制造可靠的车架材料丨碳纤维和铝是首选

2023-08-30 理论教育版权反馈

【摘要】：事实证明，这些方法能够制造更可靠的碳纤维车架，因为它们最大化减少了需要相互连接的材料的种类。由于铝在重量和强度之间实现了很好的平衡，而且具有相对较低的成本，所以已经成为车架制造中使用最广泛的材料。高级混合树脂材料再加上碳纤维材料，能够制造出当今最轻量、最具刚性的车架。碳纤维材料价格昂贵，生产过程需要耗费大量人工，对于工程师而言也很有挑战性。

近几十年来，车架制造业发生了翻天覆地的变化。许多在20世纪80年代和90年代被奉为圭臬的传统法则已不再适用于现代的车架设计。在以前，几乎所有的车架都是用钢管材制造的，管材直径和管壁厚度的选择很少，所以影响自行车骑行品质的主要因素就是车架几何。通过使用较倾斜的头管角度和座管角度，以及更长的前叉前探量和后下叉长度，从而实现更舒适的骑行体验。但这是以牺牲操控敏捷性和传动刚性为代价的，所以那些偏好竞赛的选手只能通过牺牲舒适性来提高骑行表现，他们会选择那些具有更陡直的角度和更短的后下叉及前探量的车架。优秀的车架厂商能根据每个车手的独特需求来优化骑乘和操控性能。

从自行车制造工艺刚起步时，厂商们就已经开始尝试使用钢铁以外的材料了。但是直到20世纪80年代，这些做法才开始普及，并在技术上实现了真正的飞跃。第一个显著的进步体现在铝合金和钛合金材料上，这两种材料已经被研究了几十年，其中有失败也有成功。但是一旦出现了合适的管材成型和焊接技术，这些材料就立即找到了自己的具体用途。

此时，另一种新材料也激起了制造商们的无限遐想，那就是碳纤维。一开始时，碳纤维以编织管材的形式出现，通过工业黏合剂与铝套管相连接。碳纤维获得了一定程度的支持，但是碍于当时制造技术的局限性，没有发挥出它的全部潜力。

钛和铝的普及速度非常快，因为它们具有重量轻、耐腐蚀的特性。钛车架具有类似于钢架的骑行品质和弹性，正是这种舒适的路感使得人们对钢架赞誉有加。而铝车架拥有极具刚性的路感，能有效地传导动力，并为选手们提供良好的加速性。铝车架特别受参加环形公路赛的选手们的喜爱。环形公路赛是指在短距离环形赛道（通常是0.6～1英里，1英里约为1.6千米）上进行的公路比赛，其中有高难度弯道，需要参赛者一次又一次地迅速加速。对于更长的点到点骑行赛道，许多选手仍然会选择钛或钢质车架，可能是包含连续上坡、下坡和舒缓弯道的大环形绕圈赛，或是超过100英里的长距离赛事。参加这种比赛应该使用具有较好刚性的轻量化自行车，同时车子要能为长距离骑行提供一定的舒适性。

一直以来，一个相对较新的自行车种类正快速发展——并非是在公路上，而是在林道中。我们现在认为，山地车起源于美国加州北部的山林之中，从使用“气球胎”的沙滩车脱胎而来，配备改装并加强后的车架，再加上从车店里搜集来的零件组装而成。从这些改装的旧车开始，一个新行业诞生了，并有了快速的发展。

因为原始版的山地车已经非常好了，所以当时只有很少的车架厂商生产更好的车架。尽管公路车行业耽于传统，并常常阻碍甚至扼杀创新，但是对于山地车而言却没有什么既定规则，所以总是不断涌现出各种新创意。这种发明精神推动车架制造工艺不断取得革命性进展。与此同时，飞速发展的山地车运动也急需更轻、更耐用和操控性更佳的山地车出现。

当时仍有一些人依然坚信碳纤维才是车架的未来。碳纤维以及构成这种材料所用的树脂都取得了诸多发展，而且出现了更加精进的制造工艺。一些车架厂商当时已经发明了碳纤维套接管成型方法以及车架一体成型的技术。事实证明，这些方法能够制造更可靠的碳纤维车架，因为它们最大化减少了需要相互连接的材料的种类。

现代材料

现在，科技创新仍处于飞速发展当中。由于铝在重量和强度之间实现了很好的平衡，而且具有相对较低的成本，所以已经成为车架制造中使用最广泛的材料。制造商们使用各种生产技术生产出不同管径、不同管壁厚度以及不同管材形状的车架，在需要的位置提高刚性，同时还能保证骑行的舒适性。铝材具有轻量、高强度的特性，并能抵抗一定冲击，因此是制造山地车车架的佳选材料，同时也适用于那些经常在恶劣天气中骑行和崎岖路面上骑行的自行车。全避震山地车尤其受益于铝金属的易塑性，从而车架在各个方向都具有极高的刚性，进而使避震器发挥了全部潜能。

在铝中加入钪、陶瓷等材料形成铝合金。在铝中加入少量合金材料可以提高铝的抗疲劳性，并可以在制造车架时使车架更轻、管径更小。有些自行车制造商也会在不同部位使用铝和碳纤维等不同材料，比如铝材质的主车架搭配碳纤维的避震连杆。这样的车架整体上更轻，甚至会有更好的骑乘品质，但确实会增加一定成本。

钛车架本身具有比铝车架更柔软的骑乘品质。但仍有一些公路车手和崇尚硬尾车简约性的山地车手对钛车架钟爱有加。由于原材料的成本较高，所以钛材质的产品越来越少。但是钛具有优异的耐疲劳性、耐腐蚀性以及表面硬度，因此你一生也许只需购买一个钛车架即可。

为了实现最佳性能，人们普遍认为碳纤维才是最佳材质。

高级混合树脂材料再加上碳纤维材料，能够制造出当今最轻量、最具刚性的车架。碳的特性使得工程师们能设计出可以更好吸收和消除震动的车架，从而具有非常舒适的骑乘感受。人们一度认为碳纤维过于脆弱，无法经受住XC越野骑行强度以上的考验。但是现在即使是山地车也能从碳纤维的特性中充分受益。经过精心设计之后，碳纤维正成功应用于全避震车架上。这些车架能在最崎岖的山路上飞驰如常。这样高水平的性能表现确实需要付出一定成本。碳纤维材料价格昂贵，生产过程需要耗费大量人工，对于工程师而言也很有挑战性。碳纤维已经基本摆脱了“过于脆弱，仅适用于竞赛”这样的坏名声，但是哪怕是仅能在钛、钢或铝车架上造成凹痕的一点冲击，便可能让碳纤维车架产生裂缝，甚至车架完全报废。但是，现在在公路上和林道上随处可见碳纤维自行车，足以证明，对于许多车手而言，碳纤维带来的好处的确超过了所需付出的代价。

钢曾一度“失宠”，但现在正处于复兴期。这种材料研发曾经停滞不前，但是管材制造商们已经开发出改进版的钢合金，并能提供更广泛的管径、管壁厚度和抽管工艺的选择范围，所以钢材质又迎来了一个新的春天。钢架制造商们已经掌握了生产新型钢架的必要手段，在保持卓越骑乘品质的同时，也拥有了堪比铝车架和碳车架的重量优势和传动刚性。广泛的管材选择范围也意味着小型定制厂商可以满足每个客户的特殊要求，轻松而高效地制造出车架，从而让每个车手都拥有一辆专属于自己的自行车。钢也是普通材料中最容易修复的一种材质。因此，在经历不幸的摔车之后，钢架通常能够重新校正，甚至更换一两根管材，而无需丢弃旧车架再去买一个新车架。

不要上当受骗

所有车架材料都有不同的品质可选。例如，制造钢车架的材料通常是合金钢。高品质钢架曾经非常容易识别，因为它们几乎都混合了一定量的铬、钼或锰。过去，一个标有“Cro-Moly”和“Manganese-Moly”的车架贴标就是卓越品质的保证。但是现在却不那么容易识别了，因为现在的管材制造商们都严密保守着自己的钢合金秘密配方。你基本上可以信任由Reynolds、Dedacciai或True Temper的管材制造的车架，当然一些不太知名的品牌生产的产品也不错，只是一般难以找到。然而，如果过分吹嘘车架采用“高韧性”“三种铬钼钢”或任何其他含糊的说明，那么就可以确定这个车架品质低劣。这些车架由更重、更软的钢制造而成，非常适合休闲骑行，但是对于狂热的车友而言，这些车架在骑乘品质、刚性和强度方面都不尽如人意。

在区分铝合金车架的品质高低时，问题同样很棘手。一般来说，由6000或7000系列铝（如6061铝、7005铝或7075铝）制造的车架具有较高的品质。然而，铝合金车架并非各个部件的简单拼接。也就是说，与所使用材质的特性相比，铝管之间的连接方式对车架品质有着更大的影响。

目前，钛和碳纤维车架价格昂贵，因此质量相对有保证，但是也有区别。钛合金通常有两种混合比例：3Al/2.5V和6Al/4V，这两种钛合金比例都加入了少量的铝和钒。两者中比较柔软的是3Al/2.5V，更容易加工，与6Al/4V相比骑乘感受更柔顺，而6Al/4V具有很高的硬度。我们说的硬度（Hardness）是指材料本身固有的在切割和加工时的硬度。

碳纤维是最复杂的。编织布的重量和密度、碳束材料的弹性模量（用于测量编织布的刚性和抗拉性）、树脂、堆叠（即碳编织布在模具中的方式、形状和方向）都会对碳纤维车架的品质有所影响。我们已经知道非常多的应用碳纤维的方法，有时几乎每个月都能发现一种新方法。

制造可靠的车架材料丨碳纤维和铝是首选

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