# 轮胎、轮组与传动系统工程 · 铁人三项, 等级8：专家

铁人三项 · 等级8：专家 · Insporta Book (https://book.insporta.app/zh/triathlon/level-8/tyres-wheels-and-drivetrain-engineering/)

轮胎、轮组与传动系统工程: 100条事实, 10项测试.

把功率转化为速度的工程：数字中的滚动阻力、气压与振动、轮胎构造与尺寸、轮圈与轮胎形状、轮组空气动力学、链条与润滑、变速与导轮、曲柄与蹬踏力学、制动物理与车架材料。

## 测试 1: 数字中的滚动阻力

- Crr是一个无量纲比值：阻力等于Crr乘以法向载荷（质量 × g）。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 优质的比赛用开口胎和无内胎轮胎，在光滑的滚筒和路面上测得的数值约为0.003—0.004。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 0.004 × 80 × 9.81 × 11.1米/秒约为35瓦。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 0.001 × 80 × 9.81 × 11.1约为8.7瓦，这就是轮胎选择如此重要的原因。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 由于阻力 = Crr × 载荷，体重更大的骑行者和自行车要按比例承受更多滚动阻力。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 路面粗糙会使轮胎和自行车颠簸，增加光滑滚筒测试无法反映的能量损失。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 橡胶的滞后损耗通常随升温而减小，因此同一条轮胎在温暖的日子里测得更快。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 在40公里/小时下，空气阻力功率通常为几百瓦，而滚动阻力功率只有几十瓦。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 空气阻力功率随速度的三次方下降，而滚动阻力功率只是线性下降，因此在低速时滚动阻力的分量变大。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 钢制滚筒光滑且有弧度，所以绝对数值与道路上的不同，不过轮胎的排名通常不变。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)

## 测试 2: 胎压、阻抗与振动

- 传入自行车和骑行者的振动，会在身体和部件中以热量形式耗散。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 低于临界点时，气压越高损耗越低；高于临界点后，不断增加的振动损耗会使轮胎在真实路面上变慢。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 路面越粗糙，临界点越低，因此最快的气压也随之下降。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 软组织会衰减振动，把机械能转化为热量，而不是向前的运动。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- Frank Berto建议采用能使轮胎在骑行者体重下压缩约15%自身高度的气压。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 形变取决于载荷和气压，因此载荷越大，需要越高的气压才能保持相同的形状。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 更大的容积和接触宽度，使更宽的轮胎能以更低的气压和更小的振动承载载荷。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 通常约有55—60%的载荷落在后轮上，因此后轮需要稍高一点的气压。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 在非常光滑的路面上，临界点很高，因此胎体损耗会随气压升高而持续下降。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 充气过足的轮胎那种生硬、发麻的感觉常被误认为是速度，而实际损耗却在上升。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)

## 测试 3: 轮胎构造与尺寸

- 更高的TPI通常意味着线更细、胎体更柔软。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 更薄、更柔韧的胎体变形时滞后损耗更低。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 防护层会使轮胎变硬并增加橡胶，因此通常会提高滚动阻力。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- ETRTO编码先给出轮胎宽度，再给出胎圈座直径；622毫米是标准的700c公路车尺寸。 (来源: ETRTO Standards Manual (2023))
- 第一个数字是轮胎的标称断面宽度。 (来源: ETRTO Standards Manual (2023))
- 实际宽度取决于轮圈内宽；现代的宽轮圈常使25毫米的轮胎测得27—28毫米。 (来源: ETRTO Standards Manual (2023))
- 无钩边轮圈限制在5巴以内，因为轮胎是在没有钩边的情况下被固定的。 (来源: ETRTO Standards Manual (2023))
- 只有专为无钩边胎圈设计的轮胎才能安全固定；其他轮胎可能脱落而失效。 (来源: ETRTO Standards Manual (2023))
- 更软、滞后损耗更低的胶料可能滚得更快、抓地更好，但磨损更快。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 公路车轮胎太窄，在骑行速度下不会发生水滑现象，因此胎纹几乎不增加抓地力。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)

## 测试 4: 轮圈宽度与轮胎形状

- 更宽的内宽会撑开胎圈，使轮胎轮廓更宽、更不圆。 (来源: ETRTO Standards Manual (2023))
- 轮组设计师发现，轮胎比轮圈宽时阻力会上升，因此轮圈做得比轮胎略宽。 (来源: Poertner，Zipp 车轮设计笔记（21世纪10年代）)
- 鼓起的轮胎会破坏向轮圈的平滑过渡，在偏航时尤其如此。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 更宽的轮胎迎风面积更大；匹配的轮圈宽度可以限制这一不利影响。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 有证据表明更宽的轮胎滚动性能良好，这促成了更宽的轮圈，使轮胎与轮圈的形状在空气动力学上保持匹配。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 比轮圈宽得多的轮胎侧向支撑不足，可能发生侧倾或扭动。 (来源: ETRTO Standards Manual (2023))
- 让轮胎保持在轮圈外轮廓之内，有助于气流在轮圈上保持附着。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- ETRTO表格把轮圈内宽与一系列兼容的轮胎宽度对应起来。 (来源: ETRTO Standards Manual (2023))
- 比轮圈更宽的轮胎会破坏轮圈原本的轮廓，损失一部分空气动力学优势。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 后轮部分被车架和双腿遮挡，因此前轮接触到更多未受扰动的气流。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## 测试 5: 轮组空气动力学与构造

- 相对于空气，车轮顶部的移动速度大约是车速的两倍，而接触点则是静止的。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 由于上半部的辐条在空气中高速运动，减少辐条数量并优化其形状可以降低阻力。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 更高的轮圈能使车轮周围的气流更平顺，并可在偏航时产生向前的帆力。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 前碟轮上的侧向力会产生转向扭矩；而在后轮上，它对转向几乎没有影响。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 侧向柔软的车轮可能摩擦刹车片或车架，并在过弯或冲刺时手感含糊。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 长时间刹车会使轮圈发热；碳纤维树脂和轮胎对高温很敏感。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 在平路上匀速骑行时，质量只对滚动阻力有轻微影响。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 张力不均会把轮圈向侧向或径向拉动，造成摆动。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 在低偏航角和高偏航角之间，排名可能会反转，因此单一数字掩盖了真实情况下的表现。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 在强烈多阵风的侧风中，较浅的前轮可以限制侧向力对转向的影响，而较深的后轮仍易于控制。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## 测试 6: 链条摩擦与润滑

- 实验室测试测得链条传动的效率最高约为98.6%。 (来源: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 效率随飞轮齿片增大和链条张力升高而提高；在洁净的实验室条件下，润滑几乎没有影响。 (来源: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 在受控的洁净条件下，润滑的实测影响很小；现实中的污垢会改变这一情况。 (来源: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 污染物会在滚子和销轴中形成磨料糊，增加摩擦和磨损。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 石蜡基的蜡几乎不吸附污垢，测试中摩擦也低，不过需要重新涂抹。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 链条不会拉伸；磨损会使节距变长，在许多传动系统上，约0.5%就意味着该更换了。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 拉长的链条会爬到齿尖上，加速昂贵飞轮的磨损。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 独立测试台以设定的功率和速度驱动链条并测量损耗。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 一种在干净时很快的润滑油，受污染后表现可能很差，因此脏污条件下的测试更贴近实际。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 洁净的新链条加上良好的润滑，能以很低的成本找回因污垢和磨损而损失的瓦数。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)

## 测试 7: 变速、链线与导轮

- 极端的齿比组合会使链条大幅倾斜，增加摩擦和磨损。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 链条角度会增加链板与飞轮齿之间的摩擦。 (来源: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 链节绕过较大导轮时弯折较少，可减少摩擦，通常能减少一两瓦。 (来源: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 53/11 × 约2.1米周长，约为每转一圈曲柄前进10.1米；每分钟90转约为55公里/小时。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 展开距离 = 齿比 × 车轮周长，用于比较不同轮径的档位。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 对于同一档位，更大的链环让骑行者可以使用更大的后飞轮齿片，链条也更直。 (来源: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 1x系统简化了变速，但各齿比之间的级差更大，使范围被拉得更开。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 较低的档位让骑行者能以可持续的踏频和功率坐着爬坡。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 较小的飞轮齿片使每个链节在每次啮合时弯折更多，增加损耗。 (来源: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 换到大盘会使链条更直，并用上更大的飞轮齿片，从而减少摩擦。 (来源: Spicer et al., J Mech Des 2001)

## 测试 8: 曲柄长度与蹬踏力学

- 在120—220毫米范围内，最大功率只变化几个百分点，最佳踏频会随曲柄长度而调整。 (来源: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- 较短的曲柄可以减少低空气动力学姿势下的髋部闭合，这有助于舒适和功率。 (来源: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- 只有当座垫高度按曲柄变化量同步增加时，蹬踏下止点处的腿部伸展程度才能保持相近。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 脚绕圆周运动的速度同时取决于转速和曲柄半径。 (来源: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- 综述发现，它们对功率和效率的影响并不一致；有些骑行者喜欢用。 (来源: Leong, Elmer & Martin, J Appl Biomech 2017)
- Q因子是两个踏板之间的横向间距，会影响膝关节轨迹和舒适度。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 更高的叠高相当于使座垫相对于脚更低，因此必须加以考虑。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 最大功率出现在相近的踏板速度下，因此曲柄较短会使最佳转速升高。 (来源: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- 应变片测量扭矩；乘以转速即得功率。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 单侧功率计假设双腿的贡献相等，但并非每个人都是这样。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)

## 测试 9: 制动物理

- 重心较高时，重量转移使前轮承担大部分制动，直到后轮抬起。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 受几何结构限制，自行车在翻车前的制动减速度约为半个g，远低于汽车。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 减速会把载荷转移到前轮，提高前轮的抓地力，同时后轮卸载。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 碟片保持得更干净，制动产生的热量也不会传到轮圈和轮胎上。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 摩擦把动能转化为热量，这就是长下坡会使刹车发热的原因。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 在固定减速度下，动能以及停车距离都随v的平方上升。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 轮胎的抓地力有限；用于制动的部分越多，留给过弯的就越少，这就是“摩擦圆”。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 过热的刹车片、碟片或刹车油会失去摩擦力或压力，使制动力下降。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 分段用力刹车，可让部件在两次制动之间冷却，并为弯道保留抓地力。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 够到下把位的刹车把需要时间，所以骑行者在技术性路段会移到下把位。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)

## 测试 10: 车架与部件工程

- 复合材料铺层把纤维布置在受力方向上，带来很高的刚度重量比和设计自由度。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 碳纤维受到撞击后，内部可能出现裂纹，而外表几乎看不出迹象。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 碳纤维在其设计方向上很强，但易受夹紧应力的影响；使用扭力扳手可以避免损坏。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 隐藏线缆可减少车把和头管周围外露的、产生湍流的杂乱部件。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 把储物空间设计进车架外形，可避免加装在气流中的附件所带来的阻力。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 放在骑行者尾流中或双臂之间的位置，测试中阻力变化往往很小，甚至为负。 (来源: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 铝合金价格实惠，更能承受磕碰，但在刚度相同的情况下比碳纤维更重。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 尺寸不合适的车架会限制接触点的布置方式。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 钛合金耐用、耐腐蚀，骑感柔顺，但成本和重量都高于碳纤维。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)
- 隐藏的损伤可能突然失效，因此建议由专业人员进行检查或影像检测。 (来源: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版，2020年）)

来源: 经同行评审的运动工程学与生理学文献，已成定论的事实以已发表的测试数据与标准为准

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