车架的材料综合评述.doc

车架的材料综合评述L!前，可以制造自行车车架的材料主要有以下几种：钢，铝合金，钛合金，镁合金，铳 合金，碳纤维等等，一般市场上出现的车架主要有钢，铝合金，钛合金，碳纤维钏:合金 和镁合金是最近的新兴材料，比较少见要了解这些材料的特性，就有必要知道一些基本的概念和参数1. 强度（STRENGTH）假设挂在金属棒另一端的重量，重到足以使金属棒产生永久的 变形，也就是说，当移开重物时，金属棒仍然呈现弯曲，无法完全冋复原状，即所谓的降 伏（yield） o使材料达到降伏的力量因材料不同而不同，这就是所谓的强度强度利车架 的耐用度相关但和骑乘品质无关强度（strength）由材料的降伏强度（yield strength） 决定降伏强度和车架管材的品质、热处理制程及合金成份（某些品牌型式）有相当人的关 系2. 刚性（STIFFNESS）假设一根金属棒的一端固定在夹具上，另一端加上一定的重量 使得这根金属棒暂时弯曲，当把那个重物移开时，金属棒立即回复原來的型状同样的垂 量加诸于不同材料时，会产生不同的弯曲程度，这就是刚性刚性影响车架的骑乘品质，因为车架最怕在止常骑乘时发生变型刚性决定于材料的弹 性系数，而相当重要的是弹性系数和金属的品质及其合金的成份无关。

举例來说，所有种 类的钢，基本上具有相同的弹性系数3. 重量（WEIGHT）除了强度和刚性Z外，重量也是一个议题和刚性一样，重量受到材 料介金成份的影响相当轻微即便你的午架贴着"Lite Steel T『（轻量化钢材），事实 上，所有的钢材几乎具有相等的重量以下就是我们常见的几种材料的一些特性弹性系数（刚性）强度（降伏点）重量（千克/立方米）钢材30 46---162 7800—-8200铝合金 10-11 11-59（4-22 退火后）2700—3200钛合金 15-16. 5 40-120 4500—4700要注意，刚性和重量和材料的品质、热处理或合金成份无关举例来说，所冇的车用钢 管，从大卖场的廉价单-车到价值数T美元的单-车都有相同的弹性系数30,以及490的重 .貝O由上表中我们可以看岀，我们川这几种材料做车架，在管材的形状和厚度相同的情况 下，铝制车架的刚性只有钢制车架的三分钛制车架也只有钢制车架的二分Z—的钢 性也就是说，钢的车架是最结实的当然实际情况下没有人会这样做车架，所以这个结 论也就是不客观的了铝作为一种在运动自行车上使川最广泛的材料，最大的优点就是他的重量铝的刚性和 强度都很低，但是铝可以通过増加单位体积上的材料来弥补这一缺憾，而重量仍然不大。

另外相对于其他的运动自行车的高级材料，铝的价格很低冃前使用在高档铝架上的铝 材（6000系列、7000系列）都是运用在航天方面的高级铝材和一般的普通铝材和比， 这些铝材无论是在强度还是刚性上都有显著的捉高而11厂家为了保证强度，都采取了使 用较粗的管材、增人横截面积的做法，所以人多数的铝车架看起來都很粗犷铝长时间使用外观不怎么变化铝本身是很容易受腐蚀的金属，在空气中儿乎不存在没 有被氧化的铝，放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜为什么不生锈呢？原因是 该氧化膜达到一定的程度时防止继续生锈，形成致密的氧化膜（三氧化二铝）该氧化膜 几乎是无色凶此外观上不容易发现变化（有时会发口）以上都是铝的优点，但是这种材料也有两个致命的缺点1. 铝的金属疲劳性很差•铝材做的自行车架的致命弱点就是骑这种材料制造的门行车 时，骑的次数越多，应力发生的次数也高，强度也显箸引起变化近來为了谋求轻量，许 多车架使用薄料来制作（薄的程度已达到极限）这些都是使用没有疲劳极限的铝合金来制 作车架，这也就是为什么在专业的使用强度下一个铝架只能支持2-3年的原因2. 铝没有弹性，无法吸收骑行的震动用铝材制作的硕尾车架会把绝人多数的震动直 接传递到骑手的身体上。

这就使铝车架坐起來相当的颠簸，乘骑的舒适感很差由于铝的这两个缺陷，使得它不适合做一般的硬尾车架但是竞赛的XC越野车架人多 数使川铝合金，这是因为铝的重量可以做到很轻，而通过热处理和抽管技术也可以获得很 大的强度，这就使得铝车架的竞赛性能很好（竞赛性能当然不会考虑选手的舒适程度和产 品的使用寿命了）而全减靈车就没有这些顾忌了由于拥有完全独立的减隐结构用于吸收震动，并加上更 为厚实和柔软的把胶和坐垫，铝没有弹性的缺点被完全的中和掉了另外，铝较轻的质量 使得它可以作成更大的截管而积，并在需要强度的地方进行局部的补强所以说，铝是比 较成熟而可靠的材料，并且在制作全减震车架的时候更有优势钢是一种历史悠久的材料，从最普通的民用门行车到高端的竞赛级车辆，都或多或少的 使用着钢材除了冶炼技术的完善之外，钢也有其它材料所不能代替的优点：1. 加工性能好，珞钳钢是历史最悠久的自行车索材，对它的研究时间也最长，因此它 的加工技术已经发展到一个相当稳定的程度2. 强度大，从上文中我们可以看出和同体积下的钢材的强度远远大丁•铝合金和钛合 金，因此合格的钢架的强度都可以让人放心3. 乘骑感舒适，钢是一种具冇良好的弹性的金属，用钢制作的车架，可以吸收骑行过 程中所带来的震动。

因此钢架不会向铝架那样让人感觉不舒服，特别适合用来做旅行车 架4. 钢的金属疲劳性要比铝强的多（从上文中的实验我们就可以看出来了），所以在相 同的使用条件下，钢架的寿命也会比铝架长得多当然，钢架也有其不可克服的缺点：1. 重量，在极度追求器材轻量化的今天，钢78/立方厘米的质量让•所冇人対他望而却 步虽然可以使用轻量化的钢材，并且用抽管技术把管壁抽得极薄，可是还是很难把钢架 的重量减到1600克以下而很多铝架的重量只有1400克左右这也就是在竞赛级别的车 架中很少看见钢架的缘故2. 生锈，相对于其他的材料，钢是比较容易生锈的生锈会使钢的强度大幅度的下 降，减少使川寿命所以必须采取种种手段來防止钢材生锈所以如果不是追求竟赛级的重量，又考虑车架的耐川程度的话，钢架无疑是很好的选 择但是需要指出的是，目前国内好的钢架要比好的铝架难找首先好的纲架并不便宜，向 雷诺853系列的高级钢架要好儿千，而意大利科那歌的钢架则要上力另外由于人们对钳 架的偏爱，使得钢架难以销售随着国内的口行车巨人——中华口行车公司的倒闭，好的 钢架在国内儿乎绝迹了，这真是一个遗憾啊！钛是一种新兴的金属，这种新材料具冇非常优越的性能，是制作顶级车架的最好的材料 之一。

1. 钛介金可以制作重量很轻强度又很大的车架，从上表中可以看出，钛的强度和钢差 不多，但是巫量也只有钢的-半多-点，因此同样强度的钛合金车架会比钢车架轻很多2. 钛合金具有非常好的弹性，这使得它在吸收骑行振动方而功不可没用钛介金制作 的车架具冇非常良好的舒适性，而且钛是一种具冇记忆性的金属，它在口己的形变范围内 几乎具有无限的使用寿命，也就是说购买钛合金车架是一种一劳永逸的方法笑）一般 來说，在专业的使用条件下，铝合金车架的使用寿命是2年，钢车架是8年，而钛车架则 可以达到20年左右3. 在正常的条件下，钛几乎不会发生腐蚀的现彖有其利就回有其弊，钛合金也有具不对避免的缺点，冃前來说最头痛的就是一个字： 贵！！按照金属的含量來说，钛其实并不是稀有金属可是自然状态的钛元索一般以二氧化钛 的形式存在着，提炼加工过程复杂，技术要求高，并花时间因此成本高再有溶接加工极 为因难，因为钛和氧的亲和力极强，和空气接触后马上变成二氧化钛，而二氧化钛硬而 脆，该部分的强度会不断下降必须用惰性气体小心焊接通常所说的门£焊接是： （Tig：鹄、惰性气体的略语）用鸭电极及氮气体进行弧焊接钛的焊接必需隔绝空气下进 行。

由于以上原因钛车架价格很贵一-般国产的航轮和宝钛的3/25的钛合金车架的价格人概在3000元左右，而如果象AIRBONE或者LITESPEED的钛架的价格其至上力但是 如果考虑到钛架的使用寿命，这个价格也就不会感到那么离谱了碳纤维作为一种高科技材料使用在自行车上是最近十**情严格來说碳纤维并不是单纯 的碳元素，而是碳元索经过编织加工后利用环氧树脂粘和加固的一种混介物早期的碳纤 维由于技术上而的原因，使用的坏氧树脂甚至会在阳光下分斛随着科技的进步，这种优 秀材料的种种缺点在被逐渐克服比如徳国的K车架就使用了高级的16K的碳纤维，这种 碳纤维的强度甚至超过了钢材，并且拥有终身保用的质量承诺一般来讲，碳纤维作为自行车的材料拥有以下儿个特点：1. 极轻的重量：1200克左右的碳纤维公路架已经到处町见了由于碳的质量仅有16 克/立方厘米，所以制作1公斤左右的车架已经不在是梦想2. 吸收冲击性能好碳纤维可以有效的吸收震动，并目•保持很好的刚性这种特点使 得它成为很好的竞赛级的材料3. 可以制作各种形状的车架和一般的金属车架的制造过程不一样，碳纤维车架一般 是先制作模具，然后在模具上付上碳纤片，最后用环氧树脂进行粘固。

这种制作过程可以 利用空气动力学作成风阻极小的车架H前这种材料的毛病主要是以下两点：1. 复杂的应力计算构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，但剪断强 度弱，加工时需要进行复杂的应力计算（纵刚性、横刚性），根据计算把碳纤维片重叠成 型一般來讲，碳纤维抗面的冲击相当好，而抗穿刺能力就很差了就是说你横摔竖扌I'l不 耍紧，就怕的是横摔竖拍的过程中碰到一两块锋利的小石子，那可就不是拿去焊一下就可 以解决的了2. 价格昂贵，和钛合金相比，碳纤维车架的价格有过Zrfo无不及，向顶级的碳纤维车 架的价格都要上丿j,而科那哥的C40和C50的价格菇至超过2力元这主耍是因为碳纤维 车架的制作过程需要很多的手工，并11报废率很高，造成成木的大量上升从外观上我们对以很容易的把这几种材料的车架区别开來风格粗犷，造型狂野的是铝 架管体纤细,骨感十足的是钢架而那没有任何涂装，浑身散发着金属光泽的就是钛架 碳纤维的表而则覆盖着各种3D布的表层，极具现代感最简单的说：-般而言，铝架比钢架耍轻一些，但是钢架比铝架要吸震，更舒适一些冃前的车架垂量看，钛合金虽然强度高，但受到刚度的限制以及工艺水平，重量再轻不 易实现而月•成本高。

要知道现在钛合金已经超过¥1000/kg,而且加丁费比钢、铝高岀5倍以上，所以看到 便宜的钛合金车架还是去抢吧B21s是目前强度最高的钛合金，但是工艺性极差，做车 架还是别想了铳铝介金有很多种，加入微量稀土元索铳后，铝合金的品粒进一步细化，强度、塑性会 有很人改善自行车上的铳铝合金推测町能是加入铳的铝钾合金，密度是铝合金80%强 度等其它尺寸和普通铝架应该差异不大，骑行感受也不会有太大差异简单说一下钢架和铝架的木质区别无数人说钢架比铝架更能过滤细小的振动，原因在哪里呢？每个结构都有其自身的振 动特性，常川固有频率和刚度表示如果一个结构的固有频率低，那么对高过此频率的振 动基本无法响应，通俗点说就是高频小行程冲击对它没用刚度和固有频率基本是反比关 系，当然是儿何尺寸结构相同的条件下材料力学上零件的刚度表示为抗变形的能力，其仅与零件的几何尺寸、截而形状以及材 料的杨氏模量相关当材料变形达到0. 2%时对应的应力水平称为材料的屈服强度，即继续加载材料变形不能 恢复不管什么钢，杨氏模量都是差不多的，200-220GPao常说的Cr-Mo钢老美称4130,国内 是30CrMoAo其丿出:服强度高达700- 1100MPao因此対钢架来说，在相同的受力和强度标准 下，强度越好的钢可以用吏小的截面尺寸（更薄更细）的管材。

常用角铁等Q235优质结 构钢屈服强度仅300MPa左右，飞机起落架用的ArmetlOO钢可达220。