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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: 22685| |来自: 700bike | 去自行车论坛逛逛

  对于早期的卡式散珠花鼓而言,左右轴承的支撑点往往相隔比较远,很接近叉钩的位置,并且轴心是钢质的,设计上具有相当大的冗余度,因此人们很少去担心其强度和寿命。

  Figure 1 一个典型的shimano滚珠花鼓,其右侧支撑轴承放在了塔基的右侧,轴壳通过一个钢质或钛质(XTR和DURA-ACE级别)的支撑壳体传递受力到轴承上。

  在这种结构中,右侧的支撑力和来自塔基的驱动力都是通过同一个部件,即整合在塔基系统内部的支撑壳体(图中的support hull部件),来传递到轴壳上的。因为塔基内部空间狭小,在这个支撑壳体的外侧必须容纳整个棘轮系统以及塔基轴承,限制了其厚度,因此只能使用钢材或者钛合金来制作,难以削减重量。

  为了简化结构、削减重量,现在的大多数花鼓都改为使用了一个相当简单的结构,即取消支撑壳体,而直接把右侧支撑轴承放置在轴壳右侧。

  Figure 2 支撑结构简化后的花鼓——可以看到右侧轴承如此靠近中心线,以至于其承受了9成以上的载荷。

  使用了这种结构的花鼓轻而易举地获得了巨大的优势,结构非常的简单,并且还能全部使用易于加工的铝材来制作,其设计和生产变得如此的缺乏技术含量,以至在中国一大堆看上去长得几乎一模一样的花鼓如雨后春笋般冒出来。另一方面,结构的简化也促使花鼓系统轻易地突破了重量的下限,低于200克一对的花鼓已不再是什么难事,而来自于美国的dash公司甚至造出了前后仅为30/84克的难以置信的花鼓!

  Figure 3 难以置信的轻量化——一对重量仅为114g的dash花鼓。

  除了简化结构,削减花鼓的重量还可以通过使用更薄(小)的轴承来达成。

Figure 4 常用轴承的规格

  从上面的表格可以看到,使用更薄(小)的轴承的减重效果简直就是立竿见影,相比较而言,要从轴壳或者塔基上挖掉一些重量就困难多了。

  但是,这两种减重方式在本质上是互相抵触的。省略掉了支撑壳体的花鼓,其右侧轴承是如此的靠近中心线,以至于其承受了8-9成的载荷。而轴心也几乎处于最恶劣的受力状况下。

  Figure 5 轴壳两侧轴承的受力必须满足总和等于总载荷、相对于花鼓中心点的合力矩为零这两个条件。这意味着右侧轴承越靠近中心线,其承担的载荷就越大。

  Figure 6 将花鼓轴心简化看作点受力的简支梁,其最大弯矩即发生在载荷加载处, ,可以看出当P在中心时梁的弯矩最大。

  Figure 7 点受力的状况下,挠度(图中的y值)在中心点取得最大值。 ,易知当P在中心时(即a=b时)挠度最大。

  因此,厂家不得不使用更厚或更粗的轴心来满足强度以及刚性的要求。这也是为什么近年来花鼓轴心越做越粗的原因,12mm口径的轴心已经过时了,15、17mm口径的轴心变得相当常见,更有甚者,fulcrum在他们的山地轮组上使用了20mm的轴心!而在轴承普遍都是分置两侧的年代,轴心的直径仅仅是10mm,直接贯穿整个花鼓,但是却没有人担忧过它们的强度。与其说这是一种进步,还不如说这是为了轻量化而不得不付出的代价。

  Figure 8 早期的花鼓轴心通常都是一根轴心贯穿全轴,并且口径统一为前9mm后10mm。而叉钩的卡槽口径也是这个数字。过去的车架规格制定者们也许没有想到现代的花鼓会面临这么严重的强度问题吧:D

  Figure 9 20mm的轴心?我可没觉得这有什么值得宣扬的。


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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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