【ZT】他山之石可以攻錯：Zipp 花轂

本文轉自蓋仙的blog（http://tw.myblog.yahoo.com/datoe-isme/）因內地無法訪問，特此轉載

以下正文

各廠都有自己的花轂設計，每個設計都有其理論。然而，花轂廠商通常不對消費者說明自己的設計理念（甚至連廠商自己都弄不清楚原理）；所以，本文將為您解開Zipp花轂的設計初衷。消費者認為，ZIpp花轂不可能是全世界最好的產品，因為它們預編於輪組，從不零售。也因為從不零售，自然不可能像馳名品牌一樣，有瘋狂的擁護者。Zipp花轂之所以（尚）未有愛用者追隨，的確是因為只提供於預編輪組市場，也是因為消費者不瞭解我們的產品，當然，我們更沒辦法籌出無止盡的行銷預算。Zipp一直都是科技公司，專精於複合材料。我們創造出全世界第一組超輕碟輪、第一組三輻碳輪，而近期更致力於空氣動力造型，仿自高爾夫球表面的坑洞，拿下許多專利。因為我們專精於碳纖維，所以消費者和媒體常忽略了我們對於鋁合金的處理能力。本文希望能掃除一些成見，釐清我們對於設計製造關鍵零組件的能力。

好的產品源自好的設計， Zipp 202/84和220/95從業內最先進的電腦模擬開始。在本公司導入模擬技術之前的四年，我們與另一間品牌合作花轂，激盪出很多先進的概念。但是這些設計概念旋即成為他們的生財利器，甚至變成我們的對手。我們將研發歷程與知識導回內部，再結合超過30年的生產經驗，令Zipp更上層樓，推出202/84系列。我們的全系列產品從設計研發、製作原型、直到測試，每個細節都在虛擬世界完成。先進的三維模型（3D Modeling）讓每項小零件無需實際做出來，即可精確的成形，並透過有限元素分析（以下簡稱FEA）測試性能，同時維持最輕量化。

ALCOA（美國鋁業，Aluminum Corporation of America）是花轂拼圖的最後一片。美鋁擁有的鋁合金配方和專利超過總數的90%，真正的7075或7050必定來自美鋁。其它公司只能利用反向工程（Reverse engineering）做出「接近美鋁配方」的鋁材。美鋁在Lafayette的廠房，離我們（Zipp Speedway）只有2小時的車程，所以關於花轂零件的合金性能，我們有美鋁團隊的即時協助。

雙方的設計圈是如此的緊密，工程師們能共同研發零件、電腦模擬測試、並討論鋁合金配方，以及熱處理的種類。Zipp 202/84和220/95花轂採用了三種獨特的鋁合金，海外品牌（譯註：意指亞洲工廠）即便是反向工程也不可能做出來。

整體的設計巧思，以及專屬的材料選擇，令Zipp花轂在通過電腦模擬後，能削去多餘的肉厚，在最嚴苛的條件，發揮最好的性能。

以下的FEA模擬Zipp飛輪座（Cassette Body）對不同負荷的表現。早期委外製作的產品，使用第1年之後，約莫有0.8%的棘爪座（Pawl pocket）底部會出現裂痕。我們將產品導回（in-house）之後，透過美鋁改良7XXX鋁合金的熱處理過程，並修正棘爪的動作幾何，除了減輕8g，在使用三年之後，棘爪座零故障。





將設計與製作導回，飛輪座的重量降低10%，強度和抗疲勞性能卻更勝以往。除了飛輪座，花轂本體、軸心、棘齒棘爪都經過修正，使後花轂的總重從262g降到202g，客訴率從低於1%降到幾乎是0%。

軸承設計
軸承是我們致勝的首要關鍵。Zipp是全世界唯一註明使用瑞士卡式軸承的公司，但我們不只是採用瑞士卡式軸承，我們訂做。大部分的腳踏車花轂流用標準的工業軸承，適用的轉速高，酬載的重量低，通常不耐衝擊。腳踏車的軸承除了要滑順，更要耐用。我們與瑞士某家族企業合作，發展出業界最好的卡式軸承。

標準的自行車軸承，公差在0.000050英吋（50 millionths of an inch）。工廠利用空氣噴槍，將每顆鋼珠的直徑誤差，做到不超過0.00005英吋。換句話說，每顆鋼珠的真圓度，不會大於0.000050英吋。大部分的高階腳踏車產品，軸承鋼珠的真圓度不會大於0.000025英吋（25 millionths of an inch），因此轉動的更滑順（譯註：即Grade 25，例如Dura-Ace）。Zipp每顆鋼珠的直徑誤差，不超過0.000010英吋。我們的軸承比名廠的一級產品還好2.5倍，比標準產品好5倍。以下的圖表，左側為公差0.000010”的球形，右側為公差0.000020”的球形。



雖然兩顆鋼珠都不夠圓，但在顯微鏡底，你可看出左側明顯比右側優秀。因此滾動摩擦力小，壽命亦較長。

普通的卡式軸承，保持器（Retainer，又稱珠籠）是黃銅（Brass）製品，Zipp選用鐵氟龍（Teflon）製品。保持器令滾珠能平均分配彼此的距離，不互相摩擦。但是金屬滾珠與黃銅接觸，無可避免會產生磨損、熱能、阻力。Zipp率先採用鐵氟龍保持滾珠之間的間隙，而滾珠不與任何金屬零件接觸。我們在西元2000年的202/84系列發表此概念，當時是獨一無二的原創，現在已遭廣泛抄襲。除了更滑順更耐用，每個鐵氟龍保持器比黃銅保持器輕1g。




徑向接觸（Radial contact）而非角接觸（Angular contact），是迄今尚未遭剽竊的概念。我們用深溝軸承（Deep groove），但是安裝的位置經過巧思，不讓消費者能控制預壓（Preload）。為什麼我們絕不讓步，而這對消費者又有什麼意義？


首先，腳踏車花轂使用徑向接觸的卡式軸承，較能酬載負荷。幾乎半數的製造商都選用此種軸承，因為內外圈呈徑向排列，將負荷平均分配給花轂本體，因此用更小更輕的軸承，即能負擔更大的重量。小而輕的軸承比斜角接觸的杯錐式（cup-cone）軸承更為滑順。

雖然杯錐式軸承能在你的手裡調到將近完美，一旦裝上車，預壓改變，將導致滾珠磨損的更快。請見下圖




深溝軸承與杯錐式軸承最大的分別，在騎士體重對於軸承力（Fn）的負荷方向。深溝軸承的Fn與滾珠抵抗的阻力相同（垂直），杯錐式軸承因為力線呈45度排列，滾珠抵抗的阻力是平方根（還有水平分力）。簡言之，實際的Fn達1.41倍。所以杯錐式軸承的滾珠比深溝軸承多受41%的負荷。高負荷意味高摩擦力，縮短零件壽命，增加磨損間隙，必須經常調校。


採用杯錐式軸承的原因很簡單：製造便宜，組裝方便，消費者自己決定預壓。軸承內外圈的徑向公差可以高達兩倍之譜，而幾乎無需處理軸向公差，因為可透過軸承錐的斜度來補償。相反地，深溝軸承需要精確的控制軸承孔（Bearing bore）的直徑、花轂本體的軸向長度、和中央套筒的軸向長度、以及兩軸承共面的平行。因為條件如此嚴苛，所以腳踏車花轂使用的深溝軸承出現一種變形：可調式軸承錐（Adjustable cone），讓消費者自定預壓。但是此種設計根本的否決了使用深溝軸承的初衷（除了更好的密封性）。使用深溝軸承的花轂，要達到完美的精準，三軸公差必須控制在正負0.0002”（5um），亞洲工廠不可能做到，大部分的CNC設備也做不到，所以製造成本非常高。然而，Zipp花轂還是滿足了這些要求，再次的成為世界唯一。好處是和競爭對手相較，我們有1 watt的增益。1 watt是什麼？大約就是40km的計時賽，領先他人2-3秒。


Zipp的軸承概念，唯一缺點就是設計與製造的挑戰，非常艱鉅（也令成本持高不下）。Zipp採用的CNC設備是業界拔尖，確保每顆成品離廠時是完美狀態。我們的CNC機台是航空設備等級。傳統的CNC機台必須將零件分為不同階段製作，比方說：花轂外殼需要4步甚至5步。原料 [1] 先從單側向內挖，[2] 再從另側向內挖，[3] 塑造外型，[4] 鑽輪輻孔，直拉（Straight-pull）花轂就切出左右耳。上述4步以向內挖孔，以及挖軸承孔最關鍵。傳統的製作法是挖完一側之後，取出原料，鎖上另一機台，挖另一側。總是因為一些不協調，例如切削油、灰塵、甚至是原料表面沾染的油份，導致第二次的挖孔不能與第一次的挖孔共面或共軸。

Zipp選用的同心研磨機（Double spindle machine with live tooling），精度之高，拿來生產腳踏車花轂太奢侈。此機可以全自動車完一軸，再進第二軸，再繼續研磨，確保在完工前，絕對不經過人手。此機台的成本是傳統設備的3到4倍，但可降低人力成本，亦可避免製造公差太大。我們的員工不用將原料從機台取下再鎖上，省下來的時間用在100%確定每個花轂離廠都完美。我們的製造哲學就是花轂零件100%在廠內生產，在美國生產，成本要能和海外對手競爭，品質卻遠勝。

美國製造與美國取材的好處之一，就是我們有全世界最好的航太科技和國防工業。220/95系列的SHIFT技術就是最佳例證。許多花轂同業採用6061，便宜的鋁合金。6061的質量高（因此更重），也因為材料軟，加工效率低。6061的優點是不易裂，所以花轂耳雖會變形，卻不易斷。Zipp與美鋁合作開發的Z310.9，強度幾乎是6061的兩倍，也不易裂，再佐以SHIFT技術：Spoke Hole Impact Forming Technology（輪輻孔衝擊成形技術）。

根據下圖，Z310.9幾乎和7075一樣強（6061的兩倍），抗撕裂的能力較6061略高。缺點是成本，比6061貴三倍，也比7075貴33%。然而，良好的花轂本體除了強度要高，重量要輕，最重要是抗撕裂的能力要優異。花轂外殼損毀因素，破裂是第一位，所以幾乎99%的公司都禁止採用放射式編法。6061鋁外殼雖然可以做得厚些，輪輻張力太高，花轂耳還是會裂。




Zipp再次掌握關鍵技術。我們的衝擊成形，基本上是種鍛造技術，而不是傳統的鑽孔，形成應力集中點。鍛造反而可以局部發展良好的晶粒結構，同時提昇硬度。Z310.9是良好的素材，質輕強度高，搭配SHIFT技術，其實我們建議你編放射（零交叉）。




傳統的鑽孔是挖走花轂耳多餘的鋁肉，SHIFT技術是保留鋁肉，但改變位置，向花轂耳周圍擠去。請見示意圖。SHIFT也有其缺點，就是工具非常昂貴，每套工具只能對應固定的孔數。現行孔數是10、28、32前花轂，24、28、32後花轂。放射編法不會破壞花轂的維修條款，也可用於越野公路車（Cyclocross）的賽事。




結論
省略。

譯註：
(1) 這是放在 Zipp 網站的文章，文章應該有些年紀了。
(2) Zipp 似乎對亞洲 (台灣) 怨念相當深啊。
(3) 翻譯此篇，源自我對花轂研究的喜好，無商業用途。
(4) 翻譯不負責對錯，歡迎指正觀念，但請勿挑起無謂的筆戰。
(5) 不論 Zipp 花轂是否真的那麼好，或是實際表現很不堪，文章都有值得參考的論點。

台灣廠商挑一組 CS 或 KT 花轂，CN 或 PL 鋼線，錦麟或展輪的框，這樣編起來實在沒有廠輪的格局，太多地方禁不起挑戰。本仙「廠輪不會講的事 」將繼續討論，Zipp 花轂只是個引子。

虱子 上图才是王道！

原文就没有图，我等下看看zipp官网能不能牵出来

捐业！~

路过

技术贴啊 看不懂

技术贴啊

完全看不懂

同楼上的……

你好毒 你好毒 你好毒毒毒