熊大碎碎念 淺談 自行車 設計兩三事

2020.11.06 週五
由於工作關係,能看到一些還沒上市的新玩意兒。正所謂外行看熱鬧內行看門道, 自行車 從產品設計的角度去觀察細節,找出設計差異,找到各家品牌的理念跟設計趨勢,實在津津有味。

從有研發能力的品牌看其新產品,其實在諸多細節上看得出來有些風格在改變,風向也在變化。也因此給熊大靈感,讓我們來聊聊跟自行車產品設計有關的事情吧。不過也不知道怎麼開頭闡述,熊大先舉幾個過去的自行車產品演化過程,來帶出產品設計的邏輯。

在設計自行車車架時,有幾個方向可以應用:幾何、材料、結構和造型。而設計不可能有完美的,舉個幾何的例子。

自行車的 WB (Wheel base) ,可以稱為軸距吧?基本邏輯為:

WB 長,舒適性高,但敏捷性降低。

WB 短,敏捷性高,但舒適性降低。

WB長舒適性高但敏捷性降低
自行車 WB 長,舒適性高,但敏捷性降低。(圖片來源品牌官網)
WB短敏捷性高舒適性降低
自行車 WB 短,敏捷性高,但舒適性降低。(圖片來源品牌官網)

想兼顧舒適性跟敏捷性,有可能把腳踏車幾何做得又長又短嗎?這是不可能滴!所以只能在幾何上訂下一個基調。比如 WB 略短,選擇敏捷性能,並用材料、造型等其他方式來彌補舒適性的不足。因為各種設計都有優點也有缺點,你只能選取優點,並用不同方式去彌補缺點。


不過,設計要有一致性才可以。熊大就看過很多自行車設計神奇的例子:爬坡幾何搭配破風管型、爬坡結構搭配舒適幾何,甚至幾何本身就自相矛盾,也有配置跟車架屬性不搭的。從外觀、幾何、參數、配置,就能判斷自行車設計者、工程師、產品經理的功力、理念和協調性了。好了,開始舉例子說故事吧!

碟剎公路 自行車設計

先從大家對自行車公路碟煞的兩大誤區說明:Disk brake road bike

碟剎公路車前輪
碟剎公路車前輪 (圖片來源品牌官網)

重量會增加:

UCI ( Union Cycliste Internationale )有個重量不得低於 6.8kgs 的規定。現在的材料與工藝,只要預算夠,公路車要配到 6.8kgs 以下並不難,所以合理配重比絕對輕量更重要。如何不低於 6.8kgs ,更合理配重,並發揮更強更快的性能才是重點。所以,碟剎比夾器增加的重量根本不構成影響。

碟剎制動力太大不適合公路車:

其實新的公路碟剎制動力已經是經過重新設計了,制動力無需擔心,工程師們早已想到這個問題。而公路車的剎車使用,會比登山車剎車的工作時間更長,所以熱量管理必須比山地車碟剎更好。如果各位有印象的話,大 S 手冊中的 ICE TECHNOLOGIES ,就是為了公路碟剎車更好的散熱鋪墊的。所以放心吧,各大品牌工程團隊不是 SB,人家早就想好了。

說回碟剎公路車的創造理由,很多人會認為碟剎的優點在於不燒框以及更好的路面適應性。當然這些都是優點,但並非主要創造理念。

公路車上碟剎的關鍵字是:空氣動力學 ( Aerodynamic) 。當車架三件套在空氣動力上已經改善到一個程度的時候,還有什麼零件可以持續進化空氣動力?工程師們把腦筋動到了輪組上,畢竟車首管下方,前叉與輪組區域的擾流問題可是很大的改善空間。這幾年多家輪組品牌紛紛推出造型各異的輪框胎寬也從 23c 到 25c 甚至 28c 。關鍵就是用碟剎的話,終於可以把夾器拿掉了耶。

解放輪框寬度跟輪框造型,讓輪框的空力動力設計得以進化,降低擾流得到更好的空氣動力優勢。所以也可以理解為輪圈上的空氣動力效應,在公路碟剎的基礎上得到更多的發揮空間。

公路車剎車夾器
公路車剎車夾器 (圖片來源品牌官網)

對應碟煞公路車規格的 自行車設計 方向改變

當然說到公路上碟剎,可想見的是制動時前叉左側受力大於右側的受力不均問題。所以左叉跟右叉的設計已經開始改變,且桶軸 ( Thru axle )規格逐漸成為碟剎公路主流規格。

因為 TA ( Thru axle ) 比 QR ( Quick release ) 有更好的剛性來彌補叉管兩側受力不均問題。至於桶軸不方便換輪的問題,留給大 S 工程師去煩惱吧。

其實每次的新規格誕生都一定有其充分的理由。在研發上領先地位的大廠也早已在專利上做好準備了。(輪框造型與擾流關係的專利大戰早在2009年就已經開打了),可能的問題也早已想好對應辦法了。

公路車架後叉
公路車架後叉 (圖片來源品牌官網)

自行車設計 與單盤 (Single speed ) 系統的影響

大家可發現這幾年的為全避震自行車架幾何 L 值越來越大,頭管角度越來越小。這兩項數值基本可以判定:是偏下坡設定的,為什麼幾何設定會越來越偏下坡呢?以前,設計為全避震車都得考慮,平衡上坡效能與下坡穩定性,所以在幾何設定上不會過於激進。而現在,上坡的問題基本上已經從三個方向提升到一個程度:

1.避震結構對踩踏效率精進到一個程度了。

2.材料應用達成的輕量化,對上坡踩踏的幫助。

3.. E-MTB ,用電助力系統,解決上坡問題。

單盤系統
單盤系統 (圖片來源品牌官網)

所以,在自行車幾何設計上,現在可以不需過多顧慮上坡效率問題,進而可以在幾何上往下坡設定去解放,因為上坡效率大部分由材料跟結構處理了。那要怎麼加長 L 值呢?這就要講到另一個事情:單盤系統。前幾年雖然已經有單盤了,但很多品牌還是會保留前變速安裝座,現在可以看到許多品牌已經連前變速安裝座都取消了。然後呢,就可以把中管角度做得更小,就能更有效拉大 L 值。

因此,L值加長是建立在結構處理,踩踏效率達到一個程度及單盤系統上。當然了這不是絕對的,只是說明,從腳踏車設計邏輯上,單盤系統的確能鼓勵這樣的設定。這是單盤系統解放幾何的例子之一,所以單盤系統的貢獻不單只是速別的變化,也影響腳踏車架設計方向。如同 BOOST-148 規格也是建立在單盤系統上,關於 BOOST-148 ,網路上很多文章可以查到熊大就不多說了。


自行車設計 與複合材料應用 ( Composite material )

很多人都認為複合材料應用在腳踏車車架,主要目的是更輕量。複合材料的自行車車架具有明顯的材料減重效果複合材料的高模量高強度得以發揮,能吸收地面衝擊,踩踏反應快,幾乎沒有疲勞性等等。事實上那只是附帶好處,複合材料應用於自行車車架上的初始目的是為了解放設計者追求,和高性能車架的製造方式限制。你可以想像以下對話:

設計:我想把管型做這樣。

生技:這樣金屬成型有問題。

設計:我要這樣對接。

生技:這樣焊接有困難。

設計:唉呦麻煩死了!這樣不行那樣也不行,乾脆改成模具成型的好了!聽說有一種複合材料可以試試看喔!

利用傳統金屬加工焊接技術的自行車車架
利用傳統金屬加工焊接技術的自行車車架 (圖片來源品牌官網)

於是,以複合材料,模具成型的工藝開始應用在自行車車架上。

根本理念在於解放自行車車架設計在傳統工藝的造型限制,即使是金屬的部分也是類似的。當工藝技術與材料達到了某個極限點,已經可以輕量到了一個程度了,但是過輕過薄會導致自行車車架剛性損失,為了繼續更輕更薄發展,於是有了各種異形管來解決剛性損失問題,所以各種異形管成型方式應用就上來了。

當然了複合材料應用在自行車車架其實已經很久以前了。(熊大以前的上司,曾是臺灣第一個將複合材料應用在車架的工程團隊成員之一)。但當時複合材料太貴了,是近年來複合材料在醫療航空與軍工業需求銳減,加上製造成本隨著制程能力提升與普及而下降,所以才加大複合材料在運動器材的投放。因此十多年前才能看到複合材料大量應用在自行車。

利用碳纖複合材料設計的自行車車架
利用碳纖複合材料設計的自行車車架 (圖片來源品牌官網)

關於 自行車設計

好了。從以上案例中,關鍵字是什麼?根本上都是同樣的邏輯,為自行車設計者心中的理想產品解除各種限制。

自行車設計者對理想產品的追求,進而發展出各種新材料,新技術,新制程,新規格。這或許才是我們更應該抓住的核心精神:關鍵的思維差異。我的設備跟技術能做什麼?我手頭有什麼,所以我能設計什麼?另一種是,我想要什麼?我覺得什麼東西會更好?現在的技術做不到,那就改變或創造新技術,去達成我想要的樣子。這兩種思維方式會造成相差極大的程度落差。寫到現在似乎偏向技術內容,其實熊大不認為這是技術。

萬法不離其宗,只要抓住根本邏輯,觀察細節,發想問題,做出假設,尋找驗證。這既是技術內容,也是市場內容。

看起來像是個笑臉的微笑曲線,事實上兩端的 R&D ( research and design ),Marketing 是連結在一起的。只不過能做到有效連結的,太少太少了,因為這種產品敏感度,洞察力跟知識範圍極難培養。

不被附帶好處誤導理念方向,也要理解某些演化是建立在什麼前提上。長時間觀察各家自行車產品才能感知到設計發生變化,以及製造技術和材料應用的變化有一定瞭解,思維才能跟上前沿產品方向,對產品演進方向跟市場有更精確的判斷。


熊大大頭照

文字作者: 熊大

一個自行車行業資歷20年的老兵. 出身於產業生產端,也經歷過市場.經營過品牌,作過通路,開過設計公司.什麼類型的自行車都玩過,最愛的是Down hill下坡車運動,期許自己的定位是成為自行車行業裡真正意義的產品經理

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