圖、文◎劉虣虣、蘇銘注、張誌裕

    最早的輻絲式輪圈乃是在1860年代由英國發展出來的，當時的自行車製造者企圖以金屬來取代以往 木製的厚重車輪，因此用數根鋼絲將花鼓及輪圈予以結合在 一起，一方面可將人體腿部踩動踏板而施加於花鼓的轉動力，藉由鋼絲的傳遞而帶動輪 圈產生滾動，使自行車得以前進；二方面則可以利用鋼絲在 花鼓與輪圈之間形成支撐，用以承受車架、零組件及人體的 重量。

    車輪之輻絲數量可分成24、28、32、36及40條，主要的排列方式分為輻射式及交 叉式。輻射式的排列方式由中心的花鼓以輻射狀的排列方式 形成連接，並使該輻射式的輻絲以角度等分的方式，在鋼圈 與花鼓之間形成支撐與連接。交叉式的排列方式，是將花鼓 及鋼圈之間的輻絲，以相鄰的數根形成交叉之排列的方式形 成連接。交叉式的輻絲排列方式又可以分成兩邊鍔環相同排 列及兩邊鍔環不同排列。

    本研究對現有的不同輻絲排列之車輪進行分析並歸納出其排列規則，同時從中探討 其他種可能之輻絲排列方式並測試探討輻絲預力叉法及其剛 性的關係。不同的輻絲穿法，會影響車輪的徑向、側向與旋 轉剛性。以實驗及電腦模擬方式進行不同輻絲排列方式車輪 的剛性大小之比較，以便選取適當輻絲叉法及正確輻絲預力，提昇自行車負載與傳動性 能，使往後系統研展與成本控制能更確保。

   目前輻絲之穿法以三叉式與四叉式排列為最普遍。 產業對於車輪之性能及製作上 的需求有：

1. 良好的避震效果:輪胎是最大影響因素。
2. 旋轉耐久性佳:影響因素有花鼓及車輪的正圓度。
3. 剛性強:以支撐自行車車重及人體重量，並抵擋各種外力之衝 擊。此與車輪之結構，即輻絲之排列方式有關。
4. 組裝性佳:為節省人工成本，易組裝的輻絲排列方式亦為車 輪製作時之重要考量。在探討車輪的性能的時候，大概會依

    以下的幾個點來加以評估：

1. 抗扭剛性:當車輪旋轉的時候，在花鼓與輪圈之間的力量傳遞，乃是以輻 絲作為主要且是惟一的介面來傳遞力量；若將輪圈加以固定，則要將花鼓 施以旋轉所需要的最小扭力，稱之為“抗扭剛性”。抗扭剛性越大，則表示 花鼓與鋼圈的結合性越好。

2. 側向剛性:側向剛性乃指當車輪平放的狀態之下，對抗側向施力的剛性強度大小。

3. 徑向剛性:徑向剛性指當車輪直立於地面的情形下，車輪對抗徑向 的施力之剛性強度大小。

4. 風阻阻泥:在競速型的比賽中，車輪的風阻阻泥是決定選手比賽成 績的重要因素。

5. 重量(Weight)車輪重量是評估車輪的優劣因素之一，越重的車輪，越會造成選手的負擔。

    不同的輻絲穿法，會影響車輪的各種性能，本研究將重點著重於輻絲不同排列方式 對於剛性之探討，以研究最佳剛性的輻絲排列方式為目的。

    1.輻絲排列：根據單邊鍔環輻絲排列之最大交叉數的計算法則來看，有一公式如下：（輻絲數目）/ 9 = 最大交叉數目（去尾數取整數）

    因此，從以上的公式來加以推算，24根輻絲車輪的排列方式有輻射式、一叉式及 二叉式等三種，加上輻射式搭配一叉式、輻射式搭配二叉式、一叉式搭配二叉式等三種 方式，共計有六種可能的排列方式。28根輻絲車輪的排列方式有輻射式、一叉式、二叉 式及三叉式等四種，再加上輻射式搭配一叉式、輻射式搭配 二叉式、輻射式搭配三叉式、一叉式搭配二叉式、一叉式搭 配三叉式、及二叉式搭配三叉式等，共計有十種可能的排列 方式。依此類推，32根輻絲車輪的排列方式共計有10種、36根輻絲車 輪的排列方式共計有15種、40根輻絲車輪的排列方式共計有15 種。

    取車輪的一面來看，若是輻絲所穿過的花鼓輻絲孔與車輪的 輻絲孔，其相對位置無偏位，則稱為輻射式車輪。若是輻絲與 車輪的輻絲孔，其相對位置偏移一個孔位，則稱為一叉式車 輪。若是輻絲與車輪的輻絲孔，其相對位置偏移二個孔位，則稱為二叉式車輪。依此 規則，其相對位置偏移三及四個孔位，則分別將其訂義為三 叉式及四叉式車輪。目前最通用的輻絲數為36根輻絲，就36孔車輪而言，位於花鼓雙邊 鍔環處各有18個輻絲孔，輪圈處也具有36個輻絲孔。36根輻絲即穿過花鼓與輪圈構成 車輪之結構。

    不同輻絲數量之車輪輻絲排列方式，一般性的排列方式為兩邊鍔環相同的排列方 式，然後再去考慮其單邊鍔環的排列是採用輻射式、一叉式、二叉式、三叉式、或是四 叉式等方式；其次，兩邊鍔環亦可採取不同的排列方式，例 如，以輻射式搭配一叉式、輻射式配二叉式、輻射式配三叉 式、輻射式配四叉式、一叉式配二叉式、一叉式配三叉式、一 叉式配四叉式、二叉式配三叉式、二叉式配四叉式、三叉式配 四叉式的排列等方式。

    輻射式、一叉式、二叉式、三叉式及四叉式車輪，除了於輪圈 處偏位0、1、2、3、4個孔位的特性之外，其長度又因為 偏斜之因素而長度由最長至最短分別是四叉式輻絲＞三叉式 輻絲＞二叉式輻絲＞一叉式輻絲＞輻射式輻絲。

2.不同輻絲排列方式之輪圈剛性研究：自行車於路面騎行時，車輪至少受以下外力：a. 人體、車體重量及路面反力。b. 側向力。c. 車輪旋轉時與路面之摩擦力。故車輪之剛性可由下列三種剛性來表示：

（1）徑向剛性－以抵擋人體、車體重量及路面反力。
（2）側向剛性－抵擋側向力。
（3）旋轉剛性－抵擋車輪旋轉時與路面之摩擦力。

實測研究成果

（一） 輻絲可能的排列方式

1. 按照輻絲的數量來劃分：24條輻絲為16吋車輪及童車等之使用較為常見；28條為競速型的場地競賽車較為 常見；32條與36條則為現在一般市面上常用的24吋及26吋車輪所採用，其使用單一邊 flange為16及18個孔的花鼓。40條輻絲的車輪則由於騎乘者 的體重比較重，或因為載重物的關係，必須要有較大的支撐 強度；目前因為40條輻絲車輪的強度與36條輻絲的強度差不多，因此多以36條輻絲 的車輪來加以取代。

2. 按照輻絲排列方式來分:一般大約可以分成輻射式及交叉式兩種方式：

(1)輻射式：輻絲排列方式由中心的花鼓以輻射狀的排列形成 連接，並使該輻射式的輻絲以角度等分的方式，在鋼圈與花 鼓間形成支撐與連接。

(2)交叉式：此種輻絲的排列方式，是將花鼓及鋼圈之間的輻 絲，以相鄰的數根形成交叉之排列的方式形成連接。交叉式 的輻絲排列方式又可以分成兩邊鍔環(Flange)相同排列及兩 邊鍔環不同排列。交叉數有一叉、二叉、三叉、四叉共四種，其中四叉式已有干涉情 況，超過四叉無法組配輪圈。

3.傳統排列方式:

(1)輻射式(0-CROSS):以向外擴散輻射狀，以花鼓為中心起點的排列方式，相鄰的輻絲與輻絲之間並不相 互交叉，是最傳統的車輪輻絲的設計。

(2)一叉式(1-CROSS):係以只形成一個相互交叉點的兩兩相鄰之相等長度的一叉式輻絲去進行排列。

(3)二叉式(2-CROSS):除了兩兩相鄰且相等長度之二叉式輻絲會形成一個交叉點之外，其中的一支二叉式 輻絲還會和第三根二叉式輻絲形成第二個交叉，也就是同側 每根輻絲會與其逆向兩根輻絲形成交叉。

(4)三叉式(3-CROSS)：以相同長度的三叉式輻絲進行與相鄰輻絲的交叉排列，除與之形成一個交叉點之 外，也與其他兩支緊鄰的三叉式輻絲形成另外兩個交叉點， 合計共三個交叉點。

(5).四叉式(4-CROSS)：其輻絲排列的方式則是依照上述交叉排列的法則去進行排列，一四叉式輻絲與其他 四根四叉式輻絲形成交叉，因此使得出現在單一根四叉式輻 絲的交叉點的數目為四個。

上述「叉法」為歐美說法，在日本稱之為「本組」。例如三叉法（three across），在日本稱為六本組。

4.以順逆向搭配不同叉法排列方式:此種輻絲編排方式是依車輪旋轉方向將輻絲順逆向區分採不同叉法，輪圈左右側採 相同方式編列。

    依本中心輻絲編法新型專利要點「鋼絲之斜向係相反於主動件之旋轉方向，而並於 兩兩交叉式鋼絲之間，再設有一輻射式或較少之交叉式鋼絲 。」主要考量旋轉力量有效傳動與剛性維持下能簡化叉法降 低成本。

    利用不同交叉數目的輻絲，是可以互相組合成一些不同型式的輪圈，這個想法乃是 基於數學上的可能想法，將不同交叉數目的輻絲，予以排列 組合後，另外找出有輻射式配一叉式、輻射式配二叉式、輻 射式配三叉式、輻射式配四叉式、一叉式配二叉式、一叉式 配三叉式、一叉式配四叉式、二叉式配三叉式、二叉式配四 叉式、三叉式配四叉式等共計十種輻絲排列方式；經過花鼓 與輪圈的孔數配對繪圖之後，發覺其中的輻射式搭配一叉式、輻射式搭配三叉式、一叉 式搭配二叉式、一叉式搭配四叉式、二叉式搭配三叉式、三 叉式搭配四叉式等六種是屬於不可行的排列組裝方式。

    因此，歸納出一般性輪圈可能的輻絲排列方式，總共有下列四種：輻射式配二叉 式、輻射式配四叉式、一叉式配三叉式、二叉式配四叉式。

5.以輪圈左右側採不同叉法排列方式:以傳統輻絲編排方式（輻射式、一叉式、二叉式、三叉式、四叉式），輪圈左右 側採不同的傳統叉法編列方式，是可以互相組合成一些不同型式的輪圈。花鼓兩邊鍔環 用不同傳統輻絲叉法編列，予以排列組合後，共有輻射式配 一叉式、輻射式配二叉式、輻射式配三叉式、輻射式配四叉 式、一叉式配二叉式、一叉式配三叉式、一叉式配四叉式、 二叉式配三叉式、二叉式配四叉式、三叉式配四叉式等共計 十種輻絲排列方式。

（二） 輻絲排列方式與車輪剛性關係之研究：

1. 徑向剛性研究結果

    由不同輻絲叉法輪圈及不同位置徑向剛性測試比較圖，可明顯看出其位移與受力 大小近似線性關係。在最大負荷（200kgf）時，不同叉法位 移最大差距很小，此結果在實際有內外胎（橡膠）及充氣緩 衝情況下其受力變形差異性將更小，所以不同輻絲叉法輪圈 其徑向剛性差異很小。

    經統計不同輻絲叉法輪圈其徑向剛性會有差異，但因 自行車負載力量不大，所以在最大負荷時其位移變形差異仍 很小。

    加大測試力量情況下，約在230kgf時輻絲會脫離輪圈鬆動使輪圈變形突然增加， 而在約480kgf時輪圈有類似降伏（yield）情況，但都在最 大使用負荷之上，所以就本試驗品而言，其徑向剛性足夠使 用。

2. 側向剛性研究成果

    由不同輻絲叉法輪圈及不同位置側向剛性測試比較圖，可明顯看出其位移與受力 大小近似線性關係。在最大負荷（20kgf）時，不同叉法位 移最大差距約等於0.7mm。此結果在實際有內外胎（橡膠）及充氣緩衝情況下其受力 變形差異性將更小，所以不同輻絲叉法輪圈其側向剛性差異 很小。

    經統計不同輻絲叉法輪圈其側向剛性會有差異，但因自行車負載力量不大，所以在 最大負荷時其位移變形差異仍很小。

3. 旋轉剛性研究結果

    由不同輻絲叉法輪圈及不同鋼索纏繞方式的旋轉剛性測試比較圖，可明顯看出其位 移與受力大小近似線性關係，除輻射式輻絲叉法旋轉剛性偏 弱外，其他叉法其旋轉剛性差異不大。

    經統計不同輻絲叉法輪圈其旋轉剛性會有明顯差異，變形量需視使用最大扭矩而 定，當使用扭矩不大時，不同叉法其旋轉剛性會差距較小， 但隨著使用扭矩增加其旋轉剛性差距會增大，其中最明顯不 同也是最弱的是輻射式輪圈，其他叉法依使用扭矩強度需求，考量其變形狀態設計最經 濟、最容易生產也最合用輪圈。

4.電腦模擬分析

    為了清楚不同輻絲叉法其旋轉剛性間關係，以電腦實物尺寸3D立體模擬分析，將 各種因素設定一致，方便比較不同輻絲叉法其旋轉剛性間關 係。

（三）車輪平衡與輻絲預力之調整設定：本研究主要針對前輪輪圈而言，後輪圈因左右輻絲長度不同且有偏移情況，其左右 側輻絲平均預力會有不同。

    統計分析結果，輻絲平均預力最好設定在65kgf左右，使輪圈中最大及最小輻絲 預力不至於太緊或太鬆。

    在組裝時當輻絲預力大於110kgf後輻絲就已很緊，要再鎖緊需費很大力量，且輻絲 已很堅硬缺乏彈性特點；在組裝時當輻絲預力小於20kgf後 輻絲就已很鬆，失去輻絲該有功用。所以就組裝感覺而言， 輻絲平均預力設定在65kgf左右是比較好的狀態。

    日本振興學會井上先生曾做過輻絲疲勞試驗，其結果就輻絲預力大小而言，當輻絲 預力在30-100kgf時其壽命差異性不大，但當輻絲預力大於 100kgf或小於30kgf後其疲勞差異很大，壽命顯著降低。所 以就使用壽命考量而言，輻絲平均預力設定在65kgf左右是 比較堅固耐用。

    輻絲平均預力設定在65kgf左右，對一般手工組裝而言只能做參考指標，但對大 批量工廠生產而言，是一種重要參考數據，以便調整自動化 銅頭鎖固機械的扭矩力量，使產品品質功能更能確保。

（四）輻絲預力與車輪剛性關係之研究

    輻絲平均預力愈大，其在徑向（Y軸向）、側向（Z軸向）、旋轉（X軸向）的分 力也愈大，呈現更強的抗徑向、側向、旋轉剛性。

    除非是使用高級輪圈，否則一般最普遍使用的輪圈，組立後各輻絲預力會有不少差 異。為了確保上述輻絲預力與平衡性關係，輻絲平均預力不 會差距很多。

    依文獻自行車前輪最大徑向負荷約200kgf，最大側向負荷約20kgf，其負荷都很 小，且由實驗得知輻絲平均預力在65kgf左右不要偏離太多，其徑向剛性及側向剛性差 異很小（造成輪圈變形量很小）。

    對旋轉剛性而言，平均輻絲預力在X軸向分力大小依輻射式到四叉式分別為0% ～6.9%之間。輻絲平均預力愈高，其剛性愈強，傳動性能更好，但相對整體輪圈會變得 更僵硬，原有輪圈輻絲彈性特點會降低。所以需多大輻絲平 均預力值是最佳狀態，有賴設計者多方考量。

（五）不同叉法材料用量

    依不同叉法輻絲長度分析，以目前最常用三叉式輪圈其輻絲材料用量設定成1，其 他叉法輻絲材料用量如下表所示：

    由上表分析結果，不同叉法間其材料用量差異性不大，要由不同叉法來達到成本 降低效果相當有限，在不影響使用剛性強度下，可考量使用 較少輻絲數目或降低輻絲直徑。 

本文節錄自經濟部八十七年度科技專案技術報告（87A02-01），僅此致謝。

作者之簡介：劉虣虣:財團法人自行車工業研究發展中心 副總經理
蘇銘注:財團法人自行車工業研究發展中心 副工程師
張誌裕:財團法人自行車工業研究發展中心 副工程師

*1：使用I-DEAS MASTER MODELER 6.0 繪製12種不同叉法輪圈實體3D圖形 ，用MSC/NASTRAN 進行有限元素分析。
*2：徑向剛性模擬同實驗方式施力，花鼓鎖固測試，施力值100kgf。
*3：側向剛性模擬同實驗方式施力，花鼓鎖固測試，施力值100kgf。
*4：旋轉剛性模擬同實驗方式施力，花鼓鎖固測試，施力值100kgf，力臂長274mm。
*5：輪圈及輻絲材質設定分別使用6061 T6鋁材及不銹鋼材。