对车架几何角度的思考和应用

1、作者：疯来疯去哪怕仅仅是入门级别，我们都可以感觉到，不同的自行车的骑乘感觉差别很大.昨天，试骑UCC变形金刚2.0的时候，让我又一次感觉到这一点，我相信这是一辆非常好的车，但是仍然不适合我，不适合我对自行车的运动强度和操控性要求。骑乘感觉，对任何一个业余骑车的人，最大的差别就是重心的问题，很明显，公主车就是重心在后，山地车重心就靠前。还有就是旅行车重心也在后，且比较高，而公路车的重心肯定就很低。这里所说的重心，不是自行车的重心，而是骑乘者的重心，也就是骑乘的姿势。这些，即使是我们入门级别的人，也能最明显感觉到。不同的姿势，不仅仅是舒服程度的问题，也决定了你对自行车使用的方式，如果仅仅是短途上下

2、班或者去买菜的，我根本不需要重心太靠前的这种姿势，一辆公主车或者老款的金鹿、飞鸽、凤凰、永久这类车就差不多了。我只需要走公路，那一个硬叉不仅便宜，省力，还让整车的重量大为减少。如果需要良好的操控性，希望能灵活，可控，常规的山地车还是最好的。那么我们仔细看这些车架的差别，不管车架中间是如何连接的，我们不需要去关心，我们只需要去考察接触点的位置关系，这几个接触点包括前后轮中轴接触点，五通中心（也就是BB轴，装牙盘中轴的那个地方），坐垫、碗组（决定了把手的位置），这些位置关系直接影响的就是骑乘的感觉。当然还有一些细节也能影响骑乘感觉，在某些言论中我曾经见过，但是，那些都一直拿专业说事，我觉得有点夸大

3、其词。车子本身的重心肯定也能影响骑乘感觉，车子的材质也能多少影响到骑乘感觉，这些我们可以感觉到，但并不是很重要，也不是我们研究车架几何角度的考虑范畴，曲柄长度、横把长度和高度这些也不属于车架几何的考虑范围，所以，对我们从零开始了解车架结构，五个接触点的位置就是研究车架骑乘感觉的全部内容。先考虑第一个问题，为什么要研究车架的几何角度，首先对我来说是一个很大的乐趣，我希望能够玩转自行车，能够灵活自如的去判断和选择各种车架，为朋友去组装合适的单车。其次，任何一辆自行车，我们已经不把它作为一种交通工具了，而严格来说是一个运动器械或者玩具，我们希望能够玩得开心、舒服、安全，就像打球，羽球专业场地里面也是

4、打，楼下拐角、操场、马路边也是打，为什么大家都希望场地里打，玩得就是一个兴趣和技术。我们要把对一个事物的认知程度深入下去，这是人类的本能，也是前进的动力。第三就是更好的符合我们的需要，一般大家关心的是各种配件的级别，前叉的价格、整车的颜色搭配等问题，其实，车架更能决定自行车的整体性能。我们举个例子来说明这个问题，长途旅行，是很多玩自行车的车友共同关心和追求的，那么一辆长途车可能就是最好的选择，但是为什么要选择长途车，长途车有哪些具体的好处，大家就未必能够理解透彻。长途车为了能够整天骑乘，必须要舒服，同时也为了能够观看风景，更加重视直腰骑车，所以长途车的把横和车座之间举例较近，位置偏后一点。但是

5、，我们也知道，这样姿势非常不利于爬坡，不利于发力，前轮遇到障碍的时候，容易翘起来。那么，解决的办法就是尽可能在直立骑乘的时候，让骑乘者整个人尽可能向前坐一点点。当然，这个受制于车架的各种位置关系，不可能说怎样移就怎样移，但是至少我们有一个调整的方向和意图。另外，因为重心靠后，再加上长途旅行往往要带很多行李，驮包放在后座上，这样后面的重量就更大了，前轮在这种情况下容易摇摆，操控性太差，所以，部分长途旅行车又会考虑把部分货物放在前轮，把人和车总体的重心向前拉，但是，这个前货包的重量是有限度的，为什么，大家可以感觉到，车头太重，又不利于车把灵活，想想我们骑公主车的时候，前面的篮筐装满东西，转弯的时候

6、感觉到什么？所以，长途车前面放的东西也不能太重。我经常带女儿去中心湖转圈，我女儿的baby座椅是放在后座上，所以，出去骑车的时候，因为后座偏重而不易控制，有几次差点摔倒，所以，为了纠正这个问题，故意去买了一个车头包，放在车头压一下重量，水壶一般我也不放在水壶架上，而是放在车头，这也是对整车力学平衡问题的一个应用。第四个原因还是安全，是自身健康范畴上说的安全，男士骑车姿势不对以及没有防护或者时间过久等情况下，可能会生育有影响；腰椎间盘突出的病人，不适合山地车，更不适合公路车；部分肩颈的疾病，也可能因为劳损的问题，不适合公路车；膝关节有问题的，特别是退行性的或者髌骨软化的疾病，因为公主车不可能把下

7、肢完全伸直，所以可能不适合公主车。这些问题，也是我们选择一辆车的时候，要考虑到的。在正式开始研究车架的几何角度的时候，也不得不提到一点，对车架几何角度的思考，涉及到很多物理的常识和对力学感觉，所以，为了能够让更多人读懂，下面就尽可能浅显一点去说明。实在不懂的，可以到我们大学城中二横路的绿野车踪的车店当面交流。还有一点就是这些几何角度，都是相互影响的，理解起来可能也真的有些困难，只能尽量去表达了。（待续）如图，车架一般是指图中ADFG这个四边形，这四个点直接决定了ABCDE这五个点的位置，如上文所言，这五个点是影响骑乘感觉和整车性能的主要原因。先说的就是AB两点之间的这个坐管（也叫竖管），车架尺

8、寸都是通过它来计算，大家对坐管也不陌生了，坐管向后的倾斜度是我们研究车架几何问题的第一个着眼点，它对于我们理解整个车架都会有帮助，首先，我们考虑为什么不把坐管做成垂直地面的角度？这个原因很多，如果你能点出来，基本上就理解了这个倾角的意义。首先两个轮子的距离我们叫它轮距或者叫轴距，骑车的时候，人的重心的前后位置直接影响到操控性，如果坐管做成垂直的，整个重心就会偏前，另外，车把也会随着偏前，否则就容易蹬踏的时候碰到膝盖，所以，不可取，那如果我把前轮往前放，不是也可以解决问题吗？是的，但是这样的话，轮距变大了，整个自行车变大了，太大的车，可能增强了稳定性，但是欠缺灵活的，重量也会增加，通过性也会降低

9、。当通过障碍物的时候，因为轮距太长，两个轮子中间的障碍可能就会碰到牙盘和脚踏。所以，必须要有一个坐管倾角，使重心向后移一点。说到这里，你们会看到这些关系很复杂，其实，自行车的车架设计就是这样，牵一发而动全身，任何一个地方的改动，都要涉及到其它尺度的调整，进而影响到自行车骑乘各个方面的感觉。车架的设计要考虑上坡、下坡、体重的前后轮分配、前叉的减震缓冲性能、通过性、转弯的稳定性、整车直行的稳定性、整车颠簸的程度等等很多复杂的问题。这些大家慢慢了解吧。再看坐管倾角设计的第二个原因：我们骑车的时候，坐垫、碗组、五通三点之间要有个比例关系，碗组（头管顶端）和五通之间的距离是固定的，而坐垫的高度可调，所以

10、当一个高大的人骑车的时候，坐垫一旦拉高，应该使得坐垫与碗组之间的距离也同样增高，否则，不符合上下肢长度的比例，手臂会因此弯曲过大而不舒服。关于这个原因，其实又包含了深层次的原因，可以专列出来申报一个课题了。看起来并不复杂的图形，但这个的确是一个非常复杂的几何题目，我们就不去太严谨的说明每一个细节了。第三个原因，骑车的过程涉及到两个主要关节的运动，一个是髋关节，一个是膝关节，在运动医学和生物力学上，人体的关节最适合的发力姿势和最舒服的姿势并不是直立的姿势，膝关节在呈135的时候，是膝关节最放松的姿势，很多膝关节的疾病要求膝关节要处于这个姿势来促进膝关节疾病的康复，同时，股四头肌也是在大概这个位置

11、的时候，比较适合发力。对于髋关节也是如此，最适合髋关节发力的姿势大致也是躯干与下肢呈一定角度的时候，例如直立式起跑的跑步中，运动员都会不自觉的弯腰做好起跑姿势，而没有人站直了准备起跑。所以，在车架设计中，ABC三点的相对位置关系和长度是决定骑乘感觉的重要因素，如果坐管直立，BAD=90的时候，髋关节呈现的夹角就会偏小，舒适度大受影响。第四个原因不仅仅是与几何关系有关，在骑车的过程中，有一个隐含的规律，我们要在向下蹬踏的过程中，利用好自己的重量，联想一下蹬踏的过程，当曲柄与坐管之间是零度的夹角的时候，也就是当膝关节弯曲最大的时候，我们是没有办法发力的，当曲柄与坐管之间是180度夹角的时候，也就是

12、当膝关节基本伸直的时候，我们也是无法发力，只有当在这两个阶段的中间，也就是曲柄垂直于坐管的时候，是力臂最大的时候，这个时候的发力最有效，但是这个点与我们最适合发力的点其实不是一个点，这个点应该在曲柄AI处于水平位置的时候，因为踩踏过程的复杂性和重心的轻微移动，这些都不是绝对的，只能大致说，踩踏过程中适合发力的范围基本上在HAI之间，这个角大约在15到20之间。车架的设计就是要在人体最适合发力的姿势与车架最适合发力的角度尽可能大范围重合。其实，到现在为止我们已经不是在分析坐管角度了，我们已经从更多的角度去认识车架设计相关的力学问题，力学在车架设计中占有很重要的作用，除此之外有结合了人体的生物力学

13、和运动医学等多种学科，问题研究起来非常复杂，而且必须理论与实践相结合。有很多东西是自行车车架设计中不可更改的，例如DE之间的轴距，曲柄的长度等等，这些数字甚至不可更改，而这样重要的数据其实不一定是理论分析得来的，而是实践的经验。我们有时很难分析起身摇车的时候力学的问题以及手提拉车头对踩踏的辅助作用这些小小的细节。（待续）车架在设计的过程中，肯定要考虑两种最常见的情况，一种是上坡，一种是下坡，攀爬车和速降车车架必须适合于其特定的用途，车架设计肯定差别巨大。而常规的山地车虽然看起来都差不多，但是肯定也各有其特点。多数情况下，山地车架也是在考虑上坡和下坡的时候折中考虑。因此，这次我们从上下坡入手，去

14、了解车架设计。先说爬坡，爬坡是入门的基本技术，懂得这个技术不需要太大力就能上的坡，对于光靠蛮力的人来说就往往上不去。爬坡的时候有一对矛盾，在用力踩踏的时候，存在一个手臂拉动车把的力，这个力可能会使得前轮翘起。如果爬坡时骑士站立起来（这是爬坡的常规动作），把重心压在前轮上，避免前轮翘起，那这样又会导致后轮与地面的摩擦力减少，发生后轮打滑。所以，我们为了避免前轮翘起而站立踩车，又怕重心靠前以后后轮打滑，不知道应该如何去做。实际上，懂得这个矛盾，也就基本上懂得了爬坡的技术要领，要注意两点：一个是不能用力提拉车把，另一个是踩踏速度要均匀，不能晃动发力。至于是不是站立起来，要看实际情况，一般情况下还是要

15、站立起来的。另外对于一些比较滑的坡，上坡之前先加大速度，靠惯性往上冲，也是必要的，这就需要变速的时机要准确，变速的幅度要合理。如图：再看下坡的情况，下坡最怕的就是前轮遇到阻力或者改变前进的方向，导致骑士向前冲出。这个原因很好理解，主要就是重心靠前，导致后轮分配的向下的压力太小，另外一个就是前叉失去了角度，导致地面对前轮的阻力力臂变长了。如图所示：那么，根据上下坡出现的问题，如何去设计车架使得尽可能避免以上问题呢？对上坡来说，重心要靠前，而对下坡来说，肯定希望重心偏后，这两点是矛盾的，所以，车架设计中，前后轮的重量的分配只能按经验来折中。重心的位置主要是通过坐管倾角来实现的，一般来说，DAF约大，重心越靠前，重心也越低，此时为了保持合理的总轮距，同时缩小后下叉AD的长度，较短的后下叉也能把重心稍微向后轮移动。所以，往往是坐管越直，后下叉越短。不管对于上坡还是下坡，重心降低都是需要的，一般来说车和人的重心与前后轮轴DE之间形成的三角形能够决定整车的稳定性，重心越低（三角形底边的两个角越小），整车稳定性越好，但是，在平路的骑行过程中，为了更好发力，车座又必须固定在比较高的位置。所以，冲山时，还是要把车座调低一点。头管角度的设计，在上坡的过程中没有太大的要求，在下坡的过程中，要求尽可能大的头管角度，这个头管角度就是AGE，大的头管角度会使得下坡更加稳定。而且可以抵消坡度的倾角，不容易发