自行車摩托車幾何

自行車摩托車幾何是定義特定自行車配置的一組關鍵幾何尺寸（長度和角度）。其中最主要的是軸距、轉向軸角度、前叉偏移和曳距。這些參數對自行車的操控有很大影響。^[1]

自行車幾何參數：軸距（Wheelbase）、轉向軸角度（Steering Axis Angle）、前叉偏移（Fork Offset）和曳距（Trail）

軸距

軸距是指前後輪的地面接觸點之間的距離。軸距與車架長度、轉向軸角度和前叉偏移有關。它與汽車和火車所使用的「軸距」一詞類似。

軸距，以及自行車加騎手整體重心的高度，對自行車的縱向穩定性都有很大影響。短自行車更適合表演翹前輪和翹後輪（英語：Stoppie）。

轉向軸角度

人們從一輛寶馬摩托上的避震前叉可以看到轉向軸角度，也稱後傾角（rake angle）

一個美式摩托車的例子，它的後傾角異常地大

轉向軸與地面垂線的夾角，稱為後傾角（caster angle或rake angle）；轉向軸與地面的夾角，則稱為頭管角（head angle）。轉向軸是轉向機構（包括前叉、車把、前輪（英語：Bicycle wheel）等）轉動的軸線。轉向軸角度通常就是頭管（英語：Head tube）的角度。

自行車頭管角

對於自行車，轉向軸角度是從地面開始測量的，稱為頭管角（head angle）；90°的頭管角是垂直於地面的。例如，雷蒙德賽車（英語：LeMond Racing Cycles）^[2]提供的產品：

• 2007 Filmore是場地車設計，根據車架尺寸，頭管角為72.5°至74°不等。
• 2006 Tete de Course是公路車設計，根據車架尺寸，頭管角為71.25°至74°不等。

由於前叉避震，現代山地車（不同於公路車）的頭管角往往較小，通常在70°左右，但最小可達62°（取決於車架的幾何設置）。^[3]

至少有一家製造商，Cane Creek（英語：Dia-Compe），在售後市場提供無螺紋碗組（英語：Headset (bicycle part)），實現了可變頭管角。^[4]

摩托車後傾角

對於摩托車，轉向軸角度是從地面垂線開始測量的，稱為後傾角（caster angle或rake angle）；^[5]因此，0°的後傾角是垂直於地面的。例如，摩托古茲（英語：Moto Guzzi）^[6]提供的產品：

• 2007 Breva V 1100的後傾角為25°30′（25.5度）
• 2007 Nevada Classic 750的後傾角為27.5°

前叉偏移

前叉偏移（Fork offset）是轉向軸與前輪軸線之間的距離。

公路車前叉的偏移量一般在40—50公釐（1.6—2.0英寸）。^[7]

實現前叉偏移的方法包括：使前叉彎曲，在前叉下端添加垂直的突出部，將叉端（英語：Fork end）轉到轉向軸的前方，以及將左右腿固定在叉肩上時與前叉立管形成一定角度。曲線叉的發明者是喬治·辛格（英語：George Singer (cycle manufacturer)）。^[8]

對於伸縮式叉管（英語：Motorcycle fork）的摩托車，前叉偏移的實現方法是：通過叉肩（Triple tree）的偏移，或將叉管固定到叉肩時為其增加傾角^[9]（通常從0度開始測量），或者是兩者的結合。^[10]此外，有些不太常見的摩托車前叉（英語：Motorcycle fork），例如後連杆或前連杆前叉，可以通過連杆臂的長度來實現偏移。

前叉長度

前叉長度（Fork length）是沿頭管方向，從下碗組到軸中心的距離。^[11]

曳距

該圖顯示了，減小頭管角、前叉偏移或輪徑，對曳距的影響。由上到下： * 一般的頭管角和前叉偏移：基準 * 減小頭管角：曳距增大 * 減小前叉偏移：曳距增大 * 減小輪徑：曳距減小

動畫顯示，若要保持曳距不變，當轉向軸角度變化時，前叉偏移也必須隨之變化。【右上角標示輪徑為26"，下方左、中、右文字分別為頭管角、曳距（毫米）、前叉偏移（毫米）】

動畫顯示，若保持轉向軸角度不變，當曳距變化時，前叉偏移就會隨之變化。（文字同上）

曳距（Trail）是從前輪與地面的接觸點，到轉向軸與地面的交點，沿地面方向的距離。如果前輪與地面的接觸點，位於轉向軸與地面的交點之後（更靠近車尾），則曳距為正。大多數自行車的曳距都是正值，但也有少數自行車，如雙質點冰刀自行車（英語：Two-mass-skate bicycle）和Python Lowracer（一種臥式自行車），其曳距為負。^[12]

曳距通常被認為是決定自行車操控特性的重要因素，^[13][14]有時也會列在自行車製造商的幾何數據中。威爾遜（Wilson）和帕波多普洛斯（Papodopoulos）認為，機械曳距可能是更重要、更具信息量的變量，^[15]儘管這兩個表達式的表述幾乎一致。

曳距是轉向軸角度、前叉偏移和輪徑的函數。它們的關係可以用以下公式來表述：^[13]

${\displaystyle {\text{Trail}}_{\text{自}}={\frac {R_{w}\cos(A_{h})-O_{f}}{\sin(A_{h})}}}$

${\displaystyle {\text{Trail}}_{\text{摩}}={\frac {R_{w}\sin(A_{r})-O_{f}}{\cos(A_{r})}}}$

這裡，${\displaystyle R_{w}}$是前輪半徑，${\displaystyle A_{h}}$是自行車的頭管角（轉向軸與地面的夾角），${\displaystyle A_{r}}$是摩托車的後傾角（轉向軸與地面垂線的夾角），${\displaystyle O_{f}}$是前叉偏移。可以通過加大輪徑、減小頭管角，或減小前叉偏移來增大曳距；通過增大頭管角（變得更直立）、增加前叉偏移，或減小輪徑來減小曳距。

摩托車手往往會提到曳距與後傾角的關係。後傾角越大，曳距就越大。請注意，在自行車上，後傾角增大時，頭管角是減小的。

當自行車傾斜或轉彎時，曳距會發生變化。在傳統幾何結構下，當自行車傾斜並向同側轉彎時，曳距會減小（如果測量的是地面接觸點之間的距離，而非輪轂之間的距離，則軸距會增大）。^[16]當使用避震時，曳距也會發生變化，例如在響應制動時。在剎車時，由於負荷轉移導致避震前叉壓縮，曳距和軸距都會減小。^[17]至少有一款摩托，MotoCzysz（英語：MotoCzysz） C1，其前叉可以調整曳距，範圍從89至101公釐 [3.50至3.98英寸]。^[18]

機械曳距

機械曳距（Mechanical trail）是前輪的地面接觸點到轉向軸的垂直距離。^[19]它也被稱為正常曳距（normal trail）。^[20]其值等於前面曳距表達式中的分子。

${\displaystyle {\text{MechanicalTrail}}_{\text{自}}=R_{w}\cos(A_{h})-O_{f}}$

${\displaystyle {\text{MechanicalTrail}}_{\text{摩}}=R_{w}\sin(A_{r})-O_{f}}$

儘管對自行車轉向的科學理解尚不完整，^[15]但對相互依賴的動態複雜性已經有了很好的整體了解。^[21]機械曳距無疑是決定自行車操控特性最重要的變量之一。零曳距可能會帶來一些好處：^[22]

• 消除了側風壓力中心位置的影響
• 消除了前輪下沉效應

如果機械曳距較短，熟練機警的騎手可能更能控制路徑。而已知的是，如果曳距較長，會使「撒把」騎車更容易，從而主觀上會覺得更穩定。

前輪下沉

前輪下沉（Wheel flop）是指自行車或摩托車在轉動車把時，前輪轉向後會出現「下沉」的現象，這會導致轉向比預期的更大。前輪下沉是在轉動車把而離開「直行」位置時，由於其前端降低而引起的。這種降低現象遵循以下公式：

${\displaystyle f=b\sin \theta \cos \theta }$

這裡：

${\displaystyle f}$是「前輪下沉係數」，即，當車把從直行位置旋轉90度時，前軸中心所下降的高度

${\displaystyle b}$是曳距

${\displaystyle \theta }$是頭管角

因為前輪下沉時車子前端會降低，所以重力會傾向於使車把繼續旋轉，如果騎手不用更大的力把住車把，旋轉速度還會加快。一旦車把轉動，騎手需要對車把施加扭矩，才能使其回到直行位置，車子的前端才會回到原來的高度。^[23]前輪的轉動慣量會抵消部分的前輪下沉效應，因為開始或加速前輪轉向需要一個扭矩，而轉動慣量會反抗這個扭矩。

根據上面的公式，增加曳距和/或減小頭管角，會增加車子的前輪下沉係數，這就使得將車把轉回直行位置所需的扭矩增大，也使車子突然偏離路線的傾向增大。此外，增加車子前輪所承受的重量，不管是通過增加車子、騎手和貨物的質量，還是通過改變質量分布將重心前移，都會加劇前輪下沉效應。通過增加車速而增加車輪的轉速，進而增加前輪的轉動慣量，會部分抵消前輪下沉效應。

人們普遍認為，一定程度的前輪下沉是有益的。《自行車季刊（英語：Bicycle Quarterly）》稱：「前輪下沉幅度過小的自行車，對轉動車把的反應會比較遲鈍。前輪下沉幅度過大的自行車，在低速和中速時容易偏離路線。」^[24]

改裝

可以通過改裝或更換前叉，來改變自行車的幾何特性。

改變前叉長度

增加前叉長度，例如從剛性前叉換成避震前叉，會抬高自行車的頭部，從而減小頭管角。^[11]加長前叉對摩托車的後傾角會產生相反的影響，因為後傾角和頭管角互為餘角。

經驗數據是，前叉長度每改變10毫米，轉向軸角度就會改變半度。

改變前叉偏移

增加前叉偏移會減少曳距。如果將現有前叉彎曲，而又不延長叉片，那麼前叉會變短。^[25]

法律要求

在美國北達科他州，「製造、銷售和安全操作在公路上行駛的摩托車」，其後傾角和曳距需要在所要求的範圍之內。^[26]

4. 所有摩托車，除三輪摩托外，必須滿足以下與前輪幾何特性相關的規範：

最大值：後傾角：45度；曳距：正14英寸 [35.56公分]

最小值：後傾角：20度；曳距：正2英寸 [5.08公分]

製造商的規格參數，必須包括摩托車每個型號或每個類別的具體後傾角和曳距；並且「後傾角」和「曳距」這兩個術語，必須由負責人，依據第28—32章所制定的規則來定義。

參見

• 公司主題
• 交通主題

有關幾何的其它方面，例如人體工學或預期用途，請參閱自行車車架。對於摩托車，其它主要幾何參數包括：座墊高度，以及腳踏和車把的相對位置。

• 自行車及摩托車的動力學
• 前叉
• 自行車車架
• 輪轂中心轉向（英語：Hub-center steering）
• 摩托車前叉（英語：Motorcycle fork）