如何应用于自行车车架分析.PDF

如何應用 於自行車車架分析 CAE 車輛中心　技術服務處 / 蔡起源 一 前言 自行車的發展由最早的有把手木製腳踢自行車開始，經過約 200 年的演化，逐漸呈現為目前大家所熟 知的結構形狀。在自行車多年的演化過程中，其最大的改變在於最初由腳直接踏觸地板驅動前後輪，進而 演變成由腳踏踏板經齒輪與鍊條驅動前後輪。此外，在輪圈方面也演化出鋼絲輪圈，並採用了橡皮充氣輪 胎 ( 如圖 1)。在車架材質方面，也由最初的木質轉變成鐵質、鋼管及合金鋼、鈦合金及碳纖維等材料。 圖 1：單車結構演化史 / 資料來源：維基百科 自行車的組成大致可分為車架系統、傳動系統、煞車系統、轉向系統、輪圈系統與其它附件，一般品 牌廠商皆自行設計與製造車架，再採購其它系統進行組裝出廠，因為車架為整車的核心，決定了自行車整 體的剛性與強度，也影響騎士的舒適性與安全性。車架的材質也由早期的木質、鋼材逐漸發展為鋁合金、 鎂合金、鈦合金與碳纖維材質，並追求輕量化、舒適性與安全性之間的平衡。然不管最後設計採用何種材質， 車架的設計都得符合銷售國之相關規範，如國內 CNS 14976、CNS 15348、CNS 15349；歐洲 EN 14764、 EN 14765、EN 14766、EN 14781 或中國大陸 GB 3565-2005 等規範。 在眾多的自行車車架材質與設計中，要如何迅速地評估材質與設計的可行性呢？ CAE 分析技術恰可在 設計上扮演其重要的角色。例如：在自行車車架 - 水平力疲勞測試中，在過去的傳統設計流程中（如圖 2 所示），廠商在面對問題時僅能試誤法 (Trial Error) 的方式，藉由不斷的修改模具並進行測試，以驗證產 品的性能，如此的設計流程將耗費較多的人時與費用，如能將 CAE 分析技術納入產品的開發流程中 ( 如圖 3 所示 )，在產品試作前先以 CAE 分析技術進行產品特性之模擬驗證，當模擬驗證通過要求時再進行產品試 作，此流程可大幅降低修模與驗證所須的時間與成本。 1 圖 2：傳統設計流程 圖 3 CAE 設計流程 二 自行車車架規範 自行車的零件眾多，由於其產品品質與製造的良莠皆與騎士的安全息息相關，因此各國政府為保障消 費者使用上的安全，皆依照零件 / 整車層面訂有相關檢測規範。針對自行車整車，國內於 80 年已制定有 CNS 343「自行車車架」、CNS 3864「自行車車架檢驗法」等國家標準；隨著需求的日益增加，國內又增 訂了 CNS 366「城市與旅行自行車」、CNS 14126「電動輔助自行車」、CNS 14976「兒童自行車」、CNS 15348「登山自行車」、CNS 15349「路跑自行車」等相關國家標準，其內容定義了自行車的安全要求與 測試方法，主要包含煞車、銳邊、安全相關結件之強度與緊固、凸起物、操控性、車架、前叉、車輪組、 鏈條等安全要求與測試方法，相關測試項目與要求整理如表 1 所示。本文主要將針對 CNS 15349「路跑自 行車」之車架 - 水平力疲勞測試與落錘衝擊測試進行內容說明，其分述如下 : 表 1：自行車車架 / 前叉 CNS 測試規範 規範 CNS 366 CNS 14976 CNS 15348 CNS 15349 項目 ( 城市與旅行自行車 ) ( 兒童自行車 ) ( 登山自行車 ) ( 路跑自行車 ) 落下高度 :180mm 落下高度 :50mm 落下高度 :360mm 落下高度 :212mm 衝擊試驗 ( 落錘 ) 錘重 :22.5kg 錘重 :22.5kg 錘重 :22.5kg 錘重 :22.5kg 1. 車架 / 前叉無破裂 1. 車架 / 前叉無破裂 1. 車架 / 前叉無破裂 2. 兩輪中心線