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车架材料如何选择 碳 铝 钛 钢各有啥优缺点?

作者: 多米 2024-01-12 16:16:10 6442 评论:0

车架材料如何选择 碳 铝 钛 钢各有啥优缺点?

我应该选择什么材质的车架?这应该是很多人购买自行车时要做出的关键抉择之一。

多年来,自行车车架由各种不同的材料制成,最初以钢为主。现在的主要选择是铝和碳纤维,当然,钢和钛在市场上仍然有不少用户。每种车架材料都有其优点和缺点,具体取决于个人需求,比如你对重量、预算、寿命以及希望从车架中获得的性能特征。

接下来我们将概述购买自行车前要考虑的铝、钢、钛和碳纤维等材质的一些关键特性。

铝合金

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经常会看到被称为“合金”的铝制车架。这是因为纯铝太软,无法打造出用于自行车车架的形态,因此它与其它元素混合以改变其物理特性。事实上,出于同样的原因,所有金属自行车车架均由合金制成。钢本身是铁的合金,而钛主要是与铝和钒的合金。

6061和7005(两种最常用的铝合金)等数字是铝与每种合金的添加剂混合形成(主要是硅和镁)的代码。每个“配方”的特性都会略有不同。铝合金车架也是中档预算车架的首选金属,它兼具重量轻、刚性高和经济等特点,无可匹敌。

铝合金车架如何制作

所有金属都具有非常相似的强度重量比,管子的宽度和壁厚等因素比它们的强度更重要。操纵铝管使其沿其长度具有不同的性能相对容易,并且铝管通常采用对接方式,以确保需要的刚性,在不需要的地方减轻重量。

管材焊接

车架材料如何选择 碳 铝 钛 钢各有啥优缺点?

铝架的管材通常都是采用焊接的方式。这意味着它的末端更厚,因为那的应力更大,需要更多的材料来连接其它管子,而中间更薄以减轻重量。直轨管的厚度始终如一,具有一致的性能。单对接管的一端较厚(例如,在五通连接处),双抽管两端较厚,多重抽管进一步减小了管中间的厚度。

对接只是制作的一部分,我们还经常听到液压成型工艺。它通过使用高压流体形成适合模具的管子来调整管子形状的过程。

高端铝架比以往任何时候都更加先进,这个过程可以帮助形成复杂的形状,以影响车架特定部分的特性,包括重量、强度和舒适度。许多最新的铝架还具有空气动力学设计特点。

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铝管通常焊接在一起制成车架。毛坯焊缝在外观上可能非常凹凸不平,但这通常会在焊接后进行打磨,以获得更平整的外观,它还有助于减轻一点重量。铝架焊接后,通常会对其进行热处理以使合金恢复到全部强度。因为焊接时在局部区域施加大量热量,这会改变局部金属的性能,使焊缝成为最薄弱的区域,焊接后的回火有助于缓解这种情况。

一些早期的合金车架是粘合的,将切割成一定长度的管子粘合成凸耳。意大利品牌Alan和法国品牌Vitus是这种制造方法的早期采用者。

铝合金车架有哪些特性

虽然铝合金是大多数入门自行车车架使用的材料,但它仍然有一些价格更高、注重性能的车架选择,无论是在公路车,还是山地车上。铝合金车架坚固耐用,价格约为碳纤维的五分之一,而且铝的密度比钢小得多。

车架材料如何选择 碳 铝 钛 钢各有啥优缺点?

由于材料的相对刚性和缺乏减震,铝架并不以舒适而闻名,但最新的车架制造技术,以及公路自行车轮胎更宽的趋势,意味着许多铝架车提高了骑行质量。虽然铝架在强度、刚性和重量方面取得了平衡,但与钢和钛不同,铝合金容易出现金属疲劳。

然而,与碳架相比,铝架受到碰撞不易断裂。因此,铝仍然是山地车上流行的车架材料,也是预算有限的入门公路车选择。

铝架的优点

刚性重量比好

负载能力较为出色

比碳纤架更耐用

铝架的缺点

舒适性一般

会产生金属疲劳

难以修复

钢架

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在大约100年的时间里,钢材一直是车架制造的主要材料,直到1990年代中期,铝合金车架开始占据主导地位。不过目前钢制自行车仍然有市场,它是发烧友,以及定制制造商选择的主要材料。

套管还是焊接

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钢架有两种主要制造方法,套管和非套管。套管车架将管材在接口处插入铸钢凸耳中,然后钎焊在一起。非套管的车架是焊接在一起或角焊的管材接口。套管结构过去很常见,经典的钢框架通常具有非常精细的凸耳,但焊接往往会使车架更轻,并且与钎焊相比,需要的清理工作更少,这通常会导致接头处有多余的材料,之后需要去除。

另一方面,钎焊所需用到的温度比焊接更低,因此钢的性能改变可能会较小,从而形成更坚固的接头。与铝合金车架中的管材一样,钢架通常也会以对接的工艺以减轻重量。新款钢架的管材形状比老款的圆形截面更加的多样化。

种类繁多的钢材

大多数注重性能的钢制自行车由铬钢制成,在廉价的低端车架上可以看到高强度钢。不同成分的钢具有不同的性能。Reynolds 531是用于自行车车架的经典合金,其中531是指合金中锰、碳和钼的比例。

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不过,现在还有更多选择,包括 Dedacciai 和 Columbus 在内的管组供应商。钢管的成分和轮廓种类繁多,这与其他车架管材不同。这意味着可以打造出一个非常结实的旅行车车架或较为轻量化的车架,具体取决于用户的需求。

不锈钢也是一种选择,但是它们比铬钢弱,不过自行车制造开发了与铬钢一样坚固或更坚固的专业不锈钢。

钢架特点

钢的主要缺点是重量和成本。它比铝更重,大规模制造成本更高,所以铝仍然是当今大多数金属自行车车架的首选。

虽然钢的密度和重量比铝高得多,但它也更坚固、更耐用。这意味着车架制造商可以使用直径更小、壁更薄的管子,并保持所需的刚性水平,但重量损失仍然存在。与铝不同,如果损坏,它也可以相对容易修复。同样,钢也有一个疲劳极限,它可以承受无限次低于疲劳极限的应力而不会导致失效,这与铝不同,铝会随着时间的推移而磨损。

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钢的天然特性也可以带来“弹性”的舒适体验,所以钢制是精品自行车和定制自行车以及旅行车的热门选择,在这些车架中,重量问题不大。钢比钛具有更高的价值,耐用性和使用寿命是关键。也就是说,除非由不锈钢制成,否则钢架需要涂漆以阻止外部腐蚀,也可以在管内涂漆以防止生锈。

钢架的优点

坚固耐用,不会疲劳

易于维修

舒适性相对较高

比钛更实惠

钢架的缺点

比较重

比铝贵

管型不如铝先进

如果处理不当会腐蚀

钛合金

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钛通常被视为一种高端的选择,部分原因是它的骑行质量和成本,以及钛合金自行车经常被吹捧为“终身自行车”的事实。

大多数金属在可能失效之前都有确定的负载循环次数。钛对反复的应力和应变的弹性要强得多,这意味着熟练的车架制造商可以制造更轻、更顺应的车架,而不会出现故障风险。

与铝和钢一样,钛也是一种合金,车架制造商也有不同等级供选择。AL3 2.5V(含3%铝和2.5%钒)是钛车架最常用的标号。6AL 4V管明显更坚固,因此更难利用,有时用于高性能车架或刚性至关重要的个别区域,例如头管和五通。

钛合金还具有高度抗疲劳性,这意味着它减震性能更好且不会形变。例如,Moots利用钛合金的柔性在其Mountaineer和Routt YBB车架组的后上叉位置打造出避震系统以实现减震。

钛合金车架特性

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与其他金属相比,钛在自行车车架方面具有明显的优势。它的密度低于钢,因此车架组可以更轻,同时仍然具有较厚壁的管子。钛管的重量是相同抗拉强度钢管的一半。Enigma的钛管组最薄处的厚度通常为0.9毫米,而钢管组的厚度为0.5毫米。

这使得钛框架更难凹陷,而且由于钛不会腐蚀,车架不需要上漆。但是钛比钢更难加工,必须注意焊接过程的清洁和控制,需要氩气保护以防止被氧化。

过去,可用的钛管组很少,而且它们不是专门为自行车设计的。现在这不是问题,因为自行车专用管的选择更多,而锥形头管和更宽的中轴标准等设计特点意味着钛合金车架可以设计成与应用要求一样坚固。

钛架优点

坚固耐用,不会疲劳

比钢还轻

乘坐品质好

无需特殊上漆

钛架缺点

难以加工

不如碳轻

相对昂贵

碳纤维

车架材料如何选择 碳 铝 钛 钢各有啥优缺点?

自从兰斯·阿姆斯特朗(Lance Armstrong)用Trek 5500 OCLV 赢得1999年环法冠军以来,碳纤维一直是高性能自行车车架的首选材料。

这是有充分理由的。碳纤维是一种适应性很强的材料,可以根据精确的要求进行塑形和微调,它能平衡刚性、舒适性和空气动力学。不过,碳并非没有缺点。碳架价格昂贵,在高端市场中高达五位数,并且比其他材料更容易受到碰撞损坏。

碳纤维车架如何制造

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碳纤维车架由嵌入环氧树脂基体中的碳纤维层(纤维编织层)组成。碳纤维赋予它强度,树脂将其固定在一起。

碳的每层强度重量比最高,但这只是一个方向,所以它以多个角度堆叠在自行车车架上。这意味着它的强度重量比略有下降,但仍高于其他材料。

大多数车架是通过将许多碳纤维/树脂材料(称为“预浸料”)分层制成的,在车架的不同位置使用不同的等级和方向。例如,Look的795 Blade车架是用800多种不同的预浸料制成的。

树脂赋予了车架耐冲击性和抗压强度。生产预浸料的公司相对较少,许多车架是由第三方制造的,因此大多数车架将使用相同的树脂制成。这是自行车制造商擅长的铺层,这也赋予了车架不同的品质。

掌握叠层的要点让碳纤维车架在设计时增加了另一层面上的复杂性,自行车品牌也不知道用户最终将会如何使用他们的车架。这导致碳纤维车架在一定程度上要做到过度设计,以确保它们能够承受与往常不同的负载能力。

模具成型还是拼接

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一旦车架中的不同叠层被手工铺好好,车架就会被放置在一个金属模具中,并在压力下加热以将不同的叠层粘合在一起。

在模具成型车架中,每种尺寸的自行车都需要不同的模具,这使得新车架设计的成本高昂。

另一种用于一些定制车架的方法是套管结构,其中预成型的碳纤维管被切割成一定长度,并在接头处包裹在额外的碳纤维中或粘在碳纤维凸耳中,Colnago C64 是这种结构的典型例子。极少数自行车制造商使用机器将自己的碳纤维编织成管子,BMC和TIME采用类似流程。

碳纤维车架的特性

碳纤维与所有金属之间的一个关键区别是,碳纤维的复合性质使其具有多向性,这意味着其物理性能在不同方向上是不同的。

多向性的一个日常例子是一块木头你可以很容易地把它纵向分开,但要穿过纹理横向劈开会困难得多。碳纤维也是如此,这意味着不同部件的布局对于车架的骑行方式和强度至关重要。这就是为什么会在碳纤维自行车的营销材料中反复看到到“叠层”这个词。

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另一个重要因素是所用碳纤维的模量。模量较高的纤维会更硬,但它们也更脆,因此即使是以“高模量”为卖点的车架也将由不同等级的碳纤维混合制成。模量更高的碳纤维也更昂贵,但最终结果将是相同强度下更轻的车架。

有时你还会发现碳纤维车架中也采用了其它的材料。例如Bianchi的Countervail技术,该技术在其许多车架中得到应用。它将一层具有弹性的粘合材料集成到碳纤维叠层中,Bianch表示这有助于抑制路面颠簸。

能够仔细调整车架每个部位的特性,意味着碳纤维车架的设计可以满足自行车的特定要求以及其设计的骑行种类。碳纤维可用于制造极其轻量且极其硬朗的车架,可以选择将碳纤维包裹成复杂的空气动力学管状的同时,仍能顾及到骑行品质和舒适性。

与金属车架相比,碳纤维的另一个缺点是它无法钻孔或攻丝以提供螺纹安装组件。这意味着需要将轴承压入到车架中,或者添加金属垫片来安装螺纹轴承。尤其是压入式中轴,容易产生噪音。而金属垫片会增加自行车的重量,如果做得不好,还可能会带来校准难题。

碳纤维还易碎,因此在尾勾等部位非常容易受损。这就是为什么碳纤维自行车通常搭配用于安装筒轴的金属筒轴杆,或是在这些部位内嵌了金属保护块。

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撞击还会对车架内部造成损坏,这种损坏从外部可能看不出来,很有可能会导致车架意外断裂。如果碳纤维车架遭受过撞击或者严重碰撞,应该在再次骑行之前对其进行检查,可能需要使用到超声波或X射线来检查车架内部的损坏情况。

如果碳纤维车架确实损坏了,回收的选择非常有限,而金属车架则很容易被回收利用。特别是钛的价值意味着它不太可能会最终被送进垃圾填埋场。

碳架优点

刚性重量比优异

可塑性强

碳架缺点

价格昂贵

碰撞后易损坏

编辑:滨

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