車架材料如何選擇 碳 鋁 鈦 鋼各有啥優(yōu)缺點(diǎn)？
我應(yīng)該選擇什么材質(zhì)的車架？這應(yīng)該是很多人購買自行車時(shí)要做出的關(guān)鍵抉擇之一。
多年來，自行車車架由各種不同的材料制成，最初以鋼為主?，F(xiàn)在的主要選擇是鋁和碳纖維，當(dāng)然，鋼和鈦在市場上仍然有不少用戶。每種車架材料都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體取決于個(gè)人需求，比如你對重量、預(yù)算、壽命以及希望從車架中獲得的性能特征。
接下來我們將概述購買自行車前要考慮的鋁、鋼、鈦和碳纖維等材質(zhì)的一些關(guān)鍵特性。
鋁合金
經(jīng)常會(huì)看到被稱為“合金”的鋁制車架。這是因?yàn)榧冧X太軟，無法打造出用于自行車車架的形態(tài)，因此它與其它元素混合以改變其物理特性。事實(shí)上，出于同樣的原因，所有金屬自行車車架均由合金制成。鋼本身是鐵的合金，而鈦主要是與鋁和釩的合金。
6061和7005（兩種最常用的鋁合金）等數(shù)字是鋁與每種合金的添加劑混合形成（主要是硅和鎂）的代碼。每個(gè)“配方”的特性都會(huì)略有不同。鋁合金車架也是中檔預(yù)算車架的首選金屬，它兼具重量輕、剛性高和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，無可匹敵。
鋁合金車架如何制作
所有金屬都具有非常相似的強(qiáng)度重量比，管子的寬度和壁厚等因素比它們的強(qiáng)度更重要。操縱鋁管使其沿其長度具有不同的性能相對容易，并且鋁管通常采用對接方式，以確保需要的剛性，在不需要的地方減輕重量。
管材焊接
鋁架的管材通常都是采用焊接的方式。這意味著它的末端更厚，因?yàn)槟堑膽?yīng)力更大，需要更多的材料來連接其它管子，而中間更薄以減輕重量。直軌管的厚度始終如一，具有一致的性能。單對接管的一端較厚（例如，在五通連接處），雙抽管兩端較厚，多重抽管進(jìn)一步減小了管中間的厚度。
對接只是制作的一部分，我們還經(jīng)常聽到液壓成型工藝。它通過使用高壓流體形成適合模具的管子來調(diào)整管子形狀的過程。
高端鋁架比以往任何時(shí)候都更加先進(jìn)，這個(gè)過程可以幫助形成復(fù)雜的形狀，以影響車架特定部分的特性，包括重量、強(qiáng)度和舒適度。許多最新的鋁架還具有空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
鋁管通常焊接在一起制成車架。毛坯焊縫在外觀上可能非常凹凸不平，但這通常會(huì)在焊接后進(jìn)行打磨，以獲得更平整的外觀，它還有助于減輕一點(diǎn)重量。鋁架焊接后，通常會(huì)對其進(jìn)行熱處理以使合金恢復(fù)到全部強(qiáng)度。因?yàn)楹附訒r(shí)在局部區(qū)域施加大量熱量，這會(huì)改變局部金屬的性能，使焊縫成為最薄弱的區(qū)域，焊接后的回火有助于緩解這種情況。
一些早期的合金車架是粘合的，將切割成一定長度的管子粘合成凸耳。意大利品牌Alan和法國品牌Vitus是這種制造方法的早期采用者。
鋁合金車架有哪些特性
雖然鋁合金是大多數(shù)入門自行車車架使用的材料，但它仍然有一些價(jià)格更高、注重性能的車架選擇，無論是在公路車，還是山地車上。鋁合金車架堅(jiān)固耐用，價(jià)格約為碳纖維的五分之一，而且鋁的密度比鋼小得多。
由于材料的相對剛性和缺乏減震，鋁架并不以舒適而聞名，但最新的車架制造技術(shù)，以及公路自行車輪胎更寬的趨勢，意味著許多鋁架車提高了騎行質(zhì)量。雖然鋁架在強(qiáng)度、剛性和重量方面取得了平衡，但與鋼和鈦不同，鋁合金容易出現(xiàn)金屬疲勞。
然而，與碳架相比，鋁架受到碰撞不易斷裂。因此，鋁仍然是山地車上流行的車架材料，也是預(yù)算有限的入門公路車選擇。
鋁架的優(yōu)點(diǎn)
剛性重量比好
負(fù)載能力較為出色
比碳纖架更耐用
鋁架的缺點(diǎn)
舒適性一般
會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞
難以修復(fù)
鋼架
在大約100年的時(shí)間里，鋼材一直是車架制造的主要材料，直到1990年代中期，鋁合金車架開始占據(jù)主導(dǎo)地位。不過目前鋼制自行車仍然有市場，它是發(fā)燒友，以及定制制造商選擇的主要材料。
套管還是焊接
鋼架有兩種主要制造方法，套管和非套管。套管車架將管材在接口處插入鑄鋼凸耳中，然后釬焊在一起。非套管的車架是焊接在一起或角焊的管材接口。套管結(jié)構(gòu)過去很常見，經(jīng)典的鋼框架通常具有非常精細(xì)的凸耳，但焊接往往會(huì)使車架更輕，并且與釬焊相比，需要的清理工作更少，這通常會(huì)導(dǎo)致接頭處有多余的材料，之后需要去除。
另一方面，釬焊所需用到的溫度比焊接更低，因此鋼的性能改變可能會(huì)較小，從而形成更堅(jiān)固的接頭。與鋁合金車架中的管材一樣，鋼架通常也會(huì)以對接的工藝以減輕重量。新款鋼架的管材形狀比老款的圓形截面更加的多樣化。
種類繁多的鋼材
大多數(shù)注重性能的鋼制自行車由鉻鋼制成，在廉價(jià)的低端車架上可以看到高強(qiáng)度鋼。不同成分的鋼具有不同的性能。Reynolds 531是用于自行車車架的經(jīng)典合金，其中531是指合金中錳、碳和鉬的比例。
不過，現(xiàn)在還有更多選擇，包括 Dedacciai 和 Columbus 在內(nèi)的管組供應(yīng)商。鋼管的成分和輪廓種類繁多，這與其他車架管材不同。這意味著可以打造出一個(gè)非常結(jié)實(shí)的旅行車車架或較為輕量化的車架，具體取決于用戶的需求。
不銹鋼也是一種選擇，但是它們比鉻鋼弱，不過自行車制造開發(fā)了與鉻鋼一樣堅(jiān)固或更堅(jiān)固的專業(yè)不銹鋼。
鋼架特點(diǎn)
鋼的主要缺點(diǎn)是重量和成本。它比鋁更重，大規(guī)模制造成本更高，所以鋁仍然是當(dāng)今大多數(shù)金屬自行車車架的首選。
雖然鋼的密度和重量比鋁高得多，但它也更堅(jiān)固、更耐用。這意味著車架制造商可以使用直徑更小、壁更薄的管子，并保持所需的剛性水平，但重量損失仍然存在。與鋁不同，如果損壞，它也可以相對容易修復(fù)。同樣，鋼也有一個(gè)疲勞極限，它可以承受無限次低于疲勞極限的應(yīng)力而不會(huì)導(dǎo)致失效，這與鋁不同，鋁會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損。
鋼的天然特性也可以帶來“彈性”的舒適體驗(yàn)，所以鋼制是精品自行車和定制自行車以及旅行車的熱門選擇，在這些車架中，重量問題不大。鋼比鈦具有更高的價(jià)值，耐用性和使用壽命是關(guān)鍵。也就是說，除非由不銹鋼制成，否則鋼架需要涂漆以阻止外部腐蝕，也可以在管內(nèi)涂漆以防止生銹。
鋼架的優(yōu)點(diǎn)
堅(jiān)固耐用，不會(huì)疲勞
易于維修
舒適性相對較高
比鈦更實(shí)惠
鋼架的缺點(diǎn)
比較重
比鋁貴
管型不如鋁先進(jìn)
如果處理不當(dāng)會(huì)腐蝕
鈦合金
鈦通常被視為一種高端的選擇，部分原因是它的騎行質(zhì)量和成本，以及鈦合金自行車經(jīng)常被吹捧為“終身自行車”的事實(shí)。
大多數(shù)金屬在可能失效之前都有確定的負(fù)載循環(huán)次數(shù)。鈦對反復(fù)的應(yīng)力和應(yīng)變的彈性要強(qiáng)得多，這意味著熟練的車架制造商可以制造更輕、更順應(yīng)的車架，而不會(huì)出現(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)。
與鋁和鋼一樣，鈦也是一種合金，車架制造商也有不同等級(jí)供選擇。AL3 2.5V（含3%鋁和2.5%釩）是鈦車架最常用的標(biāo)號(hào)。6AL 4V管明顯更堅(jiān)固，因此更難利用，有時(shí)用于高性能車架或剛性至關(guān)重要的個(gè)別區(qū)域，例如頭管和五通。
鈦合金還具有高度抗疲勞性，這意味著它減震性能更好且不會(huì)形變。例如，Moots利用鈦合金的柔性在其Mountaineer和Routt YBB車架組的后上叉位置打造出避震系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)減震。
鈦合金車架特性
與其他金屬相比，鈦在自行車車架方面具有明顯的優(yōu)勢。它的密度低于鋼，因此車架組可以更輕，同時(shí)仍然具有較厚壁的管子。鈦管的重量是相同抗拉強(qiáng)度鋼管的一半。Enigma的鈦管組最薄處的厚度通常為0.9毫米，而鋼管組的厚度為0.5毫米。
這使得鈦框架更難凹陷，而且由于鈦不會(huì)腐蝕，車架不需要上漆。但是鈦比鋼更難加工，必須注意焊接過程的清潔和控制，需要?dú)鍤獗Ｗo(hù)以防止被氧化。
過去，可用的鈦管組很少，而且它們不是專門為自行車設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)在這不是問題，因?yàn)樽孕熊噷Ｓ霉艿倪x擇更多，而錐形頭管和更寬的中軸標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)計(jì)特點(diǎn)意味著鈦合金車架可以設(shè)計(jì)成與應(yīng)用要求一樣堅(jiān)固。
鈦架優(yōu)點(diǎn)
堅(jiān)固耐用，不會(huì)疲勞
比鋼還輕
乘坐品質(zhì)好
無需特殊上漆
鈦架缺點(diǎn)
難以加工
不如碳輕
相對昂貴
碳纖維
自從蘭斯·阿姆斯特朗（Lance Armstrong）用Trek 5500 OCLV 贏得1999年環(huán)法冠軍以來，碳纖維一直是高性能自行車車架的首選材料。
這是有充分理由的。碳纖維是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的材料，可以根據(jù)精確的要求進(jìn)行塑形和微調(diào)，它能平衡剛性、舒適性和空氣動(dòng)力學(xué)。不過，碳并非沒有缺點(diǎn)。碳架價(jià)格昂貴，在高端市場中高達(dá)五位數(shù)，并且比其他材料更容易受到碰撞損壞。
碳纖維車架如何制造
碳纖維車架由嵌入環(huán)氧樹脂基體中的碳纖維層（纖維編織層）組成。碳纖維賦予它強(qiáng)度，樹脂將其固定在一起。
碳的每層強(qiáng)度重量比最高，但這只是一個(gè)方向，所以它以多個(gè)角度堆疊在自行車車架上。這意味著它的強(qiáng)度重量比略有下降，但仍高于其他材料。
大多數(shù)車架是通過將許多碳纖維/樹脂材料（稱為“預(yù)浸料”）分層制成的，在車架的不同位置使用不同的等級(jí)和方向。例如，Look的795 Blade車架是用800多種不同的預(yù)浸料制成的。
樹脂賦予了車架耐沖擊性和抗壓強(qiáng)度。生產(chǎn)預(yù)浸料的公司相對較少，許多車架是由第三方制造的，因此大多數(shù)車架將使用相同的樹脂制成。這是自行車制造商擅長的鋪層，這也賦予了車架不同的品質(zhì)。
掌握疊層的要點(diǎn)讓碳纖維車架在設(shè)計(jì)時(shí)增加了另一層面上的復(fù)雜性，自行車品牌也不知道用戶最終將會(huì)如何使用他們的車架。這導(dǎo)致碳纖維車架在一定程度上要做到過度設(shè)計(jì)，以確保它們能夠承受與往常不同的負(fù)載能力。
模具成型還是拼接
一旦車架中的不同疊層被手工鋪好好，車架就會(huì)被放置在一個(gè)金屬模具中，并在壓力下加熱以將不同的疊層粘合在一起。
在模具成型車架中，每種尺寸的自行車都需要不同的模具，這使得新車架設(shè)計(jì)的成本高昂。
另一種用于一些定制車架的方法是套管結(jié)構(gòu)，其中預(yù)成型的碳纖維管被切割成一定長度，并在接頭處包裹在額外的碳纖維中或粘在碳纖維凸耳中，Colnago C64 是這種結(jié)構(gòu)的典型例子。極少數(shù)自行車制造商使用機(jī)器將自己的碳纖維編織成管子，BMC和TIME采用類似流程。
碳纖維車架的特性
碳纖維與所有金屬之間的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是，碳纖維的復(fù)合性質(zhì)使其具有多向性，這意味著其物理性能在不同方向上是不同的。
多向性的一個(gè)日常例子是一塊木頭你可以很容易地把它縱向分開，但要穿過紋理橫向劈開會(huì)困難得多。碳纖維也是如此，這意味著不同部件的布局對于車架的騎行方式和強(qiáng)度至關(guān)重要。這就是為什么會(huì)在碳纖維自行車的營銷材料中反復(fù)看到到“疊層”這個(gè)詞。
另一個(gè)重要因素是所用碳纖維的模量。模量較高的纖維會(huì)更硬，但它們也更脆，因此即使是以“高模量”為賣點(diǎn)的車架也將由不同等級(jí)的碳纖維混合制成。模量更高的碳纖維也更昂貴，但最終結(jié)果將是相同強(qiáng)度下更輕的車架。
有時(shí)你還會(huì)發(fā)現(xiàn)碳纖維車架中也采用了其它的材料。例如Bianchi的Countervail技術(shù)，該技術(shù)在其許多車架中得到應(yīng)用。它將一層具有彈性的粘合材料集成到碳纖維疊層中，Bianch表示這有助于抑制路面顛簸。
能夠仔細(xì)調(diào)整車架每個(gè)部位的特性，意味著碳纖維車架的設(shè)計(jì)可以滿足自行車的特定要求以及其設(shè)計(jì)的騎行種類。碳纖維可用于制造極其輕量且極其硬朗的車架，可以選擇將碳纖維包裹成復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)管狀的同時(shí)，仍能顧及到騎行品質(zhì)和舒適性。
與金屬車架相比，碳纖維的另一個(gè)缺點(diǎn)是它無法鉆孔或攻絲以提供螺紋安裝組件。這意味著需要將軸承壓入到車架中，或者添加金屬墊片來安裝螺紋軸承。尤其是壓入式中軸，容易產(chǎn)生噪音。而金屬墊片會(huì)增加自行車的重量，如果做得不好，還可能會(huì)帶來校準(zhǔn)難題。
碳纖維還易碎，因此在尾勾等部位非常容易受損。這就是為什么碳纖維自行車通常搭配用于安裝筒軸的金屬筒軸桿，或是在這些部位內(nèi)嵌了金屬保護(hù)塊。
撞擊還會(huì)對車架內(nèi)部造成損壞，這種損壞從外部可能看不出來，很有可能會(huì)導(dǎo)致車架意外斷裂。如果碳纖維車架遭受過撞擊或者嚴(yán)重碰撞，應(yīng)該在再次騎行之前對其進(jìn)行檢查，可能需要使用到超聲波或X射線來檢查車架內(nèi)部的損壞情況。
如果碳纖維車架確實(shí)損壞了，回收的選擇非常有限，而金屬車架則很容易被回收利用。特別是鈦的價(jià)值意味著它不太可能會(huì)最終被送進(jìn)垃圾填埋場。
碳架優(yōu)點(diǎn)
剛性重量比優(yōu)異
可塑性強(qiáng)
碳架缺點(diǎn)
價(jià)格昂貴
碰撞后易損壞
編輯：濱
