هندسة الدراجات الهوائية والدراجات النارية

هندسة الدراجات النارية والدراجات الهوائية هي مجموعة القياسات الرئيسية (الأطوال والزوايا) التي تحدد تكوين دراجة معينة. ومن بين هذه القياسات الأساسية قاعدة العجلات وزاوية محور التوجيه وإزاحة الشوكة والمسار. هذه المعلمات لها تأثير كبير على كيفية تعامل الدراجة . ^[1]

قاعدة العجلات هي المسافة الأفقية بين مراكز (أو نقاط اتصال الأرض) العجلات الأمامية والخلفية. قاعدة العجلات هي دالة على طول الإطار الخلفي وزاوية محور التوجيه وإزاحة الشوكة. وهي تشبه مصطلح قاعدة العجلات المستخدم للسيارات والقطارات.

تؤثر قاعدة العجلات بشكل كبير على الاستقرار الطولي للدراجة، ^{[ بحاجة لتوضيح ]} إلى جانب ارتفاع مركز كتلة الدراجة والراكب معًا. الدراجات القصيرة أكثر ملاءمة لأداء الحركات البهلوانية والتوقفية .

تسمى زاوية محور التوجيه بزاوية الكاستر عند قياسها من المحور الرأسي أو زاوية الرأس عند قياسها من المحور الأفقي. محور التوجيه هو المحور الذي تدور حوله آلية التوجيه (الشوكة، المقود، العجلة الأمامية، إلخ). تتطابق زاوية محور التوجيه عادةً مع زاوية أنبوب الرأس .

في الدراجات الهوائية ، يتم قياس زاوية محور التوجيه من الأفقي وتسمى زاوية الرأس ؛ زاوية الرأس 90 درجة ستكون رأسية. على سبيل المثال، يقدم ليموند ^{[2] :}

• كاميرا Filmore 2007، مصممة للمسار، بزاوية رأس تتراوح من 72.5 درجة إلى 74 درجة حسب حجم الإطار
• إطار Tete de Course 2006، مصمم لسباقات الطرق، مع زاوية رأس تتراوح من 71.25 درجة إلى 74 درجة، اعتمادًا على حجم الإطار.

بسبب تعليق الشوكة الأمامية، تميل الدراجات الجبلية الحديثة - على عكس دراجات الطرق - إلى أن يكون لها زوايا أنبوب رأس أكثر ارتخاءً، بشكل عام حوالي 70 درجة، على الرغم من أنها يمكن أن تكون منخفضة مثل 62 درجة (اعتمادًا على إعداد هندسة الإطار). ^[3]

تقدم شركة Cane Creek، وهي إحدى الشركات المصنعة على الأقل، سماعة رأس بدون خيوط في السوق الثانوية تتيح تغيير زاوية الرأس. ^[4]

في الدراجات النارية ، يتم قياس زاوية محور التوجيه من العمودي وتسمى زاوية الكاستر أو زاوية الميل أو الميل فقط ؛ ^[5] وبالتالي فإن الميل 0 درجة يكون عموديًا. على سبيل المثال، تقدم Moto Guzzi ^{[6] :}

• دراجة Breva V 1100 موديل 2007 بزاوية 25°30′ (25.5 درجة)
• دراجة نيفادا كلاسيك 750 موديل 2007 بزاوية 27.5 درجة

انحراف الشوكة هو المسافة العمودية من محور التوجيه إلى مركز العجلة الأمامية.

في الدراجات الهوائية ، يُطلق على إزاحة الشوكة أيضًا اسم " إزاحة الشوكة" . تتميز شوكات الدراجات الهوائية المخصصة لسباقات الطرق بإزاحة تتراوح بين 40 و50 ملم (1.6 و2.0 بوصة). ^[7]

يمكن تنفيذ الإزاحة عن طريق ثني الشوكات، وإضافة علامة تبويب عمودية عند أطرافها السفلية، وإزاحة تجاويف شفرة الشوكة في تاج الشوكة أمام عجلة التوجيه، أو عن طريق تركيب الشوكات في التاج بزاوية على أنبوب عجلة التوجيه. يُنسب تطوير الشوكات ذات المنحنيات إلى جورج سينجر. [ 8 ^]

في الدراجات النارية ذات أنابيب الشوكة التلسكوبية ، يمكن تنفيذ إزاحة الشوكة إما عن طريق إزاحة في الشجرة الثلاثية ، أو إضافة مشط شجرة ثلاثي ^[9] (يقاس عادةً بالدرجات من 0) إلى أنابيب الشوكة أثناء تركيبها في الشجرة الثلاثية، أو مزيج من الاثنين. ^{[10] يمكن} لشوكات الدراجات النارية الأخرى الأقل شيوعًا ، مثل شوكات الوصلة الخلفية أو شوكات الوصلة الأمامية، تنفيذ الإزاحة بطول أذرع الوصلة.

يتم قياس طول الشوكة بالتوازي مع أنبوب التوجيه من محمل تاج الشوكة السفلي إلى مركز المحور. ^[11]

المسار هو المسافة الأفقية من حيث تلامس العجلة الأمامية الأرض إلى حيث يتقاطع محور التوجيه مع الأرض. ويعتبر القياس موجبًا إذا كانت نقطة اتصال العجلة الأمامية بالأرض خلف (باتجاه الجزء الخلفي من الدراجة) تقاطع محور التوجيه مع الأرض. تتمتع معظم الدراجات بمسار موجب، على الرغم من أن القليل منها، مثل دراجة التزلج ذات الكتلتين ودراجة بايثون لورايسر، لها مسار سالب. ^[12]

غالبًا ما يُستشهد بالمسار باعتباره عاملًا مهمًا لتحديد خصائص التعامل مع الدراجات، ^{[13] [14]} ويُدرج أحيانًا في بيانات هندسة مصنعي الدراجات. يزعم ويلسون وبابودوبولوس ^{[ بحاجة لمصدر ]} أن المسار الميكانيكي قد يكون متغيرًا أكثر أهمية وإفادة، ^[15] على الرغم من أن كلا التعبيرين يصفان نفس الشيء تقريبًا.

إن المسار عبارة عن دالة لزاوية محور التوجيه، وإزاحة الشوكة، وحجم العجلة. ويمكن وصف العلاقة بينهما بهذه الصيغة: ^[16]

${\displaystyle {\text{درب}}_{\text{دراجة}}={\frac {R_{w}\cos(A_{h})-O_{f}}{\sin(A_{h})}}}$و${\displaystyle {\text{المسار}}_{\text{الدراجة النارية}}={\frac {R_{w}\sin(A_{r})-O_{f}}{\cos(A_{r})}}}$

حيث هو نصف قطر العجلة، هو زاوية رأس الدراجة المقاسة من الأفقي، هو زاوية ميل الدراجة النارية المقاسة من الرأسي، و هو إزاحة الشوكة. يمكن زيادة المسار عن طريق زيادة حجم العجلة أو تقليل زاوية الرأس أو إرخائها أو تقليل إزاحة الشوكة . يقل المسار مع زيادة زاوية الرأس (تصبح أكثر انحدارًا)، أو مع زيادة إزاحة الشوكة، أو مع انخفاض قطر العجلة. ${\displaystyle R_{w}}$${\displaystyle A_{h}}$${\displaystyle A_{r}}$${\displaystyle O_{f}}$

يميل راكبو الدراجات النارية إلى التحدث عن المسار فيما يتعلق بزاوية الميل . فكلما كانت زاوية الميل أكبر، كلما كان المسار أكبر. لاحظ أنه في الدراجة، كلما زادت زاوية الميل، قلت زاوية الرأس.

يمكن أن يختلف المسار مع ميلان الدراجة أو توجيهها. في حالة الهندسة التقليدية، يتناقص المسار (ويزداد قاعدة العجلات إذا تم قياس المسافة بين نقاط التلامس مع الأرض وليس المحاور) مع ميلان الدراجة وتوجيهها في اتجاه الميل. ^[17] يمكن أن يختلف المسار أيضًا مع تنشيط التعليق، استجابةً للكبح على سبيل المثال. مع ضغط الشوكات التلسكوبية بسبب نقل الحمل أثناء الكبح، يتناقص كل من المسار وقاعدة العجلات. ^{[18] [ مصدر منشور ذاتيًا؟ ]} تحتوي دراجة نارية واحدة على الأقل، MotoCzysz C1 ، على شوكة ذات مسار قابل للتعديل، من 89 إلى 101 ملم [3.50 إلى 3.98 بوصة]. ^[19]

المسار الميكانيكي هو المسافة العمودية بين محور التوجيه ونقطة التلامس بين العجلة الأمامية والأرض. ^[20] ويمكن أيضًا الإشارة إليه باسم المسار الطبيعي . ^[21] في كل حالة، تكون قيمته مساوية للبسط في تعبير المسار.

${\displaystyle {\text{المسار الميكانيكي}}_{\text{الدراجة}}=R_{w}\cos(A_{h})-O_{f}}$، و

${\displaystyle {\text{المسار الميكانيكي}}_{\text{دراجة نارية}}=R_{w}\sin(A_{r})-O_{f}}$

على الرغم من أن الفهم العلمي لتوجيه الدراجة لا يزال غير مكتمل، ^[15] إلا أننا نمتلك فهمًا جيدًا بشكل عام للتعقيدات الديناميكية المترابطة. ^[22] يعد المسار الميكانيكي بالتأكيد أحد أهم المتغيرات في تحديد خصائص التعامل مع الدراجة. قد يعطي المسار الصفري بعض المزايا: ^[23]

• يتم التخلص من تأثير موضع مركز ضغط قوى الرياح القادمة من الجانب
• يتم التخلص من تأثير انزلاق العجلة (انظر أدناه)

قد يتمتع راكبو الدراجات المهرة واليقظون بقدر أكبر من التحكم في المسار إذا كان المسار الميكانيكي منخفضًا، في حين من المعروف أن المسار الأعلى يجعل ركوب الدراجة أسهل "بدون استخدام اليدين" وبالتالي أكثر استقرارًا من الناحية الذاتية.

يشير انزلاق العجلات إلى سلوك التوجيه حيث تميل الدراجة أو الدراجة النارية إلى الدوران أكثر من المتوقع بسبب "ارتداد" العجلة الأمامية عند تدوير المقود. يحدث انزلاق العجلات بسبب انخفاض الطرف الأمامي للدراجة أو الدراجة النارية عند تدوير المقود بعيدًا عن وضع "الاستقامة". تحدث ظاهرة الانخفاض هذه وفقًا للمعادلة التالية:

${\displaystyle f=b\sin \theta \cos \theta }$

أين:

${\displaystyle f}$= "عامل انزلاق العجلة"، المسافة التي ينخفض ​​بها مركز محور العجلة الأمامية عندما يتم تدوير المقود من وضع مستقيم إلى وضع يبعد 90 درجة عن وضع مستقيم

${\displaystyle b}$= درب

${\displaystyle \theta }$= زاوية الرأس

نظرًا لأن انزلاق العجلة ينطوي على خفض الطرف الأمامي للدراجة أو الدراجة النارية، فإن القوة الناتجة عن الجاذبية ستميل إلى التسبب في استمرار دوران المقود بسرعة دوران متزايدة ودون إدخال إضافي من الراكب على المقود. بمجرد تدوير المقود، يحتاج الراكب إلى تطبيق عزم الدوران على المقود لإعادته إلى الوضع المستقيم وإعادة الطرف الأمامي للدراجة أو الدراجة النارية إلى الارتفاع الأصلي. ^[24] سيقلل القصور الذاتي الدوراني للعجلة الأمامية من شدة تأثير انزلاق العجلة لأنه يؤدي إلى الحاجة إلى عزم دوران معاكس لبدء أو تسريع تغيير اتجاه العجلة الأمامية.

وفقًا للمعادلة المذكورة أعلاه، فإن زيادة المسار و/أو تقليل زاوية الرأس سيزيد من عامل انزلاق العجلة على الدراجة أو الدراجة النارية، مما سيزيد من عزم الدوران المطلوب لإعادة المقود إلى الوضع المستقيم للأمام ويزيد من ميل السيارة للانحراف فجأة عن خط المنحنى. أيضًا، فإن زيادة الوزن الذي تتحمله العجلة الأمامية للمركبة، إما عن طريق زيادة كتلة المركبة والراكب والحمولة أو عن طريق تغيير نسبة الوزن لتحويل مركز الكتلة إلى الأمام، سيزيد من شدة تأثير انزلاق العجلة. إن زيادة القصور الذاتي الدوراني للعجلة الأمامية عن طريق زيادة سرعة المركبة وسرعة دوران العجلة ستميل إلى مواجهة تأثير انزلاق العجلة.

يعتبر وجود قدر معين من اهتزاز العجلات أمرًا مرغوبًا فيه بشكل عام. تنص مجلة Bicycle Quarterly على أن "الدراجة التي يكون فيها اهتزاز العجلات قليلًا جدًا ستكون بطيئة في استجابتها لمدخلات المقود. والدراجة التي يكون فيها اهتزاز العجلات كثيرًا جدًا ستميل إلى الانحراف عن مسارها عند السرعات المنخفضة والمتوسطة." ^[25]

يمكن تعديل الشوكات أو استبدالها، مما يؤدي إلى تغيير هندسة الدراجة.

إن زيادة طول الشوكة، على سبيل المثال عن طريق التحول من الصلابة إلى التعليق، يرفع مقدمة الدراجة وبالتالي يقلل من زاوية رأسها. ^[11] إن إطالة الشوكة سيكون له تأثير معاكس على ميل الدراجة النارية، حيث يتم قياس الميل في الاتجاه المعاكس.

القاعدة العامة هي أن تغييرًا بمقدار 10 ملم في طول الشوكة يؤدي إلى تغيير بمقدار نصف درجة في زاوية محور التوجيه.

تؤدي زيادة إزاحة الشوكة إلى تقليل المسار، وإذا تم إجراؤها على شوكة موجودة عن طريق الانحناء دون إطالة الشفرات، فإن ذلك يؤدي إلى تقصير الشوكة. ^[26]

ولاية داكوتا الشمالية (الولايات المتحدة الأمريكية) لديها الحد الأدنى والأقصى من المتطلبات المتعلقة بالإطارات والمسارات من أجل "تصنيع وبيع وتشغيل دراجة نارية بشكل آمن على الطرق العامة". ^[27]

"4. يجب أن تفي جميع الدراجات النارية، باستثناء الدراجات النارية ذات العجلات الثلاث، بالمواصفات التالية فيما يتعلق بهندسة العجلة الأمامية:

الحد الأقصى: زاوية الميل: 45 درجة؛ المسار: 14 بوصة [35.56 سم] موجب

الحد الأدنى: الميل: 20 درجة؛ المسار: 2 بوصة [5.08 سم] موجب

يجب أن تتضمن مواصفات الشركة المصنعة الميل والمسار المحددين لكل دراجة نارية أو فئة من الدراجات النارية، ويجب أن يحدد المدير مصطلحي "الميل" و"المسار" من خلال القواعد المعتمدة وفقًا للفصول 28-32.

بالنسبة للجوانب الأخرى للهندسة، مثل بيئة العمل أو الاستخدام المقصود، راجع مقالة هيكل الدراجة . بالنسبة للدراجات النارية، فإن المعلمات الهندسية الرئيسية الأخرى هي ارتفاع المقعد وموضع مسند القدم النسبي ومقود الدراجة.

• ديناميكيات الدراجات الهوائية والدراجات النارية
• شوكة دراجة
• هيكل دراجة
• توجيه مركز المحور
• شوكة دراجة نارية

• هندسة توجيه الدراجات النارية
• أطوال شوكة الدراجة
• رسم توضيحي للبعد الذي يشار إليه أحيانًا باسم زاوية العجلات في الدراجات.
• شرح مشط الدراجة النارية، والمسار، والإزاحة أرشيف 19 مارس 2011 على موقع Wayback Machine