公路篇（23）自行车上的一切设计只有一个目的：转向

公路篇（1/3）⾃⾏车上的⼀切设计只有⼀个⽬的：转向

在第⼀部分的最后，我们提到了机械轨迹量，下边，我们来看看为什么要在轨迹量的基础上引⼊机械轨迹量这个参数。

v 机械轨迹量：通过轮胎接触⾯和转向轴垂直的距离。机械轨迹量也被称为真实轨迹量，它和地⾯上的轨迹量密切相关，因为增加其中⼀个就会导致另⼀个增加。地⾯上的轨迹量是对机械轨迹量良好模拟，但是机械轨迹量是更加真实的测量，因为它的⼤⼩直接与车轮⾃动居中的“脚轮效应”相关。

车轮翻转值（wheel flop）

当车轮转向⼀侧时，车架前端会下降，这⾥选⽤了⼀个⽐较极端的转向⾓为了更加明显看到车架前段的下降量。这种下降⼀⽅⾯会由于车⼿重量分布靠前，另⼀⽅⾯也会因为车把倾斜的重⼒⽽导致车轮更加远离直线，这种现象就被称为车轮翻转。车轮翻转的量由mm为单位计算，因为当车架前段下降后，此时前叉偏移量保持了同样的数值，所以这最终导致了轨迹量的改变。在上⼀节的轨迹量（Trail）结尾处，我们提到了机械轨迹量的概念。⽽前轮的翻转值就是转向后的机械轨迹量减去正常直⽴状态下的机械轨迹量的差值（也可以简化理解为车把转动后，前轮花⿎⾼度的变化范围，范围越⼤，这种转向趋势越明显越灵活，但是越难以操控。反之亦然）。

体验这种感觉得⽅法可以让前轴⾼于后轴，此时翻转值减⼩，车把会更加灵活，因为翻转值增加。反过来后轴⾼于前轴翻转值会减少，转向会变得迟钝。现实状态下可以从上⾓度⽐较⼤的坡路中去感受。低速状态下上坡，此时头管⾓度增加，实际trail也增加了，理论上会有更好的稳定性，但是由于车轮翻转量也随之增加，所以会让转向更加灵活，更容易转向过度。

对于正常的头管⾓度范围来说，头管下降的越多（头管⾓度越⼤），那么机械轨迹量就会越⼤。

对于车⼿⽽⾔，在低速状态下，车轮翻转的效应会更加明显，因为这会有助于前轮转弯（尝试⼀下定车，你就能感受到前轮翻转的效应）。当前轮翻转值越⼤时（⽐如20mm），那么它会⽐数值更⼩的翻转值的车（⽐如10mm）更加倾向于转向。虽然翻转值会有助于你在骑⾏中转向，但是如果太多，那么就会⾮常容易超过可控范围（试想⽐赛慢骑⾏中的状态，车把超过范围后会急速的向⼀个⽅向旋转，过⼤的翻转值会减少趋势的可控范围）。⽽在⾼速状态下，头管⾓度的⼤⼩会占主导地位。这就是为什么具有更加倾斜的头管⾓度的⾃⾏车会在低速状态下更加容易向侧⽅翻转难以控制，但是在⾼速状态下特别是在转向中，会更加稳定和趋于⾃动保持轨迹的原因。

上图显⽰了在安装了25c的700c公路车上，随着前叉偏移量和头管⾓度的变化，车轮翻转值的变化。车轮翻转值提供了在转向中前轴⾼度的变化量。例如：同⼀头管⾓度下，随着前叉偏移量的减少，机械轨迹量就会增加，从⽽进⼀步带来了车轮翻转值的增加，因为车轮翻转值是车头向前的机械轨迹量减去转向后的机械轨迹量之差。所以随着机械轨迹量的增加，车轮翻转值也会增加。

虽然上图标注了两者的关系：两者处于⼀种正相关的状态，其中⼀个数值增加，

另外⼀个也会增加。所以并没有办法设计出⼀辆既提供⼤量轨迹量，⼜有很少的车轮翻转值的⾃⾏车。

在实际使⽤中的例⼦：⽐如71°的头管和55mm的偏移量，72°的头管和

49mm的偏移量以及73°的头管和37mm的偏移量都可以获得59mm的轨迹量，但是他们的车轮翻转值不同，从18mm稳定的缩⼩到了16mm。虽然这是⼀种细微的差别，但是它证明了为什么在相同轨迹量的情况下，这些车会具有不同的响应反馈（在⼭地车，这些变化会更加的有意义，⽐如固定的头管⾓度下，可以通过增加或者减少前叉偏移量来改变车轮翻转值和轨迹量，以便获得更加平衡的性能：低速灵活性和⾼速稳定性之间的平衡点。）。陀螺效应

很多车⼿都体会过车轮旋转下的陀螺效应。当把旋转的车轮握在⼿上，并试图倾斜车轮时，你就能感受到这些⼒。

陀螺效应可以让车轮处在任何状态下，但是如果想改变这种状态，就要抵消陀螺效应。上图为⼀个旋转的车轮，此时只需⽤⼿指托着单边轴⼼就可以保证车轮不会因为重⼒倒下。

在⾃⾏车上，这种效果可以让前轮处于任何倾斜⾓度，所以，它有助于⾃⾏车的操控。过去，⼈们普遍认为这种效果对于保持⾃⾏车平衡⾄关重要，但是，就像在轨迹量的章节中所描述的那样“（在2011年已经有试验团队通过试验验证了⽆需通过轨迹量-trail和陀螺效应就可以实现⾃⾏车⾃稳定，这实际上也在告诉我们，在实践探索的部分中，车架的⼏何⾓度还有⾮常⼤的挖掘空间，以前的经验论只是告诉我们哪些有效，哪些⽆效，但是并没有说明其中的原因，感兴趣可以搜索⽂章：a bicyclecan be self-stable without gyroscopic or caster effects。）”。实际上车轮的陀螺效应对于⾃稳定的⾃⾏车来说也并不是必需的。

车轮重量的变化将影响有助于稳定⾃⾏车的陀螺⼒

陀螺⼒可以帮助稳定⾃⾏车，特别是在⾼速状态下，可以有效的保持平衡和维持状态。虽然有利于稳定性，但是就像我们看到的那样，更多的车⼿通过升级更轻的轮组虽然会减少这种陀螺⼒，但是车⼿们会更加陶醉于这种额外的灵活性，⽽不是失去的稳定性。把⽴长度

把⽴的长度会影响⾃⾏车的操控性是⼀种普遍的认识：更长的把⽴更稳定，更短的把⽴更灵活。

上图很好理解，在转动相同⾓度的情况下，更长的把⽴需要转过更长的弧度才可以完成。

⾸先，车把的转向弧度的⼤⼩取决于把⽴的长度。当弧度较⼩时，车把对车⼿的输⼊（也就是⼿臂的运动）会更加敏感，所以不需要过多的努⼒就可以改变⾃⾏车的⽅向。较长的把⽴会有较⼤的转向弧，这会对⼿臂的运动不那么敏感，减慢转向速度。

上图展⽰了不同把⽴状态下不同把⽴长度对重量分布的影响。其中对于⼩车架安装长把⽴的情况，实际会抵消掉更⼩轴距的影响⽽降低灵活性。这个后边还会有详细分析，请继续阅读……

另⼀⽅⾯，把⽴的长度也会影响车轮的重量分布，更长的车把会让车⼿把更多的重量移动向前轮。⽐如，在⼩车架使⽤长把⽴以便可以获得和正常车架使⽤更短的把⽴⼀样的前申量，但是车⼿此时的重量分布就会发⽣改变，⼩车架长把⽴让重量进⼀步前移落在前轮上，这会让前轮的响应速度减慢。

在⼭地车上，短把⽴会由于更倾斜的头管和更⼤的trail值⽽在灵活性的改变上变得不是重要，但是由于前边说到的，可以减少转向弧度的长度，所以对于⼭地车机动性⽽⾔，更短的把⽴在⼀定程度上，还是提⾼了⼀些灵活性的。

相⽐之下，短把⽴让车⼿的重量更多的转移到车架上，让前轮重量更轻，使转向也会更加轻⼀些。如前所述，如果⾃⾏车有⼀个松弛的头管⾓度和⽐较⼤轨迹量（⼩⾓度头管，⽐如⼭地车上），那么这些把⽴并不会对转向起到多⼤的作⽤，但是它可以提⾼机动性，减少⾏程，这也可以解释在⼭地车上车⼿更热衷于短把⽴的原因（近⼏年⼭地车车架的设计也在吧前伸量设计的更长以迎合这种趋势）。反过来，这也解释了为为什么过短的把⽴会让⾃⾏车在快速转向时更容易失控。车把宽度

车把的宽度对操控产⽣的影响和把⽴长度对操控产⽣的影响相同。更宽的车把可以把⼿分的更开（特别是握持在⼿变头和下把位时），这增加⾃⾏车转向时的弧度。越窄的车把弧度越⼩，转向越快越灵敏。这可以改善⾃⾏车的操控性，但是如果过于窄，这会带来“抽搐”（增加不稳定性），特别是在短把⽴和窄车把配合的情况下。在选择车把时，更多的前伸量和喇叭⼝型的公路车把，都会进⼀步的增加转向弧尺⼨。因此在组装新时，这两者的组合需要考虑在内。

车把的宽度还有另⼀个影响，那就是稳定车⼿的⾝体和增加操控的精准度。如果你尝试把⼿放在⾮常靠近车把中⼼的位置尝试骑⾏你就能明⽩这点：稳定⾝体需要更多的⼒量，⽽且⾃⾏车也变得难以控制。因此，更宽的车把有助于车⼿的稳定，尤其是当他们的肩膀很宽时，即使他们没有扶着车把这也同样重要。

最后是车把的宽度对转向扭矩的影响。更宽的车把为前轮转向提供了额外的杠杆作⽤，这在使⽤宽轮胎进⾏越野时⾮常有意义。

在这⽅⾯，⼭地车的宽车把的意义会让你更容易理解，⽽在gravel和CX上，喇叭⼝的设计可以获得相同的结果，并有助于在车把上加装更多的装备（车头包等）。轮胎宽度

前轮轮胎的宽度也会对⾃⾏车轨迹量有所改变。

上图表⽰了⼀台26⼨⼭地车直接更换29⼨轮组后发⽣的情况，由于前叉偏移量相较于头管之间的距离是固定的，更⼤的轮组太⾼了头管，让实际⾓度进⼀步减⼩，这就间接的增加了轨迹量。

这是因为车轮的直径会随着轮胎宽度的增加⽽增加，反过来就会影响到轨迹量（车头太⾼，头管⾓度向后倾斜，前叉偏移量没有变，此时trail值就会增加）。⽐如，如果从700C*23mm的轮胎改为28mm的轮胎的话，那么轨迹量将会增加

2mm。但是如果改为40mm的轮胎，轨迹量则会增加6mm。在⼤多数的情况下，⽐较⼩的轨迹量（Trail）增加往往可以忽略不计，但是更⼤范围的变化，⽐如40mm的轮胎，就可以感觉到转向反应迟钝（感兴趣的可以在⼭地车或者公路车上更换轮组进⾏⼀下测试）。

相同轮径不同胎宽下的轮组⾼度变化。

车轮翻转值也会随着轮胎的宽度增加⽽增加。我们继续上边提到的例⼦，从25mm增加到28mm的轮胎会让车轮翻转值增加1mm，⽽40mm的轮胎可以让车轮翻转值增加2mm。当然，有些⾮常⼩的变化，是不易察觉得，但是在40mm的情况下，轨迹量（Trail）和车轮翻转值的综合影响，会带来相当于头管⾓度减⼩近1°的状态。

上图反应了随着轮胎宽度的增加，轨迹量（trail）和车轮翻转值（wheel flop）之间的关系。其中横轴表⽰轮胎宽度，纵轴表⽰这两个数据的变化幅度。

轮胎的宽度还和另⼀个被称为”轮胎轨迹量“的东西有关。由于个轨迹量和轮胎与地⾯的接触⾯积有关，简单解释的话，就是在车轮转向的过程中，轮胎接触⾯并不是处于⼀种平滑的过度状态，⽽是处在⼀种和地⾯滑动摩擦的状态，这会产⽣⼀种让轮胎重新回到直线⾏驶轨迹的趋势，当车轮继续转向时，轮胎接触⾯和地⾯完成⼀次转向摩擦，连续的滑动摩擦最终完成⼀次转向。并且这种趋势会随着轮胎宽度的增加⽽增加。这会让从转弯开始的⼀瞬间就产⽣⼀种车轮⾃动会正的效果。不过，关于在⾃⾏车上的轮胎宽度和轨迹量的关系，还没有确切的指标，所以就不再更进⼀步的讨论，我们只要知道，这个⼒是存在的，并在⾃⾏车范围内，会带来⼀些⾃稳定性就可以了。配合下图会更容易理解⼀些。

上图显⽰了轮胎接触⾯的被动转向过程，可以简单理解为轮胎对地⾯施加的⼒就是轮胎⾃动回中的⼒。

在公路⾃⾏车的情况下，这个接触⾯积⽐较⼩，所以这种影响可以忽略。但是更宽的轮胎（⽐如40mm）就会是不同的情况，这就是为什么更宽的轮胎，就会需要更多的转向扭矩来补偿操控性的下降的原因。

以上关于轮胎对操控的影响，可以解释为什么明显更⼤的轮胎（⽐如⽤于gravel公路车）总是会给你带来略微迟钝的操控感受，但是却可以提供⾼速下的稳定性。转向会在低速时感觉迟缓或者不精准，除⾮使⽤更⼩的车轮直径（⽐如通过使⽤650B安装更宽的轮胎来获得近似的轮经）来抵消这种效果中的⼀些，不然就会在操控上给你带来相当⼤的迟钝反馈。

上边所描述的使⽤更⼩的轮组配合更宽的轮胎，对保留原有车架⼏何⾓度⾮常有意义。⽐如下边的例⼦：对于⼀辆头管⾓度71°，前叉偏移量55mm的⾃⾏车⽽⾔，当使⽤25mm轮胎的700C轮组是，它的轨迹量（Trail）是59mm，车轮翻转值是18mm。但是如果只把轮胎更换为50mm的话，轨迹量（Trail）就会增加到68mm，⽽车轮翻转值会增加到21mm。这是⼀个很⼤的变化，这会让你的车变得迟钝。相⽐之下，如果采⽤650B*2.1的组合，那么轨迹量（Trail）则为62mm，车轮翻转值为19mm。虽然仍然会有⼀些预期内的反应迟钝，但是这⼤部分就都是轮胎轨迹量所导致的了。

在700C和650B轮组之间进⾏轮胎尺⼨的更换，可以尽量保持原有的车架设计的⼏

何⾓度。在操控上可以给你⼀个你所期望的范围，⽽不是超出⾃⼰的预期。五通的⾼度

从表⾯上来看，似乎五通的⾼度和⾃⾏车的操控⽆关，⽽且事实也确实是不会影响到⾃⾏车的转向。然⽽，五通的位置影响了车⼿的位置，却具体的说就是影响到了车⼿的重⼼的位置。

想⼀下在公路车⾼速下坡时的状态，双⼿放在下把位上，⽽不是⼿变或者把横上。这并不仅仅是获得更好的⽓动性，⽽是降低了车⼿的重⼼，获得更稳定的操控。所以，五通的位置也是以同样的⽅式影响⾃⾏车的操控：相对低的五通会让骑⼿更接近地⾯，获得更稳定的状态。

五通的位置通常可以⽤两种⽅式描述：1.五通到地⾯的⾼度；2.五通到车轮中⼼连线之间的距离。第⼀种情况很好的反应了⾃⾏车的离地间隙，第⼆种很好的反应了车⼿的重⼼位置。

注意红线标注的位置。五通的⾼度可以相对于地⾯测量也可以相对于前后轴测量，在相同的车上前者取决于车轮和轮胎尺⼨，后者则可以⽤于⽐较不同车架之间的差别。

如果把前后花⿎作为两个点绘制⼀条平⾏于地⾯的直线，⼀般情况下，五通都会位于这条线的下⽅（也就是常说的五通下沉量）。究竟会下沉多少，这主要取决于车架的设计。公路车⼀般会设计下沉65-75mm，但是在某些情况下可能会更多⼀点（⽐如，旅⾏车也会有80mm或者更多的下沉量）。相⽐之下，⼭地车车架的下沉量⼀般较少，因为越野会需要更多的离地间隙以免脚踏或者⽛盘撞击到岩⽯或者障碍物。

⽐较极端的车型DH，五通的下沉量极⼩，如上图的闪电demo8，五通下沉量仅为12mm。

考虑到⽆论如何，⼀辆⾃⾏车都必须要有⼀定的离地间隙，所以五通的下沉量就变得很有限。然⽽，对于那种在⾃⾏车上有采⽤更直⽴的骑⾏姿势的骑⼿来说，在⾼速状态下，和⾝体⼀起倾斜转向时会获得更多的稳定性，虽然这是很细微的改变。

那么什么更重要呢？就是下边我们要讨论的轴距以及重量如何在前后轮之间分配。

轴距和重量分布

⾃⾏车的轴距描述了前轮和后轮之间的距离，并且是从⼀个花⿎到另⼀个花⿎中⼼的测量。这个距离很⼤程度上会受到车架长度的影响，所以车架尺⼨增加，轴距也会增加。

更严格来说是轮胎接触⾯之间的距离，因为如果是⼤⼩轮就没有办法通过从轴⼼来测量轴距了。

当车轴距更⼩的时候，⾃⾏车转弯半径也会更⼩，因此，在通过⼀些紧急弯道时也会更容易转向。增加轴距长度可以获得更好的稳定性，这就是为什么DH车会⽐XC车有更长的轴距，但是这也是以机动性为代价的。

虽然轴距的整体长度为⾃⾏车的某些稳定性设定了基调，但是它会受到车⼿在车上的重量分布的影响，这可以从前轮和后轮到五通之间的距离反应。这也是前后轮的

中⼼距离之所以重要的原因，因为他可以反应每个车轮到五通之间的距离。

上图展⽰了前后轮中⼼距离的测量⽅式：从后轴中⼼到五通的直线距离为后轮中⼼距离；前轴中⼼到五通的直线距离为前轴中⼼距离。

⼀般情况下，前中⼼距离会⼤于后中⼼距离（60/40是最常见的分布），因为前轮需要额外的转向空间。前轮的中距离更多的还是取决于车架的前申量，但是更⼩⾓度的头管以及更多的前叉偏移量都会让前轮更进⼀步的远离五通。相反，后中⼼距离则主要取决于链线长度。

前后中⼼距离的分布之间差异意味着会有更⼤⽐例的重量会落在后轮上，但是更确切的数值则要取决于车⼿的位置。更加激进的骑⾏姿势或者使⽤计时赛车把（俗称休息把），会让更多的重量向前轮转移，以减缓转向。在正确的衡量标准下，这可以提⾼⾃⾏车的稳定性。事实上，很多⼈都认为这可以防⽌虚迷效应（High SpeedShimmy直译为⾼速抖动）。下图展⽰了虚迷效应在⾃⾏车以及摩托车上发⽣时的情景：

但是，过多的重量分布在前轮，会使得更加精细的转向修正更加困难，从⽽让操控更加难以控制（要么多，要不没反应，转向的度⽐较难以控制）。

如果让前轮的重量分布更少，则会让转向更轻，⼜会增加过度转向的风险。同时，如果是在湿滑的条件下，这会让你对转向缺乏信⼼，甚⾄由于过度转向失去抓地⼒-摔车。另外前轮的重量分布过少时，当有颠簸激发虚迷效应时，车辆就会剧烈抖动，所以在⾼速⾏驶时，更需要把集中注意⼒来控制⾃⾏车。

重量分布的影响不仅会在⾃⾏车前端发⽣，当你在车座上⽤⾝体转向时也会有所影响。后轮额外的重量会放⼤⾝体由于倾斜⽽带来的前轮转向。这种情况在双⼿撒把的情况下格外明显，并且也会因为后轮负重增加⽽产⽣（⽐如gravle后部增加的货架和驮包等）。在这两种情况下，车轮都会更加容易转向，特别是在低速状态下，并且虚迷效应在这两种情况下会依然存在，并更加容易被激活。

实际上车⼿对于前后轮的重量分布会有⾮常⼤的调整空间，通过重量分布可以改变⾃⾏车的操控。

显然，在重量分布上找到⼀个平衡点，可以让车⼿同时在两种机制（车把转向和⾝体转向）中都获得优秀的操控。但是，对于可能带来的操控性反应，并没有⼀个严格的规则；⼀些⼈认为前45后55在公路车上市⼀个理想的选择，但是这⼀设置同时也会受制于车架上的固有转向设计（⽐如前边提到⾃⾏车前端的种种设计）。⽐如，如果⾃⾏车有⼀个⼩⾓度的头管和较⼤的轨迹量（Trail），那么移动⼀些重量到后轮上，会更加有助于提⾼转向响应，此时45-55的分配就不会那么合适了。

把⽴长度和车座位置虽然可以重新分布车⼿在⾃⾏车上的重量，但是调节范围却很有限-只有⼏厘⽶，⽽且既便如此，对于车⼿来说，也未必可以通过此⽅法获得新的重量分布。因为对于公路车车⼿来说（⼭地车会更加灵活多变，这也是魅⼒之⼀），重新定位车座会破坏原来他们踩踏位置上的效率，⽽改变把⽴则会影响到骑⾏的舒适性。尽管如此，两者的细微改变多可以影响到⾃⾏车的操控。

不过，如果你选择⼀个从0开始设计的车架的话，那么这些将会消失。实际上，优化重量分布通常是定制车架的⼀个重要指标。在许多情况下，这不会改变⾃⾏

车的固有操控设计，但是却可以从⼀定程度上进⼀步改进。