Re: [問題] 扁鋼絲與圓鋼絲的強度差異

[john0312 (Chen John L)]

※ 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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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 220.134.19.219
推 chienjr:推
推 sitos:推
推 chandler0227:這不是抗拉強度的問題吧? 圓跟扁鋼絲的差異是撓度
由於單車在騎乘的過程中, 幾乎都是平衡的, 所以主要的力

都是與輪子半徑平行的力, 而且造成鋼絲斷裂的力也是

與輪子半徑平行的力, 所以才會討論抗拉強度.

推 GoodFriday:還查了一下確定沒認錯ID XD
※ 編輯: john0312        來自: 220.134.19.219       (11/14 17:21)
推 chandler0227:這個例子應該是Reversed stress造成Fatigue
→ chandler0227:在計算時會用到Endurance Strength而非UTS
我第一段計算UTS想表達的是他不是被拉斷的,

而是Fatigue造成他斷裂. 抱歉我中文表達不好.

→ chandler0227:計算中的一個參數Size Factor會受截面形狀影響
Size Factor確實會有影響, 不過像鋼絲這麼細的,

影響不是很大, 由於原Po問會不會差"很多", 所以我才

忽略.

→ chandler0227:所以即使相同截面積,還是會跟形狀有關
推 chandler0227:你忽略了轉彎鋼絲會bending造成的輪組變形(剛性)
囧, 這句我看好久才看懂, 一直在想什麼是轉彎鋼絲...

轉彎時, 確實會有不平行於半徑的力 (Side Load).

這些力跟平行於半徑的力, 比例是tan(x), x為轉彎時

你的單車偏離垂直的角度. 一般來說這個力相較於

平行半徑的力小很多, 除非你腳踏車像重機一樣壓車.

→ IOUPTT:樓下也學過材力
※ 編輯: john0312        來自: 220.134.19.219       (11/14 17:38)
推 chandler0227:尺寸越小Cs(size factor)受De(有效直徑)的影響會越大
→ chandler0227:同截面積下,截面形狀不同,De也會不同
→ chandler0227:這個case下討論的Fatigue,軸向應力當然也有關
→ chandler0227:但是還要加入Bending造成的Shear Stress討論,後者會
→ chandler0227:受尺寸形狀影響甚大
推 chandler0227:Side Load雖然不大,但造成的局部應力有可能會非常大
→ chandler0227:Fatigue要看的是局部區域應力最大處(最脆弱)
這些確實會有影響, 但既然是討論Fatigue, 我們

就要考慮他多常發生. 我們騎腳踏大多時間都是

直的騎, 轉彎相對於直的騎是少很多的, 所以說

就算他的Fatigue Life在這種情況下短十倍,

但是他發生的頻率不只少十倍, 因此雖然他有差,

但以大方向來說, 我們可以忽略他.


我建議你可以看看大多鋼絲斷掉的狀況, 他們的

Crack Initiation不一定來自同一個方向, 代表

他們斷裂的主因不是Side Load.


當然你說的在材力上都是正確的, 且確實會影響,

如果我們今天要精確的估算他的壽命, 那這些都該

考慮, 甚至直接拿ANSYS跑模擬. 不過今天只是討論

大致上來說會不會"差很多", 由於其他因素的造成的

差別, 相較於這些來的大, 因此為了避免傷害版眾的

腦神經, 所以才忽略大多該計算卻沒計算的, 畢竟這邊

不是每個人都是主修ME的. (PS: 我只是輔修而已)

※ 編輯: john0312        來自: 220.134.19.219       (11/14 18:15)
推 chandler0227:簡單講我是要表達不該只看側力大小,而是要看側力造成
→ chandler0227:的"應力"大小,而側向力因Benging造成的Shear Stress
→ chandler0227:會跟截面形狀有關
推 ds1441:空心的才有差，這種實心的考慮截面積就很用心了
推 chandler0227:我的想法是圓跟扁鋼絲都一定能達到相同強度
→ chandler0227:廠商一定有考量(甚至做過有限元素分析)
→ chandler0227:但在相同強度的考量下扁鋼絲基於製成上會比圓鋼絲難
→ chandler0227:難度較高會反應在價格上,這也是扁鋼絲普遍貴的原因
推 chandler0227:能這樣一起互相討論滿好的 ^^
→ john0312:是真的, 能複習一下材力跟製造學感覺滿不錯的. =D
推 jameshulin:這篇賺不少P幣
→ john0312:被發現了... 科科
推 mingxian:哇！好久不見的材料力學@@
推 Nomoresin:推一個
→ leouni:科科 扁跟圓鋼絲 最大差異是在I...  這篇很...
→ leouni:最直接影響就是撓度  同2f所說...
→ panpan19:後面小部分改一下，進入塑性區只要應力超過初始降伏應力
→ panpan19:就夠了，還有扁鋼絲若是輥軋製程，則可以加強鉛直方向上
→ panpan19:的強度，也就是延緩進入塑性區，減少永久變形的可能。
→ panpan19:唉唷，應該叫初始降伏"強度"才對XD
推 moby0510:鋁的UTS比較低，這樣的觀點可以套用在鋁製車架嗎?
→ moby0510:如果可以，那鋁車架不就...隨時會斷?
推 Socicom:鋁車架通常比較粗..管壁也比較厚..況且車架要看整體構型
→ panpan19:別緊張，這些都有設定安全係數，沒這麼可怕。
→ panpan19:機械元件設計通常不會考慮使用期間所受應力達初始降伏強
→ panpan19:度，通常元件製造才會用到塑性區，而且各種元件都有其安
→ panpan19:全係數的規範，單車架是不清楚，像市面氣瓶安全係數都有
→ panpan19:4~5，安全係數敢取1點幾的常見的只有航空業，免驚免驚~
→ john0312:是這樣沒錯的. 不過這個用在車架上時要注意的是, 金屬
→ john0312:疲勞是算次數的. 對鋼絲來說, 輪子每滾一圈就一次, 但是
→ john0312:對車架來說, 你要騎上去(給他力)然後再下來(再鬆掉), 算
→ john0312:一次. 一般金屬疲勞都幾十幾百萬次才會斷, 所以如panpan
→ john0312:所說, 他有安全係數, 除非你天生神力, 不然短短幾年,
→ john0312:想把車架搞到金屬疲勞斷裂, 可能有一點困難.
推 brtim:專業，推！