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TW201628909A - 符合空氣動力學的自行車車架 - Google Patents

符合空氣動力學的自行車車架 Download PDF

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TW201628909A TW104104486A TW104104486A TW201628909A TW 201628909 A TW201628909 A TW 201628909A TW 104104486 A TW104104486 A TW 104104486A TW 104104486 A TW104104486 A TW 104104486A TW 201628909 A TW201628909 A TW 201628909A
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Abstract

一種符合空氣動力學的自行車車架，其主要係令該車架中連接於車首管與立管底端之間的下斜管斷面形狀形成弧尖形前端且左右兩側由前往後擴展延伸的流線曲面，下斜管平面狀的背面中段處形成一凹槽，使裝設於下斜管背面的水壺因凹槽之構造而能夠貼近下斜管背面，縮短彼此間的間距，進而在自行車高速行駛時，氣流能夠沿著下斜管左右兩側流線曲面平順地滑過，且使通過下斜管左右兩側流線曲面分流的氣流產生朝後向外擴展，而能接續順沿著水壺兩側圓弧曲面通過，降低氣流通過車架之下斜管與水壺之間產生亂流的現象，減少自行車車架裝設水壺的下斜管部位的空氣阻力。

Description

符合空氣動力學的自行車車架
本創作係關於一種自行車架，尤指一種符合空氣動力學的自行車車架。
對競速型自行車而言，空氣動力學係影響比賽成績的一項重要課題，因此，在自行車產品設計莫不致力研究如何減少空氣阻力。有關自行車車架構造設計，為了減少車架的空氣阻力，現有自行車車架的構造，多採低風阻的管件，例如：現有自行車車架的前端車首管以及連接於車首管與立管底端之間的下斜管等，多採取斷面為橢圓形或流線形的管件。如圖8及圖9所示，藉由橢圓形斷面形狀的下斜管或流線形斷面下斜管兩側的弧曲面以及左右方向的寬度縮減等構造，達到降低風阻之目的。又因自行車競速比賽涉及攜帶飲用水的需求，自行車車架中通常在連接於車首管與立管底端之間的下斜管背面裝設固定架，利用固定架置放水壺，或進一步於立管前側加裝固定架附掛另一個水壺。依自行車競速比賽規則之規定，所述水壺必須為圓形瓶。
惟現有自行車車架中，如圖8、圖9所示，橢圓形斷面形狀的下斜管8A或流線形斷面下斜管8B背面固設固定架組設圓形水壺7後，水壺7左右兩側至下斜管8A、8B兩側間的間距與水壺7間的空間間距過大，當自行車高速行駛時，氣流沿著下斜管8A、8B兩側弧曲面流至下斜管8A、8B背面與水壺7之間時，氣流會該空間處產生亂流的現象，造成空氣阻力偏大之問題。
再者，現有自行車車架之下斜管本身藉由橢圓形斷面形狀的下斜管或流線形斷面下斜管兩側的弧曲面以及左右方向的寬度縮減等構造，雖能達到降低風阻之目的。但是，於下斜管8A、8B背面附掛水壺7後，因水壺直徑與下斜管左右方向寬度差距大，造成氣流通過下斜管左右兩側弧曲面後，因下斜管右左弧曲面不足以導引氣流擴張而平順繞流過水壺，造成水壺右左兩迎風部位的風壓偏大，有風阻大之問題。
請配合參閱附件三，其係電腦模擬目前具有橢圓形斷面形狀的下斜管的自行車車架風洞模擬測試圖，由該些風洞模擬測試圖可知，氣流通過該下斜管背面及水壺後，氣流於斷面為橢圓形的下斜管背面兩側與水壺間有些亂流，氣流非平順通過，且圖中顯示氣流作用於下斜管與水壺表面上的應力大（紅橘色面積範圍大）。又由附件三所示內容中可知，該自行車車架於立管前側附掛第二個口水壺時，通過下斜管左右兩側分流的氣流朝後流過下斜管背面水壺後方時，氣流的尾流強度偏大，而能在兩水壺之間產生亂流現象。
本創作之主要目的在於提供一種符合空氣動力學的自行車車架，解決現有公路競爭型自行車架的下斜管兩側與水壺間的間距大，造成自行車高速行駛時產生亂流、空氣阻力大之問題。
為達成前揭目的，本創作所提出之自行車車架係包含一車首管、一立管、一軸管部、一下斜管以及二車架後叉，該車首管與立管呈前後間隔排列，該軸管部接設於立管底端，該下斜管係前高後低地連接於車首管下段與立管底端之軸管部之間，該二車架後叉左右間隔地接設於立管與軸管部後側；其中，所述下斜管之斷面形狀係形成弧尖形前端且左右兩側由前往後擴展延伸的流線曲面，下斜管的背面形成一平坦面，下斜管的背面中段處形成一凹槽，凹槽深度為3mm至60mm。
藉由前揭自行車車架之創作，其主要利用車架下斜管形成流線形之構造，且搭配下斜管背面形成凹槽之構造，使水壺藉由固定架裝設於下斜管背面時，利用凹槽使水壺能夠貼近下斜管背面，縮短下斜管兩側與水壺間的間距，進而在自行車車架高速行駛時，氣流夠沿著下斜管兩側流線形曲面平順地滑過後，氣流能夠接續順沿著水壺兩側圓弧曲面通過，故能有效降低氣流通過車架之下斜管與水壺之間產生亂流的現象，減少自行車車架裝設水壺的下斜管部位的空氣阻力。
本創作之自行車車架還能進一步利用車架中具有前窄後寬的流線曲面形狀之下斜管斷面左右寬度為60mm至84mm、前後長度為55mm至90mm，或者，下斜管斷面之左右寬度為66mm至70mm、前後長度為78mm至82mm，凹槽深度為5.5mm至9.5mm等尺寸的界定，使下斜管的斷面形狀能與一般圓形水壺的尺寸相匹配。在下斜管背面的凹槽具備縮短下斜管兩側與水壺間的間距之基礎上，結合該下斜管特定範圍的尺寸組合，使下斜管左右兩側能夠形成虛擬的翼形輪廓，在自行車車架高速行駛時，氣流夠沿著下斜管兩側流線形曲面平順地滑過後，藉由下斜管左右兩側虛擬的翼形輪廓，使通過下斜管左右兩側流線曲面分流的氣流產生朝後向外擴展，也降低了氣流通過下斜管後的尾流強度，使氣流能夠接續順沿著水壺兩側流線曲面平順滑過，有效降低氣流通過車架之下斜管與水壺之間產生亂流的現象，減少自行車車架裝設水壺的下斜管部位的空氣阻力。當該自行車車架進一步於立管前側附掛第二個口水壺時，也能藉由通過下斜管左右兩側流線曲面分流的氣流產生朝後向外擴展延伸，降低了氣流通過下斜管與其背面水壺後方的尾流強度，而一併降低通過兩水壺之間的亂流現象。
如圖1所示，係揭示本創作自行車車架之一較佳實施例，由圖式可以見及所述自行車車架包含有一車首管1、一立管2、一軸管部2A、一下斜管3以及二車架後叉4。所述車首管1與立管2係一前一後間隔排列，軸管部2A接設於立管2底端，下斜管3呈前高後低地連接於車首管1下段與位於立管2底端之軸管部2A之間，該二車架後叉4左右間隔地接設於立管2與軸管部2A後側。所述車架後叉4包含有一後上叉管4A與一後下叉管4B，後上叉管4A前端連接立管2上段後側，後下叉管4B前端連接立管2底端之軸管部2A後側，後上叉管4A後端連接後下叉管4B後端。該自行車車架還可進一步於車首管1上段與立管2上段之間接設一上管5，上管5位於下斜管3的上方。所述車架可為鐵、合金材料或碳纖維材料等製造而成，其中車架以碳纖維材質製造最佳。
如圖2所示，所述下斜管3之斷面形狀係弧尖形前端且左右兩側由前往後擴展延伸的流線曲面30，下斜管3的背面31可為平坦面，所述平坦面係為平面或為大曲率的弧曲面等實質平坦的表面，且下斜管3的背面31中段處形成一凹槽32，所述凹槽32上、下端形成弧曲面銜接下斜管3背面。於本較佳實施例中，如圖3所示，所述下斜管3斷面之左右寬度A為60mm至84mm、前後長度B為55mm至90mm之間，凹槽深度C為3mm至60mm，其中以下斜管3斷面之左右寬度A為66mm至70mm、前後長度B為78mm至82mm之間，凹槽深度C為5.5mm至9.5mm為最佳尺寸組合。前述的凹槽32包含有一內凹弧曲狀的外槽部321以及一位於外槽部321內側中央的矩形內槽部322，凹槽32之內槽部322提供水壺的固定架配合螺絲鎖固定位其中。
本創作藉由前揭自行車車架創作，如圖4及圖5所示，其中可利用該車架之下斜管3背面的凹槽32提供一水壺的固定架6以螺絲固定其中，其中，固定架6自凹槽32中伸至下斜管3的背面31外，讓水壺7裝設於固定架6中，水壺7能伸入凹槽32的外槽部321中而貼近下斜管3背面31，縮短下斜管3左右兩側與水壺7間的間距。另一方面，該下斜管3還能進一步利用其前窄後寬且由前往後延伸的流線曲面30及斷面形狀長寬特定的尺寸組合，而使下斜管3左右兩側形成虛擬的翼形輪廓，與圓形的水壺7直徑相匹配。
當具有本創作車架之自行車高速行駛時，如圖6及圖7所示，其中，因本創作車架的下斜管3為前窄後寬且由前往後延伸的尖形流線曲面30構造，使氣流能夠沿著下斜管3兩側流線曲面30平順地滑過，同時利用下斜管3背面的凹槽32，使水壺7能夠貼近下斜管3背面，縮短下斜管3兩側與水壺7間的間距，讓氣流夠沿著下斜管3左右兩側流線曲面30平順地滑過後，氣流能夠接續順沿著水壺7兩側圓弧曲面通過，故能有效降低氣流通過車架之下斜管3與水壺7之間產生亂流的現象，減少自行車車架裝設水壺7的下斜管3部位的空氣阻力。
另一方面，本創作還能藉由下斜管3特有的前窄後寬的流線形曲面形狀，以及下斜管3斷面形狀特定長、寬尺寸範圍的組合，與一般圓形水壺的尺寸相匹配，且使下斜管3左右兩側流線曲面30形成虛擬的翼形輪廓。如此，在下斜管3背面的凹槽32具備縮短下斜管3兩側與水壺7間距之基礎上，結合該下斜管3兩側與水壺7直徑相匹配的虛擬翼形輪廓之構造，在自行車車架高速行駛時，氣流夠沿著下斜管3左右兩側流線曲面30平順地滑過後，利用下斜管3左右兩側流線曲面30虛擬的翼形輪廓，使通過下斜管3左右兩側流線曲面30分流的氣流產生朝後向外擴展，降低了氣流通過下斜管3後的尾流強度，使氣流能夠接續順沿著水壺7左右兩側流線曲面30平順滑過，有效降低氣流通過車架之下斜管3與水壺7之間產生亂流的現象，減少自行車車架裝設水壺7的下斜管3部位的空氣阻力，提升下斜管3裝設水壺7部位的空氣動力效能。
如附件一及附件二所示，係分別為電腦模擬本創作自行車車架的下斜管裝設水壺後的氣流模擬圖，以及電腦模擬本創作自行車車架裝設水壺後的風洞模擬測試圖。由該些氣流模擬圖與風洞模擬測試圖中，當知氣流通過本創作自行車車架的下斜管背面及水壺後，氣流於下斜管背面兩側與水壺間無亂流且氣流是平順通過。同時在該些風洞模擬測試圖中顯示，氣流作用於下斜管與水壺表面上的應力減少（紅橘色面積範圍小）。又由附件二所示內容中可知，該自行車車架於立管前側附掛第二個口水壺時，也能藉由通過下斜管左右兩側流線曲面分流的氣流產生朝後向外擴展延伸，降低了氣流通過下斜管與其背面水壺後方的尾流強度，而能一併降低通過兩水壺之間的亂流現象。據此，可證本創作自行車車架的創作不僅符合空氣動力學，且確能達到降低車架裝設水壺的下斜管部位的空氣阻力的目的。
1‧‧‧車首管
2‧‧‧立管
2A‧‧‧軸管部
3‧‧‧下斜管
30‧‧‧流線曲面
31‧‧‧背面
32‧‧‧凹槽
321‧‧‧外槽部
322‧‧‧內槽部
A‧‧‧下斜管斷面之左右寬度
B‧‧‧下斜管斷面之前後長度
C‧‧‧凹槽深度
4‧‧‧車架後叉
4A‧‧‧後上叉管
4B‧‧‧後下叉管
5‧‧‧上管
6‧‧‧固定架
7‧‧‧水壺
8A、8B‧‧‧上斜管
圖1係本創作自行車車架之一較佳實施例的立體外觀示意圖。 圖2係圖1所示自行車車架較佳實施例的側視平面示意圖。 圖3係圖2所示自行車車架較佳實施例中下斜管割面線F-F位置的斷面示意圖。 圖4係圖1所示自行車車架較佳實施例的下斜管裝設固定架及水壺的立體示意圖。 圖5係圖4所示自行車車架較佳實施例的下斜管裝設固定架及水壺的剖面示意圖。 圖6係圖1所示較大尺寸的下斜管實施例裝設水壺後的空氣阻力示意圖。 圖7係圖1所示較小尺寸的下斜管實施例裝設水壺後的空氣阻力示意圖。 圖8係現有自行車車架第一種型式下斜管裝設水壺後的空氣阻力示意圖。 圖9係現有自行車車架第二種型式下斜管裝設水壺後的空氣阻力示意圖。
3‧‧‧下斜管
30‧‧‧流線曲面
31‧‧‧背面
32‧‧‧凹槽
7‧‧‧水壺

Claims (8)

  1. 一種自行車車架，係包含一車首管、一立管、一軸管部、一下斜管以及二車架後叉，該車首管與立管呈前後間隔排列，該軸管部接設於立管底端，該下斜管係前高後低地連接於車首管下段與立管底端之軸管部之間，該二車架後叉左右間隔地接設於立管與軸管部後側；其中，所述下斜管之斷面形狀係形成弧尖形前端且左右兩側由前往後擴展延伸的流線曲面，下斜管的背面形成一平坦面，下斜管的背面中段處形成一凹槽，凹槽深度為3mm～60mm。
  2. 如請求項1所述之自行車車架，其中，所述下斜管斷面之左右寬度為60mm～84mm、前後長度為55mm～90mm。
  3. 如請求項2所述之自行車車架，其中，所述的凹槽包含一內凹弧曲狀的外槽部以及一位於外槽部內側中央的矩形內槽部。
  4. 如請求項2所述之自行車車架，其中，所述凹槽上、下端形成弧曲面銜接下斜管背面。
  5. 如請求項2所述之自行車車架，其中，所述的凹槽包含一內凹弧曲狀的外槽部以及一位於外槽部內側中央的矩形內槽部，所述凹槽上、下端形成弧曲面銜接下斜管背面。
  6. 如請求項1所述之自行車車架，其中，下斜管3斷面之左右寬度為66mm～70mm、前後長度為78mm～82mm，凹槽深度為5.5mm～9.5mm。
  7. 如請求項6所述之自行車車架，其中，所述的凹槽包含一內凹弧曲狀的外槽部以及一位於外槽部內側中央的矩形內槽部，所述凹槽上、下端形成弧曲面銜接下斜管背面。
  8. 如請求項1至7中任一項所述之自行車車架，其中，該自行車車架於車首管上段與立管上段之間接設一上管，上管位於下斜管的上方，所述車架後叉包含一後上叉管與一後下叉管，後上叉管前端連接立管上段後側，後下叉管前端連接立管底端之軸管部後側，後上叉管後端連接後下叉管後端。
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