骑行——漫谈车架材料

 2010年06月24日    1,704次    57条     

       自行车运动开展一百多年来,自行车本身的材料、工艺、设计发展很快,特别是近几年来新产品、新技术层出不穷。让我们从自行车最重要的车架谈起,看看当代自行车应用材料的发展变化。
       首先了解一下金属材料的常用语:
       应力是单位面积上所能承受的重量。受应力后,车架材料会变形,其变形可分为弹性变形和塑性变形。除去应力后,弹性变形能恢复原状,而塑性变形则无法恢复原状。
       弹性率以杨氏弹性模量来表示,数据越大弹性率越高。弹性率决定材料刚性的强弱。
       拉伸强度指的是增加应力到一定程度时不单是塑性变形,材料还被拉断。

主要车架材料性能表

车架材料铬钼钢铝合金钛合金碳纤维镁合金
杨氏弹性模量(GNm2)200-20769-7980-13070-20041-45
密度(g/cm3)7.92.6-2.94.3-5.11.5-1.61.7
拉伸强度(MPa)834以上6061铝合金,无热处理100以上,T6热处理246以上;7005铝合金,T6热处理,345以上;7075铝合金,无热处理230以上,T6热处理597以上3-2.5钛合金,685以上;6-4钛合金,热处理 1160,无热处理980  

经典魅力钢车架

       现在开始练车的朋友接触的都是铝合金、碳纤维、钛合金、镁合金、钪合金等一系列新型材料,对钢车架这个遥远而陌生的材料已经没有了好感。殊不知,在一百多年的自行车运动历史中,钢材是刚性与重量方面均衡的理想用材。在骑行者身体感受之上,钢架也是最好的。钢车架虽然用于竞赛偏重一点,但是用于训练和普通爱好者骑行来说却是非常好的选择,使用过大名钢架的国内车友都了解其车架的骑行感觉非常良好。今天钢架的重新被重视,是很多国内外厂家没有想到的问题,甚至钢架一直比钛架和碳架的供应还紧张,你或许马上出钱就可以购买到多种的钛架和碳架,但是想购买到类似雷诺853这样级别的山地车架却是很难。
       铬钼钢是铬、钼的合金。铬钼钢车架是历史最久的车架,冲击吸收性好,骑感极好,但应力集中引起的金属疲劳也显著,另外就是它的重量,这也是专业竞赛中使用较少的主要原因。目前,更先进的钢种可以做得出强度重量比很好的架子,但是这些钢架的价格甚至超过了钛架,所以成为没有性价比的车架。
       选择钢架和车友的个性往往有很大关系。一般选择钢架的人不忌讳钛架,因为这两种车架性质类似,仅后者更贵更轻,而喜欢铝架的人则很难说动会去喜欢钢架,因为他们的个性中更喜欢性能和粗框的外形多一点,而旅行者和年纪稍大的车友有时也会选择钢架,原因之一是曾用过,知道钢架有良好的骑行感觉,并且见识过早期的一些经典自行车,而那些车在那些年代多是使用钢架的,这个记忆的烙印已经深入这些车迷的心中,期望获得一台相同的车便成为一种宿愿,而且上年纪的人已经过了那种追求性能和浮华外形的年龄,更喜欢轻松舒适的骑行风格,这也成为选择钢架的另外一个原因。

使用最广泛的铝合金

       铝合金是在纯铝中加入镁、锌、硅、铜等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点,加入其他金属后可显著提高机械性能。自行车所使用的铝合金多数为6000系(铝-镁-硅)和7000系(铝-锌-镁-铜)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7075是特超硬铝(制造飞机的材料),但它的焊接难度大,耐腐蚀性差(会发白)。

铝合金车架的优缺点

       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,就是在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。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。许多铝合金车架用6061 T6材料制造,T6标志表示经过热处理、时效析出。有7075标志的自行车零件(如SHIMANO XTR曲柄),严格来讲没有经过热处理。另外,7005铝常用来制造车架,它的强度比不上7075铝,但它在常温下也能够进行足够时效。
       长时间使用外观不怎么变化。铝本身是容易受腐蚀的金属,放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜,但氧化膜达到一定程度时能防止继续生锈,氧化膜几乎无色,外观上不容易发现变化(有时会发白)。
       铝合金可用Padded加工制成薄料,但它本身的强度及杨氏弹性模量低,因此要加粗管道直径来提高刚性,或者改变形状如cross-over管、padded管等。铝架车粗粗的外形是可以在较大的截面积有更好的强度表现,同时也可在更大的截面积下抽得更薄,从而实现在更轻的重量下有更大的强度比。车架的抽管之前,管料必须先浸油,然后再进行抽制。制管的关键是抽制的速度和力度,且使用的管料必须是一流上成的,管中稍有瑕疵,都会导致抽出废管,或者在后期测试不过关,或者在使用一段时间后报废。最高级的制管技术,已经可以让7005铝安全地抽到最薄处0.6毫米(不过我们现在使用的db车架,最薄处通常是1毫米和0.8毫米),让7075铝也可以做出轻量的1400克以下的山地铝架和1200克以下的公路铝架。当然,抽薄是一种技术突破,是每个管料厂家都在研究的,7005在今天已经接近其极限了,而要更薄更轻,只能通过设计和更高级的铝材才能实现,当然那些车架的价格也是不菲的。

高端的7075

       通常7075都是用在高价值产品上,比如说曲柄、立管等。2014和6061铝材都可以3D铸造,然后在外部进行一道CNC车制而成很漂亮的立管。而正规的7075立管加工虽然最终达成的效果相当接近,但是所花的工序是完全不同的。7075具有特殊的金属分子方向性,7075铝块必须经过锻打才具有这样的特性,而一旦产生这种特性,其强度就可以再进一步提升。锻打的不是一个3D铸造件,而是整块的金属实体,然后在这块金属的基础上用CNC机床(Computer Numerical Control,计算机数字控制,特指使用自动控制的机床,即传统所称的数控机床)进行内外的大量切削,才能最后形成一个立管。立管是连接整车的关键,在受到冲击时对强度有很高的要求,摇车时更能充分体现刚性,每款7075立管都是各品牌的顶尖产品,要轻量和刚性的最高保证,那立管最好就是7075了。

db技术

       国内高端铝料是很难找的,7075,u6,u7,2014等铝材都要进口。
       车架使用的7005铝要进行db。db是铝管的一种制作技术,传统的铝管车架为了做到一定的强度除了使用7000系的管材外还要使用粗大并且厚的管壁,因此铝的质轻特点并没有体现出来,于是出现了抽管加工工艺,能在保证强度的前提下,在一定程度上减少管壁的厚度,这样铝车架又拥有了最初的轻量,而两端较厚便于焊接。其实拉伸成db管的过程中会导致应力的上升,所以db管车架必须要求由T处理回火技术非常过关的厂家来做,而更复杂的管型,如MOSSO的美洲虎车架,下管使用高吨位油压机压制,压制过程还会出现一部分的报废,这都使得成本上升。而花费这样的代价,为的就是一根更整体且更有刚性的下管。
       其实,铝车架的竞赛性能确实出色,惟一让你无法忍受的是颠簸,必须用较软的坐垫和吸震材料的座杆,来减缓一些震动,但这也使得蹬踏力量在坐垫上被吸收一部分。

叫好不叫座的钛合金

       美国在20世纪60年代首次使用钛合金制作自行车车架。钛比重轻、强度大、耐腐蚀性高,在钛里添加铝、钒时强度显著提高,和铝合金一样通过时效处理也可以提高强度。
       钛合金可以制作轻量而强度大的车架;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,需用脂膏等来绝缘;骑感好。钛合金车架的缺点是钛在自然界以二氧化钛的形态存在,提炼及加工过程复杂,溶接加工极为困难,要用惰性气体焊接,所以钛车架价格较贵。
       钛金属车架有非常多的优势,钛架的弹性、高耐久金属的长寿命、已经足够和铝架匹敌的轻量、在所有车架中最出色的耐腐蚀、永远不褪色的光辉,其实这些特性都是再适合业余自行车爱好者市场不过的了。钛架确实比钢架弹性更好,且强度不弱。至于说到软,我并不能很明显地感觉。
       钛架在国际上并不便宜,类似LITESPEED这样的名牌,很多架子都要上万元人民币。中国的钛资源丰富,航钛和宝钛的3/25钛车架大多价格适中(一般在4000元以下),而过去大名的钛架简直就是库存倾销(价格一般在2000元以下)。
       钛架上常见的3/25Ti、6/4Ti标号是指加入的铝和钒的百分比。6/4Ti就是6%的铝和4%的钒,这是一种超硬车架用钛,由于硬度太高,难以制造无缝管,必须先弯曲后再焊接成管,能做出比3/2.5Ti更轻更硬的车架,当然这样的更轻更硬是代价不菲的,你可能为了200克的重量而多花四五倍的价格。3/25Ti的管料技术已经很成熟了,但是由于涉足自行车领域的钛车架厂还较少,技术壁垒较高,一般车架厂顾及市场销售前景不愿意投资,也由于材料价格是铝的六倍,所以成品钛车架的市场接受度还较很低,这也是其价格目前居高不下的一个原因。

碳纤维:车架新宠

碳纤维的优缺点

       碳纤维其实应该叫碳纤维复合材料,是由环氧树脂和碳纤维丝粘合后形成的一种复合材料。
       碳纤维丝重量很轻,具有方向性(拉伸强但容易断),需要混和环氧树脂和薄料层层重叠的方法来改变其物理性能。碳纤维复合材料在同等重量下甚至能超过钢四倍的强度,而且可塑性非常强,可以通过改变碳纤维的密度、环氧树脂的品种,甚至是固化的温度和时间,来改变材料的强度及韧性。但碳纤维丝价格是较高,且加工异型模具时报废率极高,而且异型碳纤维材料做出后要进行大量手工打模才能完成,所以价格一直居高不下。
       碳纤维重量轻,可制造七八公斤的轻量自行车,在爬坡时最能体现其轻量的优点;可制造成空气阻力很小的异型车架,具有很好的钢性和吸震性,可以为骑手提供最高的骑行质量,所以成为今天自行车制造业中最尖端的材料,车架、前叉、把立、横把、座管、牙盘等目前都开始广泛采用碳纤维制造。
       碳纤维丝在成型前都是像缝纫用的线圈一样,根据不同的要求编织成不同的纤维布,而且不同编织角度的纤维丝,它的力传导也是不一样的。把不同角度的纤维布层叠搭配在一起成型,它的强度就不一样。不过,碳纤维车架加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性),根据计算才能把碳纤维片重叠成型。用于粘合碳纤维丝的环氧树脂很不稳定,高温暴晒会加速其老化,低温会使其变脆,所以碳架必须在表层涂抹防止氧化的表漆,使用中要避免在无风的环境中在日光下暴晒。碳纤维还有个极大的弱点,就是不耐点冲击。可以说,碳车架惟一害怕的是尖锐物体,如果越野时车架磕在岩石上,那就麻烦大了,所以碳架大多用于公路车上,因为公路车少有碰到这样的伤害。
       有一种说法,碳纤维车架是用胶水粘的,寿命肯定没金属的长,因为胶水会起化学变化,会变质。碳纤维有多种,环氧树脂也有多种,最早的碳纤维制品甚至怕紫外线,但是现在已经没有这个问题了,新的资料显示,碳车架的寿命已经明显超过了铝合金、镁合金和钪合金,原因就是环氧树脂的改变,有的车架甚至有终身质量保证,如德国kuota车架。
       过去的碳车架多用4k或者8k的碳丝,硬度上不如钢,现在碳车架上采用的16k高密度碳纤(表面3D布除外),可以在和钢同重时,强度达到钢的4倍,也就是说1.1公斤的碳车架,理论强度相当于4.4公斤的钢架,这样的高强度,使碳架成为自行车竞赛中的极品。

半碳架设计

       碳架的竞赛性能优良,外形可塑性强,吸震在材料内部完成,硬而不颠,16k密度的碳丝寿命甚至在钢材之上,使其成为自行车比赛中的上品,惟一的遗憾是昂贵的价格让太多人望而却步。
       半碳架是个聪明的设计。钢车架较重,其中大名的不等壁铬钼钢架重量很难做到1900克以下,为了将其更加轻量,大名公司将前三角的主管采用碳管,这种技术使得17寸车架的重量轻到1700多克,而16寸的重量更轻达1600多克。要知道在大名推出半碳架的时候,就算是GT公司的铝架也只不过做到这样的重量。另外通过这种改变,使得车架后三角保持了钢材的弹性,主三角使用碳纤吸收震动。主三角由于型变不如后三角来得剧烈,避免了材料过快疲劳。同时,这样的接管设计使得车架的成品率很高,价格又降了下来,大名在那个时代领先的设计理念超过了现在正在生产后碳架构造的许多车厂多年。
       现代材料应用和管料技术已比那个年代有了很大提升,铝可以依靠抽管和T6处理达到较高的硬度,铝材的合金成分也有了较大的改变,现在较流行的设计中有一种前铝后碳的设计,这也能称为现代的半碳技术。铝合金半碳车架并非是为了轻量而使用碳后三角,其目的是为了吸收后三角从地面传回的震动,但是这种设计对粘合技术要求极高,目前大陆还没有可以粘合达标的工厂。粘合采用的技术称为石蜡内模具技术,先做石蜡模,然后在石蜡上浸润上塑料外膜,模上覆盖碳纤,最后在外层贴附3D布。热固化碳纤时,石腊模心随之融化流出。
       大多数碳车架往往有种怪怪的形状,但并不是所有的碳架都是异型的,比如CONALGO公司的碳车架,就将钢架的外观和先进的碳材料结合起来,生产出复古感很强的全碳车架,如c40等,而其和法拉利公司合作生产的c35,其车架在高速时的稳定,摇车时硬度,决非一般车架可比,对其外形的难以接受会马上被其超一流的性能转变过来。

其他合金车架

       钪合金。据说是铝族车架的终极产品,不仅有很高的强度,而且可以做到一般铝合金难以做到的轻量。所谓钪合金,其实就是在铝及其合金中添加微量的钪,形成高性能的铝合金,应该仍属于铝合金的一种。
钪合金车架综合了铝车架与钛车架的优点。与铝车架相比,保持同样强度和硬度,更加轻量化,而且没有铝架易有的死硬缺点,具有较好的舒适性;与钛车架相比,重量更轻,避免了钛架易出现的刚性不足的缺点,硬度比钛架要强些。不过,钪合金车架极高的价格让普通消费市场难以接受。
       Kinesis公司(世界上最大的车架生产厂商)的kinesium合金,由于采用低价格的金属合成,且强度重量比远优于目前的7005铝合金。虽然价格不像钪合金那么贵,但是一样在国内市场上反应冷淡。
       镁合金。镁的比重很轻,是铁的1/5,钛的2/5,铝的2/3,通过合金化耐腐蚀性能得到进一步提高。所以,镁合金可以制造重量轻的车架,和钛比较起来加工性好,但刚性比铝低许多,制作车架的成本也较高。

铝合金车架的制作过程

       我有幸到深圳的几家车架厂进行参观,深入了解铝车架的整个生产制造过程。
       生产车架的第一道工序是制管。管厂按照车架厂的要求,将长度、厚度、管型都合适的铝管料发到工厂。管料需要切割和压制。压制的通常是较细小的管料,如后叉管,将管压制成异型,有的是为了获得更高强度,有的是为了让车架获得弹性。有些管料还需要打上孔,为的是焊接时能排出高温气体。这道工序叫管料的预制。预制工序中还有切削,这种加工是为了让车管在焊接时贴合更加紧密。焊接机器人等设备价格高得可怕,这些东西车架厂装备后,可能人手会减少,但是车架成本高得多了,那些成本是要最终摊入了销售价格中的。即使使用焊接机器人,也同样会产生虚焊等质量问题,而焊接技术精湛的老师傅,其焊接不比机器人差,只是速度会慢很多。
       管料预制后的一个重要工序,称为洗管。管料在加工后,表面会产生污染,任何污染都会直接影响到焊接后的精度,有些表面污染还会造成虚焊,所以为了保证车架的焊接质量,必须进行多道的清洗工序,车架会经过几个带有各种化学洗涤剂的水槽,这样漂洗后的车架就可以进行下一道烘干工序了。另外,这些清洗池也可以对车架进行磷化处理和上漆前的脱脂,所以车架在焊接前和喷漆前会最少两次到这个地方进行处理。
       经过清洗和高温烘干之后的管料,开始进行低温火焊。这种焊接不能用在管与管的结合上,只适合用在焊接车架上的过线马和刹车安装孔等中低强度部位的焊接,最大的好处是焊缝美观,使用的是4102低温焊条,可以在较低温的液化气火焰下熔解焊接。
       下面进入的是氩弧焊,因为这道工序直接关系到车架的强度,所以都是由车厂中较有经验的老师傅进行的。车架在定位台上进行定位,然后将定位的管料进行点焊,大面积焊接是在氩弧焊焊台上,焊台底部是一块黄铜,每次焊接前,要用沙轮机稍稍清理车架表面的氧化物,以防止绝缘。焊工右手抓着的焊枪可以产生数万伏的高压放电,焊枪是不接触焊料的,而是通过电弧的火花产生瞬间的高温,将焊料瞬间熔化。每个焊工都全身武装,因为焊台上不仅有高温,而且焊接中还产生高辐射亮光。车架前三角焊接后要进行校正,用大铁棒折扭以调整偏差。
       已经焊接好的半成品车架,在某些小厂,这样的车架可能就被拿去涂装了,因为后面的工序不仅费工费时,而且还要消耗大量的成本。高端车架生产中的关键,就在于车架由于焊接、挤压管料、切销等动作,造成车架中的许多地方产生金属内部应力,而这些应力区极容易发生金属疲劳,在较低强度下就可能发生断裂,所以车架必须进行T处理。T处理其实是一个退火和稳定金属的过程。T4处理,车架装架后,在处理房间内被液化气燃烧,加热到420度—460度(具体温度视合金种类,6061合金略低些),持续时间4小时—5小时。出房后,迅速进入高速风扇下进行风冷,气流快速贯穿车架各个部分,进行迅速冷却。6061铝一般需要进行快速水冷,由于6061车架浸没在水中的一瞬间,可能造成先进入部分和后进入部分的水温差,导致应力重新产生,而且6061铝在焊制过程中不容易保持形态稳定,所以7005是铝车架中合金特性较好的。T6处理房,车架在这里要经历第二次16小时以上的高温,才能宣告T处理完成。在T4前,车架要经过一次初步校正,经过T4后,金属还会产生一些型变,所以车架必须经过第二次精度校正。这时,焊接后的铝架已经相当稳定了,车架被固定在一个调整台上,调整台以液压紧密固定五通和车首管等部位,工人必须将一个尾叉卡钳平行推入可以正好让后叉进入,有任何偏差,卡钳都难以推入,工人就会使用橡皮锤和弯管铁钳进行精细地调整。熟练的工人校正一个架子需要很长时间,而且这个工序的质量保证,完全依靠人工的校对,还要花费不小的气力。
       铝在加工成型过程,材料会在挤压或者焊接的部位产生应力,如焊接。焊接点经过瞬间高温后快速冷却,会让焊口周围出现大量裂纹,这些裂纹会可能在以后的使用中从那里开始裂掉,而那时局部的硬度是不小的,所以我们通常会说铸造铝的曲柄硬度高,当然会相对的脆,断裂是不会出现先弯后断,而是直接断裂。车架为了消除这些应力作用和裂纹等复杂的机械产生的作用,所以必须进行T处理,T处理是通过时效,让车架内部的铝分子在相对恒定的高温下均匀地结晶,让应力均匀地扩散,让那些焊接的碾轧件成为一个整体更紧密的东西。当然,T处理是肯定会让铝的强度和硬度有一个整体提升的,但并不是简单的让铝变硬。
       由于时间关系,车架制作后期的打磨和涂装,我没有参观。

(文/老李)

原文刊登于《户外探险》2006年7月刊

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