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    【空想科學實驗室】輪胎篇 - TPI

    30TPI與120TPI有什麼不同?

    協力報導:KENDA建大輪胎

     

    【空想科學實驗室】專題繼續討論「輪胎」,公路車輪胎上的資訊除了有尺寸(700x23c)、最小最大胎壓(130 max PSI)外,還有一個常常被忽略的編織密度(120 TPI)。

     

    先前單車時代最於尺寸以及胎壓都有過相關的報導了,而編織密度(TPI)就比較少人去談到,其實高低TPI對於輪胎性能的表現有著相當大的影響,無論從設計面或者使用面來看都是一樣重要。

     

    以自行車輪胎來說,TPI就是Thread Per Inch的縮寫,也就是每一英吋裡所含有的編織物數量。簡單來說30 TPI就是在一英吋範圍裡有30個單位的編織物;120 TPI就是一英吋範圍裡有120個單位的編織物,要在同樣單位範圍裡面塞進更多的編織物,勢必這些編織物就會更細更小更薄,密度更高。

     


    建大Kountach開口胎


     

    看到KENDA的開口胎形式,內層黑色部位就是所謂的編織層,而這個編織層使用不同單位的編織數量對於自行車騎乘有什麼影響,讓我們慢慢看下去。

     

    首先,TPI就是在一英吋範圍裡面的編織量,當編織物越多越細填補用的橡膠就會比較少;反之,編織物越少,填補用的橡膠就越多。從這裡可以看出橡膠使用越多的編織層,吸震效果弱,所以磨擦阻抗較高;使用比較少橡膠的高TPI編織層磨擦阻抗就越小,且吸震效果也較好。

     

    所謂的「吸震效果」這個部分我們先談的是微小的碎震,這個碎震在一般我們使用的輪胎產品裡面其實已經都已經被吸收掉了,幾乎很難察覺到這個碎震的存在。如果我們換成使用實心類型的輪胎就可以感受到所謂的碎震是什麼,可以說是柏油路面的顆粒感非常明顯。雖然在現行輪胎產品裡面幾乎都可以把這個震動消除,但細說起來還是有程度之分。

     

    而越輕越薄的高TPI材料想當然的輪胎支撐性就會不佳(單層);反之,低TPI材料相對比較厚重,會具有較佳的支撐力(單層),這也是為什麼公路車胎幾乎都是高TPI材料所製作而成,那公路車的支撐性就不夠了嗎?當然不是的,為了這樣的原因以及輕薄的優勢,在目前大部分接觸到的輪胎產品幾乎都是多層編織層的設計,並且這樣的強度也足以將胎壓打上更高,使輪胎有足夠的支撐力,甚至在管胎中可達200 PSI左右,而胎壓又是另一方面的問題。至於編織方式在有些輪胎品牌官網中也可以看到,他們會設計成不同角度的層疊,用來加強輪胎的性能。

     

    註:以現行KENDA的公路車開口胎產品來說,大多使用為單層編織層反折形成交疊多層的設計,又以自行車胎來說大多使用類似的方式製作。

     


    2014年古典賽中,選手們除了將胎壓都降低之外,OPQS隊伍使用320 TPI的輪胎換取更佳的舒適
    而現在市面上取得320 TPI的輪胎也較容易

     

    相同設計與製程的輪胎胎壓打到建議值之後,高/低TPI的差異會有什麼回饋反應呢?在低TPI的輪胎當中對於地面不規則的凸起回饋反應會比較大,也是因為編織層比較厚實,撐起來的面積就會讓周邊離開地面,抓地力降低、形變較大也增加滾動阻力與能量損失;另一方面,高TPI輪胎對於不規則路面的凸起反應就比較小,因為編織層較為細密,有足夠的接觸面積,抓地力也較足夠、形變較少故滾動阻力相對較低、能量損失也較低。

     

    而提到登山越野車胎的TPI設計,在越野車胎當中也有高/低TPI之分,必須依照不同的使用情境來區分使用的時機。越高TPI編織層的輪胎面對極端崎嶇的路面,容易因為越小單位接觸面積而造成輪胎型變過高而損壞到內胎或是輪框,講簡單一點,就是在一定胎壓的高TPI輪胎經過階梯這種直角的地形時,因為編織層較軟、支撐性較不足,有很高的機會直接撞上輪框或造成蛇咬;而低TPI的輪胎在面對階梯這樣的地形時,因為整體的支撐比較好、牽動的範圍比較多,在這樣的直角堅硬的地形中可以保持較好的穩定性。

     


    低TPI輪胎支撐性較足夠,橡膠成分較多、重量較重

     

    而輪胎結構當中,從最外層的胎面、胎紋、胎壁到內層的防刺層、編織層等,這整個設計都是經過使用情境來考量的。所以前述我們會先看到低TPI的輪胎中為什麼抓地力比較差,但登山越野車胎多半使用這種類型的輪胎,原因就在於胎面的顆粒、胎紋與輪胎寬度,在連續不規則路面中能保持一定的形狀,才能夠符合越野登山車使用的需求,高衝擊、砂石路面。另一方面高TPI的輪胎通常用於公路車,因抓地力較強、較穩定,而產品設計面上就又會提到整體的設計,包含編織層數量以及胎面、胎紋等,搭配成為高胎壓、支撐性高、滾動阻力低的形式。

     


    高TPI輪胎雖然可以有效吸收不規則路面,但支撐性較不足,力道再大一點的話容易蛇咬

     

    (註:抓地力與磨擦力在輪胎滾動時可以看成是輪胎切線的反作用力,磨擦力並非影響滾動阻力的最大要素;而煞車時磨擦力、接觸面積大小就會影響制動性能)

     

    以輪胎普遍使用橡膠材質的產品來說,編織密度會提到所謂的支撐性,且也關係著輪胎與地面的磨擦阻抗、遲滯效應等關係。所謂遲滯效應指的是當輪胎由框體受力時,同時間輪胎與地面的反應並不是同步的,經過一段時間後會有大部分的力量傳導到地面,當輪胎切向力大於與地面的最大靜磨擦力時輪胎就會滑動(此時是滑動而非滾動,因為我們尚未將載具與地面條件帶入),此時有一部分的力量會因為受力形變與遲滯效應的關係而轉變成熱能而消失,謂之遲滯損失,這個能量也會成為磨擦阻抗的一部分,而產生的形變也是影響滾動阻力主要因素。

     


    高TPI的公路車胎雖然還是具有上述特性,但因整體設計以及胎面設計,使胎壓增加、支撐力增加形變也減少

     

    我們常說輪組的扭轉剛性是從飛輪、棘輪座、輻條、框體等一連串的力量傳達效率,那在框體輪胎、胎壁與胎面同樣有著磨擦阻抗以及牽引力存在。

     

    總歸起來,公路車胎體積比較小、密度高、重量輕,經過整體的輪胎設計之後,具有低磨擦阻抗、舒適、低噪、防刺的功能;登山越野車胎體積大、密度低、重量重,但在經過整體設計之後,具有舒適性、地形泛用性、抓地力強等功能。當然越多的機能以及設計製作工序就會反應在市場售價上,也所以各家輪胎廠商都會推出各種不同的產品來滿足不同程度的使用者。

     

    儘管我們不需要了解到這麼深入的物理概念,但最重要的是要讓讀者們知道,一昧的追求高TPI或者高端產品並非是正確的選擇,選擇對的使用情境與需求才是最有效率、CP值最高的,往往人們只有把價格當做CP值的代表,卻忘了「性能要先乘以需求」。

     

    最後【空想科學實驗室】專題會繼續為讀者帶來自行車上各種相關問題,如果讀者們有任何建議與指教也請來信一同討論。

     

    單車時代E-mail: draft@cyclingtime.com


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