麼如果使用的碳纖大板輪比一級鋁合金輪組還輕量化是否就迎刃而解?引同學會裡面的腦力激盪來下註腳。

猛將阿汎兄以zipp 606 (前404 + 後808) 重量13xx g ,跟 mavic sl 重量 15xxg,這兩組來比較,提出為何不用較輕的606大板來爬坡?
在高手集思廣義之下得到606轉動慣量大速度變化就不容易,轉動慣量大的結果就是造成加速遲滯;為了減少功率隨坡度劇烈變化,小的慣量較有利,因為人的力量輸出很難一直維持恆定,當坡度稍緩時 慣量小的輪子 速度可以即時出來 ,慣量大的可能就會有延遲。所以「板輪不利於爬坡」這種說法應該修正成「高轉動慣的輪組不利於坡度不斷變化,或者是集團速度不斷改變」的比賽。
我們可以再對照用過多款輪組的suhumi說法:「…在爬坡的路段,盡可能的把較重的零件配置在轉軸中心,譬如說輕的輪圈配重的花轂就比重的輪圈配輕的花轂來得優秀,轉動慣量小的輪組讓你加速更凌厲。..」,嗯,理念一致。


實例討論2:
有網友問:「碳纖板輪位何要區分85mm-50mm-38mm 不同的寬度 用意為何?」聽到的回覆是:「應該說是框愈高,愈切風,平路維持在某個速度下會愈容易;板輪爬坡像鬼在拖,那應該是框愈高,愈重。爬坡時要不斷的克服旋轉的慣性,所以爬坡時框愈輕愈好…所以如果有框很高剛性夠又很輕的框!那就是無敵了,平路切風,爬坡又輕快」。
其實答案大致沒錯,但區分85mm-50mm-38mm除了平路破風的功效還有慣性動量大小的考量。爬坡當然是用38mm的低框,低框設計上強調扭力超過慣性作用。至於如果有框很高剛性夠又很輕的框!那並不表示是無敵,雖然平路切風慣性又大,但基於 ” 高轉動慣的輪組不利於坡度不斷變化 ” ,所以不是無敵。


或者這樣問 : 「'09 雷諾 MV32T UL 也是DT花鼓 /DT鋼絲/框高32mm 重1000g 偏爬坡取向的輪組!!EQUINOX RT038 喬昇頂級CNC花鼓/SAPIM扁鋼絲/框高38mm 重1120g 定位??!!
~~~~~~ 小弟目前這2組正猶豫不決中!! 車友們請提供寶貴意見!! 謝謝!! 」
其實看EQUINOX RT038的38mm,可以到雷諾官網看一看框高比對一下心理應該有底,雷諾輪組官網已建議25%平地路段和75%爬坡路段 用 KOM ,50%平地路段和50%爬坡路段 用 MV 32T 或 MV 32C 或 Attack,雷諾這幾組框高大概落在38mm的上下範圍。對照Campagnolo原廠把輪組分為小A型框輪、中型寬板輪與高型寬板輪,小A型框輪定位在登山專用,高型寬板輪定位在計時賽或平路為主的公路賽用,而中型寬板輪定位在全能型的輪組。
結論是大概看框高就OK知道屬哪一種。當然有到官網去瀏覽及多爬文也會有收穫。

雷諾官網:http://www.helioser.url.tw/Reynolds/Reynolds-Wheels.htm
賴威官網:http://www.carbonsports.com.tw/
航翔官網:http://www.equinox-bikes.com.tw/03-DM/index-rim.html
Camp網:http://www.colmax.com.tw/Campagnolo-Price.html

慣性與框高的基本概念大致上我就懂這麼多,關於剛性、彈性、強度、耐久性、維修、價格、外觀,或則花鼓、鋼絲之類問題就交給其他高手去造橋鋪路。第20期單車身活 P92有用SRM測板輪的數據,在高低功率測出來的結果有些背離上面的基本觀念,譬如某板輪測出來的數據居然比鋁輪還沒慣性?雜誌本身檢討影響變數可能是輪組尚未磨合、外胎搭配等問題。
理論和現實是有差異的,所以不管理論如何?輪組再好還是要人努力去騎才能發揮效益。


公式演算:

基本形式 I = m r^2
空心圓柱 I =1/2*m*(r1^2+r2^2)
(假設圓柱體全長L,根據轉動慣量公式I=∫r^2*dm。對於一圓柱體來說,dm=r*dr*dθ*ds,所以帶入式中得:I=∫r^3*dr*dθ*ds(其中r的上下限為R1積到R2;θ的上下限為0積到π;s的上下限為0積到L)=(1/2)*π*L*(R2^4-R1^4)=(1/2)*π*L*(R2^2-R1^2)*(R2^2+R1^2)。再利用整個圓柱的體積M=π*R2^2*L-π*R1^2*L=π*L*(R2^-R1^2)代回積分出來的式子可得轉動慣量I=(1/2)*M*(R2^2+R1^2)。)

A、B、C三組輪組半徑皆取32.5cm,A是密封碟輪、B板輪框高4.5cm、C板輪框高9.9cm,代入轉動慣量公式(令三組重量相同為m)可得:

1. 轉動慣量I a = m *(32.5)^2=1056.25m
2. 轉動慣量I b = m/2*(32.5^2+28.0^2)=920.13m(中板輪)
3. 轉動慣量I c = m/2*(32.5^2+22.6^2)=531.51m(大板輪)

依公式可得框高9.9cm板輪慣性較框高4.5cm的板輪……差。但是實際上剛好相反,框高的板輪慣性動量較佳。再假設重量為B輪組1.25Kg、C輪組1.7Kg代入上式,結果仍同框高的板輪慣性動量較佳如下。

1. 轉動慣量I b = m/2*(32.5^2+28.0^2)=920.13×1.25=1150(中板輪)
2. 轉動慣量I c = m/2*(32.5^2+22.6^2)=531.51×1.7=904(大板輪)



文章參考:
以上觀點匯整自同學會、鐵飯糰、01、二輪人……各官網及個人部落格的觀念;因引述資料過於繁雜且非借圖轉貼所以沒事先知會。如果上述的漢克兄、阿汎及suhumi學長…等人(族繁不及備載)不意瞥到小弟引述您的高見,請多包涵。




秋水大大
小弟一早已在您的部落格先睹為快啦…
真是一篇好文
對於觀念的釐清大有助益…
感恩哦…
看來這次秋水兄有做功課,也找到了力學公式~但JAY覺得這公式無法應用在輪組,因為沒辦法考慮不同材質間的力矩&力量傳遞行為,輪組並不是一體式或空心柱,此外鋼絲長度延伸至框身的位置不同力量行為也不同,不同係數材質的傳輸行為也是不一樣,這公式的I無法呈現,最後這個I值,利用現代的工業測量儀器有辦法測量嗎?

所以國外網站在測所謂的轉動慣量並不會是用這種方式說明,所測得的轉動慣量的說明好像也不盡相同,秋水兄用I單位是單位面積重量嗎?國外則用焦耳與瓦特,所以在秋水兄所引述的"至於如果有框很高剛性夠又很輕的框!那並不表示是無敵,雖然平路切風慣性又大,但基於 ” 高轉動慣的輪組不利於坡度不斷變化 ” ,所以不是無敵。"這是有問題的

在複合材料科技發達的現在,已經有高板又輕量的框身出現,外圍配重輕或相對輕,又何來所謂的高轉動慣量?也與前面所述的慣性設計論點相牴觸.框身高且低轉動慣量輪組,現在市面上已經有很多了!

題外話,目前市售輪組中可以最接近I=mr^2行為的大概只有LW與刀輪.碟輪
http://www.xindiancyclist.tw/
小弟的責任是扮演一塊被拋出來的磚,
拋磚引玉引出高手eg401、jay18發言。

想作一個匯整,有任何高見歡迎指正。
了解秋水兄的用心

只是分享之餘能否先過濾掉一些模糊的觀點或進行驗證,或保留疑問與討論的空間,秋水不也用心找出數學公式與推導嗎~以上個人建議

所有論點一次彙整,是要追求正確答案還是在網路世界繼續引發辯論各自表述,值得細細想想
http://www.xindiancyclist.tw/
有數據來說明真的比較能明白..但是奇怪的是為什麼計算的結果出來會是相反呢?
所以只要計算出來的結果再相反就好了嗎? 轉動慣量數值越大越適合爬坡?

以下我挑了四個輪組配合你的公式作計算:
a. Lightweight 970g 53mm
b. Equinox RT-038 1140g 38mm
c. Racing Zero 1465g 26mm
d. AMBROSIO CRONO F20 1400g 13mm

1. 轉動慣量I a = 0.97/2* (32.5^2+27.2^2) = 871 (Lightweight)
2. 轉動慣量I b = 1.14/2* (32.5^2+28.7^2) = 1071 (RT-038)
3. 轉動慣量I c = 1.465/2* (32.5^2+29.9^2) = 1429 (R0)
4. 轉動慣量I d = 1.4/2* (32.5^2+31.2^2) =1421 (F20)

所以爬坡來說: R0 > F20 > RT-038 > LW ?
這公式看起來爬坡輪組的關鍵是在於框高而不是重量!?
如果爬坡的速度很快..那是不是板輪的aero優勢也要考慮進去?
今年阿里山賽第一名王胤之有用板輪..第二名馮俊凱沒用板輪
不知道他們各自的考量在哪?
秋水 wrote:
A、B、C三組輪組半徑皆取32.5cm,A是密封碟輪、B板輪框高4.5cm、C板輪框高9.9cm,代入轉動慣量公式(令三組重量相同為m)可得:

1. 轉動慣量I a = m *(32.5)^2=1056.25m
2. 轉動慣量I b = m/2*(32.5^2+28.0^2)=920.13m(中板輪)
3. 轉動慣量I c = m/2*(32.5^2+22.6^2)=531.51m(大板輪)

依公式可得框高9.9cm板輪慣性較框高4.5cm的板輪……差。但是實際上剛好相反,框高的板輪慣性動量較佳。再假設重量為B輪組1.25Kg、C輪組1.7Kg代入上式,結果仍同框高的板輪慣性動量較佳如下。

1. 轉動慣量I b = m/2*(32.5^2+28.0^2)=920.13×1.25=1150(中板輪)
2. 轉動慣量I c = m/2*(32.5^2+22.6^2)=531.51×1.7=904(大板輪)
所以JAY認為這公式無法反映不同輪組間的結構設計與材料特性,這兩項會影響力量的傳遞行為

這公式可以讓大家了解基本的物理概念,但輪組的行為與框深鋼絲花鼓的搭配複雜許多,所以這數值也不會出現在各輪組大廠商的"規格"表中,又如何去用作性能或用途的展現或比較

一樣都是用數值表現,但國外用了不同的觀念角度切入,值得參考,這觀念在單車身活中已可約略見到

轉動慣量越小越利於爬坡,踩踏所需的輸出功率也越小,與框身尺寸無絕對關係
http://www.xindiancyclist.tw/
oitsf_oitsf wrote:
今年阿里山賽第一名王胤之有用板輪..第二名馮俊凱沒用板輪
不知道他們各自的考量在哪?...(恕刪)



說真的我覺得訓練腳力才是決勝的關健~

如果有人拿LEW給我用我也無法騎贏他們兩位阿~

http://www.wretch.cc/blog/ab823004
嗯嗯..我知道腳力強才是最重要的
只是想了解相同腳力換上不同配備後的差異值
去比賽只是玩票性質啦..有幸能看到那些菁英就很開心了
從沒想過要跟他們比
KIDD0808 wrote:
說真的我覺得訓練腳力才是決勝的關健~
如果有人拿LEW給我用我也無法騎贏他們兩位阿~
假設輪圈重量一樣,高框版輪算出來的轉動慣量較低,這是正確的。
因為你用的公式前提是重量均勻分佈在輪圈上,所以框高較低而重量
一樣的時候,輪框高度中心線距圓心較遠,轉動慣量自然就高。
而使用一樣材料不同框高的版輪,自然是高框的較重,轉動慣量較大。
所以引用計算公式的時候請搞清楚基本假設狀況。

輪組不會故意去追求高轉動慣量,高轉動慣量是為了減低空氣阻力而
產生的副作用
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