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在过去的200年里，自行车已经有过无数种设计，没有人真正总结过究竟有过多少种不同设计。这些自行车都有着时代的烙印和功能性的倾向。今天，市场上依然有各种不同类型的专用自行车，每一家品牌都有自己的一套对车架几何设计的认识。在设计上都会根据不同类型，不同各品牌不同用途而对车架进行有针对性的设计。而这一切，最终都会因为车架的几何角度而有所差别。这也是自行车设计的魅力所在。
你可以在两个不同类型，不同大小的车上复制出来相同的踩踏位置和车把位置以及前申量，但是你却很难复制出来同样的骑行感受。头管角度，前叉偏移量，Trail（轨迹量）和车轮翻转触发量：这些都只是影响自行车转向和操纵的一些参数，当这些数字出现在我们常见的自行车几何表，或者几何图上时，这些数字看起来好像毫无意义，不仅不直观，也不知道他们究竟带来了什么改变。
- 不同类型角度的车架，只要在合理范围内，都可以通过把立、坐管、车把调整到和你以前的老车一样的位置，但是事实上，即使这些位置没有变，你的车还是会有一些不同骑行感受。为什么？
对于大多数的车手来说，他们非常清楚一个合适的车架的重要性，我们在以前的文章中，也有写过关于车架尺寸的文章，感兴趣可以去翻阅一下。在这些文章中，我们描述了不同类型的车架通过看哪些数值，可以让你获得一个合适大小的车架。
当然，合适只是对于你来说大小合适，因为在一辆车上还有很多其他方面的数据，例如头管角度，轨迹量（Trail），一旦你获得了合适的大小，这些数字就和大小无关了，但是这些数据却会对车手的操控感受带来影响（更灵活，更敏捷，转弯半径更大更小等）。因为这些数据会对自行车的操控带来影响，无论是在平路，上坡，转向，越过障碍物甚至在飞跃中。这对增加车手的安全性和提高他们的信心非常重要，在某些情况下，它可以帮助车手有更好的表现。即使你只是随便骑骑，一辆易于操控的车，也会提升你对骑行运动的感受。
- 上图显示了一个电脑模拟的自行车倾斜转向动图，可以看到，除了转动车把，通过倾斜，车把也会自己转动，并且这可以在车架设计中得到控制，具体怎么操作，请继续阅读。
在过去两个世纪的大量实践经验中，我们已经已经获得很多关于如何提高操控性的数据。学术界已经剖析了运动的动态，并确定了自稳定的最低要求（详细内容可以查阅维基百科：Bicycle and motorcycle dynamics）。而在自行车行业，则已经尝试了各种设计，以确定这些设计中哪些有效，哪些无效。
- 所有自行车的几何图上都会标注有各种尺寸和角度，但是那些对转向很重要的数据，才是真正影响自行车操控方式的参数。
虽然关于自行车操控性的探索还在继续，但是目前的工作已经为自行车确定了一套核心的参数。并且在这些参数中会存在各种类型和轻重，有些参数影响更大，而有些参数会影响到其他参数。但是这些参数都有一个共同的功能，就是参与自行车转向。
转向保持平衡
首先，你可以先回想一下学习骑自行车是一种什么感觉：你的车把总是会有一种让你恐惧的转弯倾向，似乎抑制这种车把的转弯才是保持自行车直立不倒的关键所在。但事实是，当你每次做出努力阻止车把转动时，实际上你的自行车都翻了。诀窍在于转向的时机和转向的方向，而这就是保持自行车直立不倒的诀窍所在。
- 如上图，虽然有些违反直觉，但是事实就是你需要向倾斜的方向转动车把，以把下落的中心重新捕捉回来。只要你足够快，就总可以在失去控制前让自行车直立。
下边的描述，似乎是一个很反直觉的概念，但是确是非常有效的方法，因为当你把车轮转向你要倾倒的方向时，只要移动速度足够快，你就可以“捕捉”到下落的重心（质量），自行车就可以每次都保持不倒。
- 上边的动图是一个模拟“捕捉质心”的试验，小棍可以左右运动，但不能前后运动，下边的小车用来保持小棍的平衡。当小棍向一侧倒时，必须用下边的小车以更快的速度移动向小棍倒的方向，只要小棍的重心没有超过可控范围，就可以在小棍倾倒之前把重心捕捉回来。但是在自行车上，这会更加的复杂，请继续阅读……
举个例子，这就像你用手顶住扫把的一端让扫把立起来并保持扫把不倒（你们可以跟着尝试一下），当扫把倒向一方时，重心开始下降，此时你的手要移动向重心下降的方向，而不是反方向，如过你这样做，扫把会倒的更快。
当你平稳骑行时，就是你不断把重心捕捉回来的过程，这个过程是反向的，向那边倒，就向哪边转。
但是有时候，我们需要自行车倒向一边。虽然这听起来很可怕，但是如果没有它就没有办法转弯。这就是为什么自行车、车手在过弯时要保持一定的倾斜角度，这就是上一段反直觉的分析的结果：如果你向哪里倾倒，你就要向哪里转向，这才能保持自行车不进一步倾倒。在这里需要需要强调一下，当自行车离开弯道时，车手需要利用车把转向让自行车回到正确姿态的能力会变得至关重要。
- 上图展示了车手在过弯时的姿态，这个过程并不需要你刻意的去转动车把，用身体转向才是车把转向的关键所在，了解更多请继续阅读……
虽然，转向对于控制自行车的方向很重要，但是在车手可以控制它之前，这主要还是一个辅助作用。
- 上图：相信很多人都参加过慢骑自行车的比赛，虽然这种低速状态很好的展示了保持平衡需要用车把转向来维持，但是这并不是唯一保持自行车平衡的方法，你还可以通过身体倾斜转向，而且使用的更多，了解更多继续阅读……
这就像在低速骑行时，自行车会发生不规则的转弯，因为骑车的人正在努力保持自行车直立并控制自行车的方向。事实上，不仅在低速，在任何状态下，车手实际上都在通过控制自行车的方向来阻止自行车倾倒。
用手和身体完成转向
从大的层面上来看，骑自行车控制方向一共有两种方法：
第一个，通过车把。这个很好理解也很直观，并且通过长期的练习，通过车把转向会成为你一种帮助自行车转向的潜移默化的行为。
- 如上图：如果必须要通过双手转动车把来转向，那么这种情况就不会发生：当没有人骑行，但是自行车具有一定速度是，它会处于一种自稳定状态，并且倾斜车身会带来车把转向。
第二种就是用身体转向。如果你玩过大撒把，你就会明白这是一种什么感觉：当你坐在车座上并轻微倾斜身体时，车把就会向着倾斜的方向转动。（这些移动量也是可以通过改变车架几何角度来实现的，这也是为什么有些车在撒把时更稳定，有些则很灵活的原因。）
- 如果对自行车的控制完全只能依赖用手转动车把，那么这种状态就是不可能完成的。
影响转向响应的几何角度
介于转向的重要性，所以车架前部的几何角度对操控性的影响是最大的。而这些设置中，头管必然是第一个，但是就像下边我们还要陆续提到的其他数据：前叉偏移量（在头管角度一定时），通过改变前叉偏移量会进一步的影响trail值（轨迹值）和车轮翻转值（反映了前轮转向时轴心的下降高度）。另外，当以上这些确定下来以后，车轮的大小，把立的长度，车把的宽度，以及轮胎的高度也会对转向起作用，当车轮旋转时，本身的陀螺效应也是如此。
除了车辆前部的这些数据外，自行车上的其他参数也会影响转向的处理方式。其中包括五通的高度，前后轮的轴距以及骑行者在自行车上的重量分布等等。而所有这些，都将会在接下来的章节中进行讨论，不过需要说明的是，为了方便剖析，虽然每个参数的实际影响会独立讨论，但是它们并不是不相关的，而是互相影响的。
1. 头管角度
在所有影响自行车操控的因素中，头管角度可能是最容易理解的。简单来说，头管角度决定了转动前轮需要用多大的力。随着头管角度的增加（头管更加直立），前轮转向也会变的更容易。更大的头管角度也可以完成一些更急的转弯，因此，自行车的灵活性（可操控性）会随着头管角度的增加而增加。
在低速状态下，更大的头管角度（想象一下接近90度的直立头管）可以帮助车手保持平衡。使用车把转向会更加的容易。但是，也会由于过于容易而出现转向过度的情况。而在高速状态下，快速而灵敏的转向会成为一种负担，因为自行车会更容易的超过可控范围，很有可能会带来无法预测的失控。
- 如上图的BMX小轮车，单独分析头管部分，比大部分的公路车头管角度都要陡峭，配合同样比较大的前叉偏移量，最终获得了一个更加小的轨迹量（trail）。头管角度和前叉偏移量的关系:其中一方固定下来以后，另一方增加“数值”，trail就会减少。反过来减小“数值”，trail就会增加。
反过来，更加小的头管角度（想象一下45度甚至更平的头管角度），虽然在低速状态下转向可能会有些沉重，但是这种不那么快速和灵敏的状态会提高高速下的稳定性。
- 如上图：对于偏下坡的车型来说，他们都会有一个比较小的头管角度，配合不同的偏移量的前叉会得到不同的trail值（不过，在两辆trail一样的车上，也会有不同的骑行感受这个在后边的车轮翻转值里会提到），当下坡时，头管角度增大，前叉偏移量相较于头管位置没有发生变化，所以在下坡中trail会减小，这会更灵活。反过来在大角度的车上，有些情况下trail还会是负数，这会及其不稳定，了解更多请继续阅读……
例如，在一些用于穿梭在城市中的，需要切割急弯躲避障碍的死飞车架上，头管角度会在74度甚至更大（比如公路车一般在73度上下）。而在需要应付棘手的地形和高速下坡的山地车上，则可能会有64度的头管角度（具体更具用途会有不同的设计，比如XC的会更大一些：71度左右）。
虽然自行车的转向不仅仅是依赖于头管角度，但是总的来说，头管角度给自行车的操控设定了一个基调。下边我们要讨论的就是前叉偏移量（Fork Rake），更具体的说，是它和头管角度一起“组成”了轨迹量（Trail）。
轨迹量（Trail）
概念：当车轮和地面的接触点处于转向轴的后方时，车轮将倾向于和自行车前进的方向对齐。比如我们常见到的购物车上的轮子，或者电脑椅上的轮子，在实际生活中，这方面的运用非常多。也被称为“脚轮效应”
- 紫线相当于自行车的头管角度，此时如果向左拽动电脑椅，由于轮子的接触面处于转向轴前方，这是一种不稳定状态，所以转向轮自动就会转到紫色转向轴的后方。当处于图上这种情况进行向右侧运动时，车轮的滚动轨迹会非常的稳定，自动处于转向轴中心滚动。可以简单这么理解，当接触面在转向轴前方时就会不稳定，当处在转向轴后方时就会稳定下来。
（在2011年已经有试验团队通过试验验证了无需通过轨迹量-trail，就可以实现自行车自稳定，这实际上也在告诉我们，在实践探索的部分中，车架的几何角度还有非常大的挖掘空间，以前的经验论只是告诉我们哪些有效，哪些无效，但是并没有说明其中的原因，感兴趣可以搜索文章：a bicycle can be self-stable without gyroscopic or caster effects。）
一定的轨迹量（Trail）可以保持前轮居中的同时无需车手进行任何操作，这让轨迹量在自行车高速状态下变得越来越重要。不过，如果轨迹量过大，那么自行车将会很难操控。
自行车的轨迹量主要取决于以下三个要素：头管角度，前叉偏移量和车轮尺寸（相同尺寸不同胎宽也会影响车轮尺寸）。当车轮的尺寸和前叉偏移量保持不变时，随着头管角度的减小（更加松弛先后倾斜），那么轨迹量Trail就会随之增加（图1）。这可以保持前轮更倾向于回到中心位置，也是更小的头管角度会带来的更稳定效应的主要原因。
而当头管角度和轮径不变时，减少前叉的偏移量则会增加轨迹量（Trail），这在图上来看是一种比较反直觉的情况，因为减少前叉偏移量实际会让车轮更加的靠近自行车。然而，在这里前轮相对于自行车其余部分的位置对于这种效果并不重要；重要的是它相对于头管的转向轴的的位置。
- 如图：这种自行车上八九十年代的场地车上非常流行，反向头管既缩短了轴距增加灵活性，减小了前轮的尺寸减小了跟车距离，又增加了轨迹值提高了稳定性。所以当你觉得反直觉时，其实画出来就能看明白。
因此，在一个已经给定头管角度的车架上，可以通过减少前叉的偏移量，使轮胎的接地位置更加相对于转向轴靠后。
- 比如这张gif图中的自行车，就是通过在一辆常规自行车上把前叉向后敲弯了一些，用缩小前叉偏移量的方法增加了该车的轨迹量（Trail）。
由于本节开头提到的“脚轮效应”，这会让车轮自动居中。这就是为什么在场地车上还出现过一段把前叉颠倒过来的设计，因为负的前叉偏移量会大大的增加轨迹量（Trail），从而进一步增加自行车在高速下的稳定性。
- 所有自行车的轨迹量（Trail）都取决于头管角度和前叉偏移量。上图显示的为安装了25mm轮胎的700C公路车的轨迹数值变化图（横坐标为前叉偏移量Fork Rake，纵坐标为轨迹量Trail，单位为mm）。
增加前叉的偏移量会产生相反的效果：随着轨迹量（Trail）数值变小，前轮自动居中的能力会减弱直到消失。通过增加大量的前叉偏移量，你甚至可以完全消除轨迹量（甚至创建负轨迹量，此时轮胎接地面位于转向轴前方），这会让转向非常灵敏，即使在低速状态下也会难以操控。
- 如上图，在探索自行车结合角度的过程中曾经就出现过0轨迹量的自行车，但是随着实践的深入探索，轨迹量和偏移量与头管角度的关系，也渐渐地被人所熟知，哪些设置有效，哪些设置不好，也就成了之后设计车架的指导。
对于公路车而言，人们普遍认为55-60mm的轨迹量（Trail）是理想范围，提供了可操控性（灵活性）和稳定性之间的平衡。更大一些的轨迹量通常适用于gravel公路车和山地车，而更少的轨迹量通常适用于载货自行车或者旅行车（前叉上的载重会让车轮难以转弯，因此需要更快的转向相应）。
※ 机械轨迹量：通过轮胎接触面和转向轴垂直的距离。机械轨迹量也被称为真实轨迹量，它和地面上的轨迹量密切相关，因为增加其中一个就会导致另一个增加。地面上的轨迹量是对机械轨迹量良好模拟，但是机械轨迹量是更加真实的测量，因为它的大小直接与车轮自动居中的“脚轮效应”相关。
感谢您能看到这里，如果您对自行车几何设计方面的文章感兴趣，可以关注单车基械匠，后边还会延续今天内容继续讲解。而今天的也只是冰山一角，并且也算是由浅入深的进行的的概述。下边几篇文章将会继续就我们提到的其他变量进行讲解。我们下期再见：单车基械匠，每天给您带来更多新奇，好玩，有趣，实用的单车知识。
