自行车车架刚性：多面剖析与性能平衡之道|刚性|截面|曲柄|自行车|车架|车轮

当自行车厂家推出新型号时，常常会着重强调新款在刚性、重量、舒适度或空气动力学性能方面有所提升。在这些参数里，刚性备受瞩目，因为它是确保自行车力学传递高效的关键要素。不过，刚性这一宽泛概念背后实则蕴含诸多细节。

在厂家为促销而罗列的众多卖点中，“增加刚性” 频繁出现。这其实是一个常被提及却鲜为人知其真正内涵的参数。实际上，如同自行车重量一样，很多人都高估了刚性增加所带来的作用，而且刚性并非越强越好。

一、何为刚性

在深入剖析该参数含义前，首先得明确刚性的定义。依据工程学常用定义，刚性是指结构元件（就自行车而言即车架）抵抗外力作用而产生形变的能力。这便是为何提及刚性时，多数人会立刻联想到踩踏踏板时施加的力，以及每次踩踏时车架侧向变形的程度。

然而，这仅仅是影响车架的力之一。像过弯时的离心力、对路面凸起的反应，以及道路上其他不规则路面冲击等力，往往被人们所忽视。开发自行车的工程师必须综合考量这些方面，如此才能打造出既具备强大刚性输出，又有恰当冲击吸收能力，同时还尽可能轻盈的自行车。所以，探讨车架刚性时，需对车架不同区域进行评估，这样便会发现此参数饶有趣味。

简单来讲，实现超高刚性并非难事，只需堆砌材料即可。倘若原材料抗拉伸强度足够大，就能构建出更坚固的结构。除材料外，管材横截面也极为关键，横截面越大，刚性越强，不过随之而来的副作用便是重量增加。碳纤维排列同样至关重要。当下主流方式是采用单向纤维的不同排布，单向纤维在排列方向刚性高，而垂直于纤维方向刚性小。这使得工程师能够依据每块纤维布的定位方式，在车架不同区域实现相应用途。要达成完美搭配，需进行极为复杂的计算工作。幸运的是，21 世纪的工程师借助有限元分析软件（FEA）在高性能计算机上完成此项任务。工程师们可利用该软件生成数百个虚拟车架，并模拟它们对不同外力的响应情况。车架设计旨在实现平衡，仅在需要刚性之处提升刚性。为此，我们在自行车车架中定义了几种刚性类型。

二、硬朗踩踏 —— 侧向刚性

首先，我们通常最为关注的指标是侧向刚性。厂家在实验室中通过在五通施加负载来模拟踩踏力，以此测量该参数。此刚性主要衡量每次腿部踩下曲柄时五通区域的形变程度。有趣的是，侧向刚性越高越好，因为通过最小化横向位移，可使我们产生的矢量力最大限度地向后轮传递。

此外，后三角也需足够坚硬，以防链条传递力至后部时产生形变。这是自行车评测者评估车辆急加速难易程度的参数，尤其受爬坡车手和冲刺车手重视，他们期望自行车在进攻或大集团冲刺时仍能全力输出。不过，在巡航速度下，市面上多数车架都具备较高的踩踏效率，因为功率输出更为平稳，与普通爱好者的输出差距不大。

为实现高五通侧向刚性，厂家不断选用更宽的五通和 30mm 的曲柄组。后下叉通常较为粗壮，特别是其侧面，但为保证后轮兼容性不会过度加粗。五通和后下叉常采用不对称设计，以平衡驱动侧与非驱动侧不同力的响应。此外，不同的碳布排列也能最大程度优化该效果。

三、精准操控 —— 扭转刚性

一个更为关键却鲜被提及的参数是扭转刚性，它界定了车架在不同力作用下的扭曲程度。这种扭转会影响前后车轮的对齐，进而对自行车操控性产生显著影响，尤其在过弯时。高速过弯时，自行车向弯内施加向心力产生离心力，使我们有向外运动的趋势。由于前叉与后三角结构差异，前后车轮受力不同，从而导致车轮在行驶线路上出现错位。

对骑行者而言，会感觉操控不够精准。即当骑行者如用画笔在弯道绘制行车线时，自行车反馈不够紧致。相反，若车辆在此参数上表现卓越，不仅易于绘制曲线，而且只需简单操作就能将车指向弯心，切过弯心后能以均匀渐进的方式回正纵向压弯角度，在过弯线路中突然改变车头方向时反应也更快，总体而言整个过弯操控会变得轻快直接，无刚性差的车型的迟钝感。

为防止车架易扭曲，厂家通常会对叉身进行补强，并采用更大尺寸的舵管。事实上，碗组轴承逐年增大，已从传统 1 英寸发展到如今下碗常用的 1.5 英寸轴承。这也是自行车下管截面通常最宽大的原因，因为它是车架结构的主要支撑部分。但还有一方面需考虑，即侧向刚性与扭转刚性必须相互平衡，车架才能在无妥协的情况下发挥最佳性能。另外，路面不平整时，前后轴侧向刚性过强会使自行车骑行困难，因每次路面冲击后都会产生反弹。所以需考量的因素众多。

四、平顺前行 —— 垂直刚性

若说前面几点旨在实现最强刚性，那么在垂直平面内则恰恰相反：需有一定刚性以避免弹跳效应，但同时要有足够形变能力来化解路面不规则性。这是一个极难调校的参数，因它受骑手体重影响，而自行车设计需兼顾各类车手。当然，如今可通过对车手大数据分析，推断出特定尺码车手的平均身材，从而使工程师能更精准地调整此参数。

通常，与侧向刚性类似，车架管型截面与碳布排列对垂直刚性影响显著。对垂直刚性的调校力求在不影响侧向刚性的前提下，实现吸振能力与传力效率的完美平衡。垂直刚性通常会影响空气动力学性能，因为气动管型会增大垂直截面从而增加垂直刚性，而在水平截面上变小会影响侧向刚性，这与车架追求的目标相悖。解决此难题通常依靠截背型虚拟尾翼管型并增加管型水平截面积，但这会对重量与空气动力学性能产生影响。

五、自行车刚性不当的情况

如前文所述，若仅看重刚性绝对值，利用现代材料打造无比坚硬的自行车轻而易举。但很少有人能在这样的车上坚持骑行一小时以上，这不仅因为路面变化会迅速震伤手臂与背部，还因对微小操作反应过快，使骑行者时刻处于紧张状态。

历史上曾有过这类自行车。它们在初次踩踏尤其是加速时感觉很棒，但很快就会暴露出不实用性。随着骑行里程增加，对骑行者的伤害远大于益处，在下坡弯道处，除了给予过度的过弯信心外，并无其他积极反馈。大家应该还记得 21 世纪初流行的全铝合金竞赛车型，可谓 “简单粗暴，只追求速度”。