扁鋼絲與圓鋼絲的強度差異 - 單車

※ 引述《paytonle66 (lee)》之銘言：
: 各位車友大家好
: 小弟昨天外出騎車時後輪鋼絲斷一根
: 當時沒注意到還繼續騎
: 後來越騎越怪,停車檢查後才發現鋼絲斷了,框也歪了
: 拿到車行找老闆請問換鋼絲的價格時
: 老闆先算了一下鋼絲有幾條
: 然後就說
: 28根的台製輪組強度不夠,使用的扁鋼絲等級也不好
: 用圓鋼絲的強度才會夠,我店內8萬多了車子也是圓鋼絲
: 我的輪組是富士成車的,關於輪組資訊網站也只有如下敘述
: 輪組 Novatec 培林花鼓 / Alex R390輪圈 / 鍛造扁鋼絲
: 想請問一下各位車友
: 扁鋼絲的強度會比圓鋼絲差很多嗎
: 謝謝

本篇對部分非理工科系的朋友可能會有一點難理解,

若看不懂可以考慮直接看結尾的結論.


在說明鋼絲為何斷裂之前, 我們需要先了解一個概念,就是

Ultimate Tensile Strength (以下簡稱UTS). 每個材料在

不塑性變形(Plastic Deformation)的情況下承受的力,

就是這個材料的UTS, 但為了排除物體截面積的影響, 一般

這個力我們都用壓力來表示(力/截面積). 由於在斷裂之前,

一定會發生塑性變形, 所以要計算某個物體(i.e. 鋼絲)

要斷裂最少的力, 我們只要查出他的材料的UTS, 再乘上他

的截面積, 就是這個物體能承受最大的力.

F = (UTS) * Ac

以一般14G鋼絲(直徑2mm), 以及一般的鋼來算, 這個力大約

等於 1885N, 約180kgf.

所以在這邊我們可以得知, 一根鋼絲的強度跟他的截面積有關,

所以當你問圓的還是扁的比較強, 那要看哪一根, 因為重點是

他們的截面積, 不是他是圓的還是扁的.


但是值得注意的是, 很明顯的, 一般路面狀況下, 一跟鋼絲是

不可能遇到這麼大的力, 那為什麼他會斷裂?

因為有另一種斷裂模式, 叫做Fatigue Failure, 就像迴紋針,

你一直重複彎他, 雖然沒有一次的力是足夠一口氣拉斷他,

但是他還是斷了. 鋼絲也是這樣斷的.


影響Fatigue Failure的因素不只UTS, 或是他所受的力(你的

體重)跟次數(使用時間). 還有一個因素是表面處理, 因為

Fatigue Failure的起因是表面產生微小的裂縫, 然後逐漸

擴散, 最終導致斷裂. 良好的表面處理能避免裂縫生成.

當然表面處理這種東西一般消費者很難判定, 廠商也懶的

跟你講一堆, 其他使用者也沒把鋼絲到電子顯微鏡下面去看,

所以根本無從得知.


一般我們評估Fatigue Failure是使用S-N圖, 也就是在多大

的力下重複動作, 需要重複動作多少次才會斷裂. 對於鋼

這種材質(以及鈦也是), 在力量小於某個固定值(Endurance

Limit)時, 他不會有Fatigue Failure的問題. 而對於其他

金屬如鋁, 無論力量多小, 都會有Fatigue Failure, 只是要

重複多少次而已.


剛剛提到的Endurance Limit, 在編輪及挑選材料的時候就會

變成需要考量的因素. 鋼絲所受的力有靜態的跟動態的,

靜態的是編輪時的張力, 動態的是輪子轉動時會發生的力.

這些例如在Endurance Limit以內, 鋼絲就永遠不會斷. 所以

在設計輪子時,我們可以把輪子設計成在某體重以內, 對鋼絲

的所有力都不會超過Endurance Limit. 或是我們可以透過

S-N圖, 去計算大約多少次這鋼絲會斷, 進而換算成這輪組

的壽命 (輪子每轉一圈鋼絲就受一次力). 另外值得一提的是

鋁沒有Endurance Limit, 所以鋁幅條總有一天一定會斷,

再加上鋁UTS本身就低, 他的壽命也跟著大打折扣.


另外編輪時還有一個常見的步驟叫做應力適放, 我們稍微

來探討一下這個步驟背後的原理. ( 其實這個步驟常常被

做錯, 不過這離題了 ) 鋼絲在編輪的過程中都會被彎曲,

當鋼絲被彎曲的時候, 這鋼絲裡面部分的已經達到了UTS

的力量, 所以這部分的鋼絲會塑性變形(永久性變形), 而

其他部分則是彈性變性, 因為沒有達到UTS. 彈性變形的

部分, 跟彈簧一樣, 只要變形還在, 就會對其他部分施力.

當他對其他部分施力, 就增加了鋼絲受到的力, 這自然會

減短鋼絲的壽命. 因此我們對鋼絲施一個超過UTS很多的力,

確保鋼絲的每個部分都塑性變形, 這樣就不會有多餘的力

在剛絲裡面減少鋼絲的壽命.


另外一點, 就是當鋼絲鬆調的時候, 他本身沒有足夠的張力,

所以當需要支撐體重的力時, 他就會完全喪失張力, 進入

被壓縮的狀態, 當然鋼絲不能被壓縮, 因為他可以往旁邊跑,

這時鋼絲就會彎曲. 彎曲的後果就是力都集中在靠近花鼓附近,

騎乘時, 輪子每轉一圈, 鋼絲就重複這樣彎曲跟恢復張力的

動作, 結果就是靠近花鼓附近達到Fatigue Limit, 就斷了.

( 如果你鋼絲不是斷在花鼓附近, 就當我沒說吧... )

--------------------- 結論 ---------------------

1. 扁跟圓, 單純以形狀來說, 相較於其他因素, 影響不大.

重點在截面積, 不在形狀.

2. 編輪時的材料挑選及正確的應力釋放會讓鋼絲更耐用.

3. 如果你的鋼絲是斷在花鼓附近, 那很有可能是鋼絲

鬆掉了你沒發現, 最終導致斷裂.

4. 為了避免第三項的情況, 建議定期檢查偏擺, 若有問題

就去校正.

5. 如果在意壽命, 鋁幅條不要用.

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