2009/03/08

輪組的構成組件簡介 - 幅條

        先前介紹了花轂輪圈之後,接下來就要開始介紹鋼絲(幅條 spoke:為了合併說法,本敘述以下"煩稱"鋼絲幅條。)了。為什麼這一部份要放在最後來講,因為在鋼絲幅條的部分牽涉到的編輪,大概就在這一部份來講述。本篇不會著重在編法的敘述,各種不同的編法,在很多編輪教室的講述已經很詳細了,而且在坊間的輪組來說,也不過有所謂的最常見cross 3(三交叉)編法。其實編輪組講穿了就不難,重點是有些"媒角"要記得不能"漏鉤"。
        實際上,高頡除了販賣手編輪組,如果買家有興趣,我也可以當場教你自己編......編輪子手續很麻煩,我倒是比較喜歡"調輪組",不喜歡"編輪組"。像是20"的輪組要搞交叉的話,就要先全部把鋼絲穿過花轂並排列好、再來編,不然短鋼絲彈性沒那麼好,光是鋼絲自己卡來卡去你就會發瘋的!何況交叉編又要穿來穿去......細心地編一組輪,全程讓你欣賞都沒有關係......(但我比較希望是女孩子在旁陪......但我家黃小真不知道願不願意倒是.......)。回歸正題,其實Spoke不應該叫做"鋼絲",而是要叫做"幅條"。只是因為一般我們看到自行車的幅條都是鋼絲比較普遍。高級一點的話有鈦合金、碳纖維材質的。





        依照這一個主題,其實會牽涉到機械的材料學、幾何力學。輪組的編輪學問,其實只是機械學理的一小小部分而已,對於這一點,不知道有沒有人會很自恃甚高地反對我的說法......坊間說的編輪師傅,其實就是我們常說的"黑手"角色,依靠多年的編輪經驗來完成輪組的工作,但是實際上黑手不一定懂機械原理,所以你問他問題他也不一定說不出個所以然!?但是經驗的確可以完成一個完美的輪組,但是如果懂得學理,要懂得累積經驗的時間就可以縮短很多。甚至還有很多"眉角"變成不是規矩,而是一種要訣,這兩種意義是不一樣的!我們先來瞭解幅條的製作過程吧!簡單的來說,一般自行車幅條的原料就是鋼絲啦!

        從半成品的鋼絲進到工廠加工成幅條,這一個程序會經過好幾道加工,簡單可以一兩台機器完成,複雜還要包含熱處理、上烤漆.......高頡在小時候時曾經在螺絲、鐵釘工廠當過計時童工,其實自行車幅條的作法跟一些螺絲、鐵釘作法有點相似,而實際上,自行車幅條的幾何外觀跟有螺紋的鐵釘還真的是長得一個樣。原料半成品的鋼絲(Stainless Steel Wire)其實在進工廠前是一捆一捆的鐵線(捆成一圈一圈的,如以下圖示)。然後依照規範的長度先經過"拉直"(straightening)、"裁切"(cutting)成一條細長的鋼絲線材。
  

 

        把成捆的鋼絲裁剪好成需要的鋼絲長度幾何形狀就會如下圖所示:



        如果沒有經過抽擠(Butted)就是標準鋼絲,?抽的加工法,是將標準鋼絲經過滾扎、抽擠的動作將鋼絲滾細(冷鍛工法),變細的部分強度會比原本的還要強!

        然後經過打頭的動作,這個動作的頭就是花轂端的頭部,一般來說,這個加工法應該會使得頭的強度變高,因為打過的頭會比較密實。不過有些鋼絲的處理並非是經過打頭,而是一開始就已經是鑄造頭了。



        然後再將鋼絲彎頭(Bending),這一個動作其實會在鋼絲頭部產生內部應力的殘留,所以高級的鋼絲會在後處理加一道金屬熱處理       



        最後再經過滾扎方式將材料滾扎出螺紋,這樣的螺紋強度會比原本的母材還要強。不像是車螺紋是削去一部份母材,強度會變差。



        每一種加工方式可能依照不同等級的幅條會有不同的作法,不過最大的差別會反映在成本上面。抽鋼絲的程序上會比較費時、費工(不過也是機器去滾的啦!叫做冷鍛啦~)但是時間與機器成本會高許多。如果不是經過打頭而是一開始就是鑄造頭,那可能還要經過另一個加工廠......而為了不同鋼絲長度的需求,可能上烤漆會變成前一個步驟,然後依照不同的長度去裁切必要的長度、再滾出螺紋喔!

        標準鋼絲的規格如下圖所示:大部分購買鋼絲時的規範有如圖所示的A(彎頭角度)、dio(鋼絲直徑)、L(鋼絲長度)和T(螺紋長度)等規格。台灣講的鋼絲直徑是採美/英制的號數,由於每個地方的號數對應到的實際直徑不一(法制號數比較小),所以ISO已經統一規範直接講公制單位:millimeter(mm亦即公釐) ,一公分等於10公釐喔!所以去購買鋼絲時,說的號數對應如13號 = 2.3 mm、14號 = 2.0 mm、15號 = 1.8 mm、16號 = 1.6 mm、17號 = 1.4 mm......




         以台灣廠商,中南標準鋼絲來說,就是型號MAC14,也是從頭到尾直徑均是2.0mm長度的鋼絲,號數即是為14號,也就是一般的標準鋼絲。

       
        單抽鋼絲,就是以冷鍛的方式將中間部分下圖即是中南單抽鋼絲(Single Butted)的規格,在強度上的意義,2.3的一般標準鋼絲冷鍛成2.3-2.0的單抽鋼絲,鋼絲的抗拉伸強度會變高。在相同直徑、長度的情況下,有經過"抽"的鋼絲強度會比較高。一般來說,採單抽的目的就是要增加強度

     

        雙抽鋼絲,就是將中間部分滾成較細的鋼絲,下圖即是中南雙抽鋼絲(Double Butted)的規格,兩邊直徑相同,中間比較細!這樣的鋼絲因為中間較細,可以得到比較高的強度,整個彈性曲線除了增加、應力-應變斜率會低一點,這也表示採用雙抽鋼絲的目的,是為了比標準鋼絲強度高,也增加彈性需求




        另外還有三抽鋼絲,等於做了兩次冷鍛過程,2.3的標準鋼絲先製成2.3-2.0的高強度單抽鋼絲,然後再將2.0的腰部和尾部製成1.8-2.0的高彈性鋼絲,完成2.3-1.8-2.0的三抽鋼絲,下圖即是中南三抽鋼絲(Triple Butted)的規格,直徑上會有三個不同的規格,不過樣子就跟雙抽一樣中間比較細,可以兼具單抽的強度、雙抽的彈性性能。       

 

        總歸一句,冷鍛會讓鋼絲強度增強(如沖壓製程,讓工件強度變高道理相同),讓在達到相同強度的鋼絲條件下,更具有輕量化的優勢、高彈性的性能。所以才會有所謂的單抽、雙抽、三抽規格。一般小摺車、便宜登山車公路車的輪組大部分都適用標準鋼絲,主要是為了節省成本,因為經過冷鍛的製程,製作成本較高(鍛造壓力輸出大、模具成本高、生產工時長),價格可是倍數成長......

        談完鋼絲幅條.......(黃小真:『你扁鋼絲和碳纖、鈦鋼絲沒有說!』高頡:一般用以上說的鋼絲就太高級了,而且在於競速和超高級的材料上就不加以"簡介"了!價格也很高呀!不要小看鋼絲,雙抽價格比一般貴一倍,扁鋼絲又比雙抽貴一倍以上,我組了一車單抽強化鋼絲成本就增加了一千元......一般消費者也會受不了啦!)來補充一下spoke nipple(wiki 解釋),中文怎麼說呢?我覺得是"幅條螺帽"(不會要我翻譯成"乳頭"吧!黃小真:『你這變態~』),為什麼我會說這只是機械學問中的一部份而已呢?你看看,這不就是等於我們平常看到的螺絲和螺帽嗎?只是變種在自行車上而已呀!一般我們常見的是銅頭,但也有鋁頭,鋁頭可以製程陽極彩色頭,視覺變化比較多,銅頭的話以烤漆為主。你看看一般規格如下所示:一般規格講得就是號數和長度。等同於鋼絲幅條的號數(Gauge), 13G (2.3mm)、14G (2.0mm) 、15G (1.8mm)........類推。長度如尺寸圖下方所示,不同的長度(L)的長相!選擇正確的號數和適當的長度,比什麼都還要重要喔!




        下圖左邊是銅頭,右邊彩色的鋁頭(合金鋁)。一般而言,鋁頭的質地比銅頭硬,但是它的質地就比較於銅頭硬、脆(也沒想像中那麼脆啦!),畢竟都是經過冷鍛處理,強度都很夠了!我相信有些人會覺得會有差,但是......這是比較級,畢竟太差的鋁頭和有品質的鋁頭也是有比較級呀!一般人看不出好壞......就是用了才知道爛的(沒出事也不會說是好的),我相信沒有一台飛機敢說它為了耐操,用合金銅或鋼去打造啦!但是失事掉下來怪到鋁材料頭上了~一般編輪只要要訣是對的,取的材料是有品質的,出問題的狀況就會比較少。基本上誰能肯定鋁頭一定會以問題?銅頭一定沒有問題?以上是哈啦~




        說到正題,為了確保nipple的正常運作,我們採單、雙抽鋼絲有彩色鋁頭,這樣的彈性配合,可以比一般鋼絲去搭配來得好(也耐用)。再來就是自己可以檢查的,幅條螺帽上的紋路有一定的規格,編輪時一定要確保鎖入完全的紋路至幅條尾部至少切平螺帽,再來就次探討一下在某論壇裡曾經有案例鋁頭破裂的狀況,其實在總總原因中,會摻雜很多因素,為了要解決、預防預想會發生的後果,其實有一些"眉角",別想說那些多年經驗的人是否真的瞭解,不過稍有一點機械概念的人都可以懂這些道理,如下圖所式(sapim nipple),其實鋁頭很堅固的,重點在於他受不了側向力(厚度不厚),所以我質疑的是會發生問題是編輪技巧有問題。一旦鋼絲張力不均、側向力過大就會使得鋁頭在折彎處產生應力集中的問題,就會破裂。所以要確保鋁頭在輪框上的角度,盡量讓幅條鋼絲與鋁頭成直線。鋼絲幅條、幅條螺帽的長度一定要適中、尺寸也要正確符合才是。





        幅條是連結花轂與輪圈主要部件,負責傳遞來自花轂的傳動趨力使輪圈轉動。在力學上,以微觀來看待輪組上的兩種形式幅條,當花轂因受來自鍊條帶動、透過飛輪、將踩踏力道轉換成轉動力道,透過鋼絲幅條拉動輪圈轉動,這一根鋼絲有人稱"後拉鋼絲"或"驅動鋼絲"(Driving Spokes),另一種是剛好是相反得力道,煞車時,煞車夾器夾住輪圈,使得旋轉力道會透過鋼絲制動花轂停止轉動,這時候具有拉力的鋼絲會跟驅動鋼絲剛好成相反方向傳導煞車力,所以也稱為"前拉鋼絲"或"煞車鋼絲"(Breaking Spokes)。這兩種鋼絲幅條型態會牽動整個傳動系統的效能。

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