自行车车架分析报告

自

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车

车

架

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析

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告

2014年11月4号

一、自行车车架材料分析

车架材料最早是使用铬钼钢，然后进化到使用铝合金，再然后是复合材料的使用如碳纤维。厂商不断的在研发新材料配方，提升管件和结构设计能力，并创新加工技术。为的就是让车架更轻、更强、更舒适和美观。目前，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，钪合金，碳纤维等。一般市场上出现的车架主要有钢，铝合金，钛合金，碳纤维。

Ⅰ．铬钼钢（Fe-Cr-Mo）

在自行车的100年历史当中，铁素材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。铁制车架的最大特徵是可在各种成份，各种粗细厚薄的铁管中，任意选择所需要的铁管进行加快。因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架，这对于数毫米的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。它的最大的缺点是比起其他的素材重(过去)。但是最近的铁素材车架经过热处理，把薄的管道做成粗的管来使用，其重量不会输给轻的合金。

铬钼钢是铬、钼的合金。它的性能如下：

○淬火性好。

○对回火处理的抵抗性大。

○回火脆性倾向少。

○高温加工性好，加工后美观。

○熔接性好。

●铬钼钢车架的优点

(1).加工性好

铬钼钢的车架是历史最久的车架，因此对它的研究时间也最长。现在能做到车架所需强度的极薄的管道。

(2).冲击的吸收性能好

骑感极好，如「像弹簧般的骑感」。构成车架的铬钼钢管道有优异的吸收冲击的性能。

(3).焊接容易

铬钼钢比起钛、铝焊接容易。可以设计成名种形状。另外，焊接后也不需要热处理，因此不需要大型的热处理设备，成本低。

(4).价格便宜

虽然有些高挡次的铬钼钢车架价格贵，但一般价格便宜。也可以说，用便宜的价格买到高挡次的车架。

●铬钼钢车架的缺点

(1).容易生锈

车架用的铬钼钢含有铬，但是添加量少(不锈钢含有12%的铬)的铁系合金。若没有施有表面处理的话，有伤口时容易生锈。但是一般都有进行防锈加工。自行车的场合，管道的肉压薄，生锈后的影响将会非大。生锈→肉压减少→强度下降(应力集中)。

(2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)

Ⅱ.铝合金（Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)）

很久以前就有用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从「轻」来说，当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反应是「虽轻但易弯曲」。虽然经过多次改进，但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架，为了提高杨氏弹性模量，加大管道外径，使用扁平管，或者对铝管进行热处理等，制造出轻而有刚性的车架，这种最新的铝合金车架对车手来说，具有足够的轻量与刚性。铝合金是纯铝中加入Mg，Zn，Si，Cu 等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。自行车所使用的铝合金多数为6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu)两种，经过热处理(铝耐高温，在高温下能改变性质)可以制成名种各样的材料。6000系被认为是耐腐蚀、强度好、焊接性也好的材料。7000系是铝合金中最强的材料。尤其是7075是特超硬铝(制造飞机的材料)，但是它的焊接难度大，耐腐蚀性差(会发白)等

●铝合金车架的优点

(1).可以制作重量轻的车架

铝的比重轻但不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。热处理采用时效析出增强法，简单地说，在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。在某种高温下进行热处理时，会引起时效析出，若没有经过这个程序的车架，也会引起常温时效。就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。许多铝合金制车架用6061-T6材料来制造。T6标志表示经过热处理、时效。若没有热处理的话强度只能达到1/2，或者1/5的程度。有7075标志的自行车零件(如XTR曲柄等)，严格来讲没有经过热处理。也就是说因没有时效，因此是常温时效。7075合金本来就必要进行热处理，通过热处理其强度可以增加5倍。另外，7005合金也常用来制造车架，它的强度比不上7075，但是它在常温下也能够进行足够的时效的材料。这种材料也可用Padded加工制成薄料。但是材料本身的强度及杨氏弹性模量低，因此加粗管道直径来提高刚性。通常被称作铝制粗管道的是这种类型。

(2)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，在空气中几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。该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化(有时会发白)。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。近来为了谋求轻量，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，到底长时间使用后强度变化将是如何呢！Dedacciai公司制作的SC61-10A等是表面施有喷丸硬化加工(KET处理)的管道，这种加工的目的是延长疲劳的寿命。根据公开的数据，能提高140%。，KET处理是：疲劳破坏是在金属表面上所发生的裂缝为起因，因此用硬化加工技术来提高金属表面的硬度。

●铝合金车架的缺点

(1).铝是弹性率及刚性低的材料。因此采用粗的管道，或者改变形状如cross-over管、padded 管等。

(2).需要进行热处理必需进行热处理，否则强度不够。因此一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。尤其是6000系的铝合金管，多数情况是管道厂家指定热处理条件。(3).刚性，强度较低。骑感不佳。

Ⅲ. 钛、钛合金（Ti,Ti-Al-V)

美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。钛合金给人的印象是「轻而硬」。早期的钛合金车架，作为比赛用车，刚性不足，其车架不适合于长距离赛车，也不是适用于所有的比赛，只适合用在山岳，或者Big reces, Time traial等需要轻型车的特定的场合。开始时钛合金使一些人着迷，曾经有些热中于轻量化的骑手，把所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。钛金属给一些人错觉，贵而稀有，实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高，价格才较贵。金属钛比重轻、强度大，同时耐腐蚀性高的材料，一般用在特殊的环境里。在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高，热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度。

●钛合金车架的优点

(1).可以制作轻量而强度大的车架

纯钛金属的强度更高。在钛金属中添加铝和钒，弹性更高(和铝比较)，也有利于设计。(2).不生锈

钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。例如，不同种类的合金接合在一起时，成为电极状态，电位差使局部通电引起腐蚀。对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏，如商品名：Ti Plepu等)。这种金属粉末防止脂膏流失，即使流失后也用来防止紧密接触。这种金属粉末有导电性也不要紧，接触后被较小的荷重破坏掉。这种现象称为「粘住」，它和「烘焙」是不同的。「粘住、咬合」：金属之间通过腐蚀来接合的现象。「烘焙接合」：加工金属时所产生的热量来溶融接合

(3).骑感好

钛也用在避震器的弹簧上。现在用钛制成的车架适合于长时间的骑行。有些车手酷爱钛制车架，认为骑感极佳。但是个人各异，有人和铬钼钢比较后认为，铬钼钢的车架冲击吸收性比钛车架好，骑感也比钛车架好(这和铬钼钢车架的形状以及用薄的管的结果应力得到增大也有关)。假若钛管的加工技术得到进一步改进，也许会有和铬钼钢同样的骑感。有些钛制车架使人感到摇摆，这也许是使用plane管(没有加padded的，厚薄不能变化的管)有关。或者虽使用高强度的钛合金，但没有用薄的管等也有关系。

Ⅳ.碳纤维（CERP）

自行车作为生活中常用的代步工具，以其造价低廉、维修简单、使用方便等特点而深受人们的喜爱，形成了巨大的消费市场、随着现代社会的飞速发展，自行车已由原来单纯的交通和运输工具而演变成为集健身、旅游、竞赛等多种功能的运动器械，这就要求其外观更美，重量更轻，骑乘也更为舒适．自行车档次的高低取决于车体材料的选择和做工，典型的低、中、高档自行车构架分别由碳钢、铬钼台金及铝合金和碳纤维制造．碳纤维是一种新型的复合材料，它有重量轻、比强度高、比刚度太等优点，而且具有可设计性和易成型性，从而得产品的设计结构有更高的效率．目前，世界各国都对研制新形态、新材料的自行车投入了巨大的人力、物力、财力．美、英等国家都已开发生产出碳纤维自行车整体车架．整体式碳维行车摆脱了传统的菱形模式，造型更流畅和活泼多变，车架装饰更丰富多彩、鲜艳别致。碳纤维车架的特征是「轻、不弯曲、冲击吸收性好」，但是，充分发挥碳纤维的优异性能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题，但是碳纤维车架还是具有其它素材所没有的优点，可以制造8、9kg左右的轻量自行车，这种碳纤维