自行车制动器可分为轮辋制动器和轮毂制动器（包括盘式制动器）两大类。不同类型的刹车会在轮辋上产生不同的力，辐条系带也会产生一定的作用。在这篇博文中，我们将计算两种制动器和两种辐条系带在轮辋上的应力。事实证明，辐条径向带与轮毂制动器的组合是一个坏的组合。
刹车、轮辋和辐条样式简介
你有没有注意过，自行车的后轮从来没有径向系带？或者，你可能已经注意到，环法自行车赛（Tour of France）用车的前轮在过渡到盘式制动后看起来有些不同。原因是：为了避免在轮辋上施加过大的力，踩踏和制动产生的扭矩需要一个切向系带的车轮。这些力不会产生在轮辋制动器上，因为整个车轮作为一个拱形工作，轮毂上没有任何扭矩。这样会使轮辋更轻，从而解释了为什么有些轮辋上有一个警告：“仅限轮辋刹车！”
2005 年典型的铁人三项自行车，展示了当时高性能赛车的径向辐条的布局特点。图片由 GS 提供，א x 重新制作——自己的作品。通过Wikimedia Commons 获得许可（CC BY-SA 3.0）。
请注意，国际自行车联盟（UCI）在 2018 年之前禁止使用盘式制动，而且这一变化并不是没有争议。接下来，我们从结构力学的角度看看差异有多大……
模拟自行车轮辋中的力
本文，我们讨论模拟自行车轮辋模型中的力，模型使用COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品设计模块和结构力学模块建模。
模型中的轮辋和轮毂由铝制成，辐条由结构钢制成。轮胎压力设置为 3bar，使用 螺栓预紧力 特征施加 1kN 的辐条张力。考虑了几何非线性，使得模型的非线性增加，因此应用了逐渐施加载荷力。两种类型的刹车器作为单独的载荷施加，而辐条系带样式由一个参数控制。除了系带和刹车类型给出的四种情况外，我们还计算了制动力的影响。
仿真结果
下图显示了两种载荷和几何形状的轮辋中的平均应力。带有径向辐条系带和盘式制动器的外壳具有更大的应力。这解释了为什么使用专为轮辋制动器和盘式制动器设计的轮辋是不安全的。
盘式制动器会产生更大的轮辋力，这可能会导致切向系带车轮的车轮屈曲。
在径向辐条情况下，为了实现轮毂上的扭矩平衡，辐条力重新定向很有必要。这也是造成盘式制动器具有很大轮辋力的原因，如下图所示。这个应力虽然明显低于材料屈服应力，但仍可能足以导致屈曲失效。
为盘式制动器绘制的轮辋应力（彩虹色表）。请注意在径向辐条（右）情况下，轮辋如何相对于轮毂旋转。
轮辋的突然失效是一方面，但在保持对自行车的控制方面，刚度也可以发挥重要作用。下图显示了两种类型系带和制动的轮辋相对于轮毂的旋转情况。盘缘制动器引起轮辋的边缘旋转，而径向系带车轮上的轮辋制动器引起大的变形。
轮辋旋转主要取决于车轮系带和刹车类型（注意角度为对数轴）。
总结
我们模拟了不同刹车类型和辐条系带的自行车轮辋中的力。仿真结果解释了为什么有些轮辋中带有警告，并且还解释了为什么有些人仍然非常信赖轮辋制动器。
我们还有一篇以前的博客文章：自行车踏板如何保持不动？是关于自行车踏板的。这篇博客解释了为什么自行车踏板往往会停留在上面，如果您对此感兴趣，欢迎阅读。
下一步
单击下面的按钮，尝试模拟这篇博客文章中讨论的自行车轮辋模型：
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