自行车车架的材料—车之灵魂

李小德 · 发表于 2014-6-23 10:36:35

本帖最后由李小德于 2014-6-23 10:38 编辑

车架是整个车子的灵魂，这种说法一点都不过分。什么影响着车子的操纵性，又是什么决定着车子的耐用性，又是什么决定着车子的骑乘舒适感？现在自行车的零配件生产技术提高，但是要使这些零件发挥他们强大的战斗力，就必须奠定一个良好的基础——车架。

   强度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，无法完全回复原状，即所谓的降伏(yield)。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。
如此复杂而抽象的说法是在令人头疼，其实强度说白了，最重要的就是和车架的耐用度。强度由材料的降伏强度决定。降伏强度和车架管材的品质、热处理制程及合金成份有相当大的关系。

   刚性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，金属棒立即回复原来的型状。同样的重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，因为车架最怕在正常骑乘时发生变型。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。举例来说，所有种类的钢，基本上具有相同的弹性系数。

   重量除了强度和刚性之外，重量也是一个议题。和刚性一样，重量受到材料合金成份的影响相当轻微。即便你的车架贴着"Lite Steel TM"(轻量化钢材)，事实上，所有的钢材几乎具有相等的重量。
重量可能是车友最关注的参数之一。在不断追求轻量化的过程中，对于重量的要求越来越苛刻。

   应力应力=负荷/断面积。即单位面积上所能承受的重量。
   其实以上提到的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，所有的车用钢管，从大卖场的廉价单车到价值数千美元的单车都有相同的弹性系数30，以及8200千克/立方米的属性。

以下就是我们常见的几种材料的部分特性

   很多车友坐到一起常常会以材料论英雄。但是实际决定一个车架好坏，除了材料本身的属性，还与设计、制作有直接的关系。其实从上表中也可以看出，用这几种材料做车架，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之一，钛制车架也只有钢制车架的二分之一的钢性，理想状态下，且制作标准一致，钢架是最结实的。但是实际情况是，在整个行业中不可能有人会按照如此的标准这样做车架，所以这个结论也就是不客观的了。因此仅是从材料上就判断一个车架的优劣，也就显得有些狭隘了。

车架的寿命和环境的关系

   车架的材料只是决定车架寿命的基础，由此而继续延伸的影响车架寿命的因素常见的有两点：一种是物理的，另外一种自然就是化学的。对于金属架子来说无非就是腐蚀和金属疲劳，对于碳架来说应该就是老化了。简单的说就是发生了损伤或者变质。
   通常对于金属材料来说，腐蚀就是材料因环境变化和作用改变了自身的材质属性，也就是变质了。通常这种变质就是生锈了。其中最让人头疼的无非就是钢架了。通常引起腐蚀的就是下雨，特别是酸雨对于金属的腐蚀性最厉害。

铬钼钢架

   钢架是所有车架中最容易被腐蚀的车架。所以如果碰到加工粗糙甚至没有经过防锈处理的车架，钢管表面和涂漆之间就容易因为被腐蚀而膨胀，然后发展到局部遭到严重的腐蚀。长此以往，在经受了应力多的地方就会最先受创。这些通常都是焊接周围或者弯曲的地方。通常要及早发现，并且及时清理，用锉刀等锉平，然后再次进行防锈处理。否则就会从局部慢慢不断地腐蚀下去。最后形成致命的损伤。总之对于钢架来说，防锈是最头疼的问题。

铝架

铝从外观上看起来是相当耐腐蚀的材料。尤其是经过铝表面钝化处理的强度更大。这种处理是除了美化表面外，在铝的表面形成的多孔质地的氧化铝，氧化铝非常耐腐蚀，不被一般的酸溶解。
另一方面，骑这种材料制造的自行车时，骑的次数越多，应力发生的次数也高，强度也显著引起变化。为了使得车架结实，似乎就要增加车架的管壁的厚度，但是这又与谋求轻量而矛盾了。所以在轻量和寿命之间的权衡也成为让人头疼的问题。

钛架

此类架耐腐蚀性极佳，不怕雨水、不怕受伤。钛派似乎是最神奇的材料，具有记忆性，常常被用在高科技领域，似乎用在自行车上有些大材小用了。
钛在自然界以二氧化钛的形态存在，提练及加工过程复杂，技术要求高，并花时间因此成本高。再有溶接加工极为困难，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。因此用惰性气体小心焊接。通常所说的Tig焊接是：(Tig：钨、惰性气体的略语)用钨电极及氩气体进行弧焊接。钛的焊接必需隔绝空气下进行。材料和制作工艺决定了钛架的价格。所以倘若看到过于便宜的钛架，甚至接近成本的价格，那还是不要存在侥幸心理去购买了。

碳架

和金属车架不同，碳纤维含有树脂因此也可以说耐酸。但是对碳纤维来说应多考虑内在因素，正如同有些车友说的，碳架是胶水粘的，寿命肯定没金属的长，因为胶水会起化学变化，会变质。的确碳架所使用的树脂老化的可能性是存在的。所以使用碳纤维的自行车架还是应该精心保养，在不使用的时候尽量避免阳光直晒，因为日光和周围的环境对于这类车架来说，影响还是很大的，不容忽视。而且不同厂家的技术不同，也的确存在着一些车架在阳光下回逐渐发白的问题。但是根据最新公布的资料显示，现在的碳架寿命已经超过许多合金车架了。这主要得益于环氧树脂的出现。
但是碳架害怕尖锐物体的事实仍然存在。倘若在越野的时候磕在岩石上，昂贵的车架很可能就此彻底报销。即使是刀子与钉子这种不起眼的小东西对于碳架的伤害也可能是致命的。所以一般山地车选择碳架的相对较少。

   另外一个影响车架寿命的重要因素就是金属疲劳。所以车架的寿命也就要受到车管上应力，管材材料的疲劳极限影响。但是通常在对车架进行设计的时候，很难兼顾理想厚度和应力的增加的。所以，虽然理论上是应该通过增加发生集中营里部位的厚度来强化车架，但是目前厂商主要采用的加工方法，通常是不是增加这些部位的厚度，而是通过减少盈利小的管道的中心部位管壁的厚度来达到减轻车架总体重量的目的。

   高级铬钼钢管：中央部位的管壁厚度为0.5mm。Dedacciai公司的最高级铬钼钢管的管壁厚度为0.4mm。
   铝制车架：Dedacciai公司的最高级铝管SC61-10A的管壁中央的厚度为0.8mm。最便宜的铝制车架的管道的厚度为1.8～1.3mm，可见Dedacciai公司的最高级铝管的厚度多么薄！这种薄的管使人感到强度行不行呀！
   钛制车架：关于钛制车架有Panasonic的0.6mm厚度。

   对于车友来说，当然希望自己的自行车能够用得足够长久。同时也能够达到美观、实用等特性。能够骑上把管壁加工至极限的薄而轻的车子是可以接受的，但是乘骑的次数越多，强度越下降，年年要换新的车子的话，实在是力所不能及的。