低風阻,競速加

01 / 30 . 2015
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空氣動力模組,降低台灣自行車產業風阻 創新科技專案 / 流體力學在整車設計之分析與應用 文 / 陸子鈞

要是你在城市裡騎著U-Bike,一定不會在意自行車車體的風阻大小,因為身上那件波西米亞長裙所帶來的風阻,肯定大於車體本身的風阻。但要是你穿著車衣在賽道上騎著跑車想勝過其他選手,那麼肯定會在意自行車風阻所決定的關鍵毫秒。現在,競賽車隊想藉由風洞實測設計出低風阻的自行車,不必再遠赴海外了!

台灣的自行車產業名列世界前茅,近幾年的風潮使得自行車廠商從日常通勤,轉戰高單價的精品,其中一塊市場,就是競速用跑車。不過因為自行車廠商負擔不起風洞實驗室,因此要設計低風阻賽車時,都必須仰賴國外的設備。自行車中心的蔡博名經理說:「高單價精品自行車已經從過去主要追求得『輕量』,到現在一併追求低風阻,要是國內廠商無法跟上這波趨勢,很可能就失去了台灣自行車產業在國際上的位置。」

自行車中心的研發團隊,設計了一套自行車的空氣動力檢測平台,再借重位於成功大學的內政部建研所風洞實驗室來測量風阻,「空氣動力從過去應用在飛航設計、到後來的跑車,現在已經用到自行車上了,」但是飛機、跑車的空氣動力行為和自行車不一樣,因此需要另外開發。但光是測量空氣阻力並不夠,研發團隊還會針對測量的結果和模擬運算,提供建議讓廠商設計出風阻更低的產品,蔡經理解釋:「委請國外實驗室作風洞測試只能收到一份結果,空氣動力裡的know-how並不會透漏,廠商很難根據這樣的資料精進設計。」

只要有適當的治具(將樣本固定在風洞設施裡的設備)這套技術從單一的零件,到選手連人帶車都能夠量測風阻。可是事情並沒有這麼簡單,自行車零件之間可能還會互相影響,「整車測量到的風阻,可不是單一零件測值的總和」,舉例來說,下管、前叉可能產生「渦流」,影響後面零件的空氣動力,而且還說不準是增加或者減少了整體的風阻。此外,像是飛輪只安裝在自行車的一側,所以需要整合整車的空氣動力資料,才能微調其他零件的設計來配合飛輪。蔡經理提到:「有些車架不是真的左右對稱,在設計上有眼睛看不太出來的差異。」

「風阻最大的來源是選手」,所以這套空氣動力平台也應用在許多人身部品的低風阻設計上。蔡經理拿出了一款外型特異的頭盔,他說:「像是這頂安全帽,因為導入空氣動力設計,還考慮到選手使用時的散熱、服貼,一頂定價7000多塊。」這定價就和一般的安全帽有明顯的市場區隔。還有像是車衣,因為速度、環境、姿勢不同,所以百米選手的「渦輪之速」或者菲爾普斯的「鯊魚裝」並不適用自行車選手,但是風洞實驗能夠模擬出自行車競賽時的風速或是不同攻角的風向,所以能夠設計出低風阻車衣。低風阻人身部品設計最大的困難在於必須平衡低風阻與舒適,「有些剪裁雖然能創造較低風阻,但可能會讓選手穿起來卡卡,」蔡經理補充說,而且有些低風阻的騎乘姿勢在比賽中禁止,這也要考慮進去。

從整車到零件到人身部品,有了研究團隊的支援,無論逆風順風,國內廠商能在這波低風阻精品自行車趨勢保持競爭力。

我國自行車產品已進入高值化的產品區塊,金字塔頂端的產品使用者與供給者,關心的議題就是如何降低風阻。為解決實務的需求,以模組化、自動化與機電整合設計概念,成功開發出台灣第一台可量測風阻的平台,在風洞內模擬自行車在流場中的作動,使得產品量測具真實性與可靠性,未來可協助產業界發展高品級產品。