自行车车架材料冷知识：铝、钢、钛、碳纤维各不相同
来源：BB贝博APP体育 发布时间：2024-01-13 21:57:22
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多年来自行车车架由各种不同的材料打造而成。最初以钢为主，尽管钢和钛仍然很常见，现在主要的选择是铝和碳纤维。
每种车架材料都有其优点和缺点，具体第一先考虑的事项取决于作为车手的你，包括重量、预算、寿命以及希望车架以及自行车整车带来的骑行性能。
在这里，我们接下来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。
我们采访了两位专家来得出了答案：英国钛钢自行车Enigma的专家Richard Lambert以及目前在空中客车公司工作的机械工程师Liam Glen，他曾是一名职业自行车手，也是2021年苏格兰Highland Trail 550赛事的获胜者。
▲尽管用于自行车车架的所有金属从技术上来讲都是合金，但铝制车架通常被称为“合金”
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。
“所有金属的强度重量比都非常相似，管道的宽度和厚度等因素比强度更重要，”Glen如是说。
改变铝管相对容易，这样做才能够使其可以因长度不同具有不一样的性能。并且铝管通常是对接的，以确保需要的刚性并减掉多余的重量。
无论自行车车架内壁材质是什么，通常都是对接的。这在某种程度上预示着它的两端较厚，那里受力会更大，并且需要更加多的材料来连接其它的管材，而中间抽薄以减轻没必要的重量。
直规的管径厚度一致，具有一致的匹配特性。单对接管材的一端（例如五通连接处）较厚，双对接管材的两端较厚，三对接管材还能够进一步减少管径中间的厚度。
对接只是其中的一部分，经常会看到被描述为“液压成型”的优质合金车架，这是描述了利用高压流体形成适合模具的管材来改变管材形状的过程。
高端的铝制自行车比以往任何的自行车都更先进，这一过程能够在一定程度上帮助形成复杂的形状，从而改变车架特定部分的特性，包括重量、强度和舒适性。许多最新款的铝制车架还具有空气动力学的设计特点。
铝管通常焊接在一起制成车架。原始的焊缝在外观可能会明显的凹凸不平，但在焊接后通常会被平滑处理（用专业术语来说是抛光），以使优质车架呈现出更干净靓丽的外表，还会有助于减轻重量。
“（焊接时）对局部区域施加大量热量，这会改变局部金属的特性，这样操作会使得焊缝成为最薄弱的区域。焊接后回火有助于改善这个情况，”Glen如是说。
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到凸耳中。意大利品牌Alan和法国品牌Vitus是最早采用这种工艺的。
铝是大多数较便宜的自行车车架所用的材料，但无论是公路自行车还是山地自行车，它仍然是一些价格较高、注重性能的车架的主流之选。
虽然铝合金车架的具体性能因自行车而异，但通常铝合金车架相对较轻、刚性较足、结实耐用，且价格仅为碳纤维的1/5左右。
在接近的价格里，合金车架可以比碳纤维车架做到更轻，尽管昂贵的碳纤维车架总会更轻。铝的密度比钢低得多了。
因此，铝制车架可以用超大管材制成，以带来优质的刚性、更厚的管径、更轻的重量。
Ribble表示，铝合金车架的管壁厚度通常是钢制车架的两倍，管径还会增大20-30%。
由于材料的相对刚性和舒适性的欠缺，铝制车架历来以不够舒适而闻名，但最新的车架制造工艺以及公路车上更宽的外胎趋势意味着许多合金自行车有了更多的选项。
虽然铝制车架在强度、刚性和轻量化方面给人留下深刻的印象，但与钢和钛不同的是，铝合金使用久了容易出现金属疲劳。
然而，铝制车架往往比碳车架在受到意外碰撞时破坏程度较小。因此，铝仍然是所有山地车上主流的车架材料，也是预算有限的小型公路赛车手的明智之选。
事实上，大约有着100年的历史，钢材一直是车架制造的主要材料。即使在职业级别赛事中也是如此，直到20世纪90年代中期，铝合金车架开始占据主导地位——只在职业公路车队中短暂地存在过一段时间——而第一个碳纤维车架开始被试用。
钢制自行车仍在普遍的使用，并且是属于定制制造商选择的主要材料，但它现在更多地是自行车收藏家的选择。
凸耳车架将管材在接口处插入铸钢凸耳中，然后钎焊在一起。不带凸耳的车架具有焊接在一起或角焊的管材接口。
凸耳结构在过去很常见，经典的钢车架通常有很精致的凸耳结构件，但焊接往往能让车架变得更轻，并且比钎焊所需要做的清理工作更少，因为钎焊通常会导致接口处残留多余的材料。
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。
大多数注重性能的钢架自行车都是由铬钼钢打造而成，在廉价的低端车架上还能够正常的看到高强度钢。
不同成分的钢架具有不一样的性能。雷诺531是一种用于自行车车架的经典合金，531指的是合金中锰、碳和钼的比例。
不过，现在包括Dedacciai和Columbus在内的车架供应商已能提供更多的选择。
Lambert指出，钢架有多种不同的管材成分和管型，这是与其它车架管材不同的地方。这也代表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，具体取决于你的需求。
不锈钢也是一种选择，Glen认为它们比铬钼钢强度要低，不过专门用于打造自行车车架的专业不锈钢已经开发出来，其强度与铬钼钢相比几乎一致甚至会更强。
钢的主要缺点是重量和成本。它比铝更重、量产成本更高，这确保了铝仍然是当今大多数金属自行车车架的首选。
然而，虽然钢比铝密度更大（也更重），但它也更结实、更耐用。这在某种程度上预示着车架制造商能够正常的使用更小管径、更薄管材以保持所需的车架刚性水平，但偏重的事实依然存在。
同样，钢也有疲劳极限——它可以无限次承受低于疲劳极限的应力而不会带来故障，而铝会跟着时间的推移而产生金属疲劳。
钢自带的天然属性也能带来“弹性”（即：舒适）的骑行体验，即使它与铝的刚度重量比例并不匹配。
基于这些原因，钢是精品和定制自行车以及旅行自行车、长途自行车的主流之选，因重量不大重要。更关键的是它的耐用性和常规使用的寿命，使得钢比钛更具价值。
也就是说，除非由不锈钢打造而成，否则钢架需要上漆以防由外部引起的腐蚀，并且也可以在管材内部上漆以防生锈。
钛金属通常被视为一种高端选择，其中一部分原因是它带来的骑行质感和成本，以及钛自行车经常被吹捧为“终身自行车”。
大多数金属在可能失效之前都会有少数的负载循环。钛对于反复受力等方面具有更强的弹性，这在某种程度上预示着成熟的车架制造商可以打造出更轻、更合规的车架，还避免了出现故障的风险。
AL3 2.5V合金（含3%铝和2.5%钒）是钛车架最常用的等级。6AL 4V管材明显更结实，因此更难被打造。偶尔也会用于高性能车架或者对刚性有着硬性需求的局部区域，譬如在头管和五通处。
例如，Enigma在其高性能自行车中使用硬度更高、等级更高的6AL 4V合金（也称为五级钛），而不是在其更符合规定标准的Etape车架组中使用3AL 2.5V合金（或九级钛）。
钛合金还具有高度抗疲劳性，这在某种程度上预示着它们能减震且不会形变。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。
对于自行车车架来说，钛比其他金属有着非常明显的优势。它的密度比钢低，因此车架组可以更轻，同时仍然具有更厚的管壁。钛管的重量是相同抗拉强度钢管的一半。
这使得钛架难有凹痕，且由于钛不会被腐蚀，车架不需要喷漆，因此划痕和磕碰并不是个问题。尽管钛车架没理由不做喷漆，但钛架那经典的原始表面看起来就很棒。
另一方面，根据Enigma的Lambert的说法，钛比钢更难加工。他说：“你必须非常小心地控制焊接过程的清洁度，特别是在Enigma会使用到氩气保护以防止被氧化，”他如是说。
过去，可用的钛管组很少，而且它们并不是专门为自行车设计的，这让钛合金车架给人留下了飘忽不定的印象。现在这已不成问题，因为自行车专用管材有了更多的选择，且锥管和更宽的中轴标准等设计特点也代表着钛合金车架可以设计得与使用标准一样结实。
这是有充分依据的。碳纤维是一种具有极强适应性的神奇材料，能够准确的通过精确的要求做微调和成型、平衡刚性、保证骑行舒适性和带来空气动力学性能。
不过，碳纤维车架也有其缺点。碳纤维自行车车架价格高昂——高端市场的价格高达五位数——并且遭受碰撞会比其它材料更容易受损。
碳纤维自行车车架由嵌入环氧树脂基质中的碳纤维层（碳纤维丝束）组成。碳纤维赋予其强度，树脂将其粘合在一起。
“碳纤维的每层强度和重量的比值最高，但这只是一个方向。因为它以多个角度堆叠在自行车车架上，这在某种程度上预示着它的强度和重量的比值略有下降，不过仍然是高于其它材料的，”Glen如是说。
大多数车架是通过多层碳纤维/树脂材料（称为“预浸料”）制成的，车架当中的不同位置会使用到不同的等级和方向。例如，Look表示其795 Blade车架是使用了800多种不同的预浸料制成的。
Glen表示：“树脂可以赋予车架耐冲击性和抗压强度。生产预浸料的公司相对较少，而且许多车架是由第三方制造的，因此大多数车架将采用相同的树脂打造。这是自行车制造商专注的叠层技术，也让他们的车架品质不完全一样。”
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怎么样去使用他们的车架。这导致碳纤维车架在某些特定的程度上要做到过度设计，以确保它们可承受与往常不同的负载能力。
一旦车架中的不同叠层被手工缠绕完成，车架就会被放置在重金属模具中并在压力下加热以将不同层粘合到一起。
在模具成型的车架中，每种尺寸的自行车都需要用到不同的模具，这使得新车架设计出来后的量产成本过高。
一些定制车架的替代方案是用管材对接打造，其中预成型碳纤维管材被切割成一定的长度，然后在接口处包裹上额外的碳纤维，或者粘到碳纤维凸耳上面。Colnago C64是采用后者打造碳纤维车架的经典示例，而Condor的碳纤维车架组则采用管材拼接打造。
极少数自行车制造商会使用机器将自己的碳纤维编织成管状。BMC和Time的部分车架已经使用了这样的生产流程。
碳纤维与所有金属的一个关键不同之处在于，碳纤维的复合性质使其具有多向性，这在某种程度上预示着其物理性能在不同方向上是有区别的。
材料多向性的常见例子好比是一块木头。你可以很容易地纵向劈开它，但要横着劈开它就要难得多了。
碳纤维也是如此，这在某种程度上预示着不一样的部位的布局对于车架的骑行方式和强度至关重要。这就是怎么回事你会在碳纤维自行车的材料中能够反复看到“叠层”这个词被提及。
还有另外一个主要的因素是所用碳纤维的模量。较高模量的纤维会更硬，但也更脆。因此即使以“高模量”销售的车架也将由不一样的等级的碳纤维混制而成。更高模量的碳纤维也更昂贵，但最终结果将是在相同强度下带来更轻的车架。
有时你还会发现碳纤维车架中也采用了其它的材料。有一个例子就是Bianchi的Countervail技术，该技术在其许多车架中得到应用，该技术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。
鉴于自行车品牌倾向于盛赞自家所向无敌的高端碳纤维车架，碳纤维的优点当然是众所周知的了。
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能够完全满足自行车的特定要求及其设计的骑行种类。
碳纤维可用来制造极其轻量且极其硬朗的车架，可以再一次进行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。
不过，这也会让你付出代价的。而且碳纤维并不是能够替代廉价的车架的最佳选择，更便宜的铝制车架可以以最少的钱获得类似或更好的骑行体验。
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让组件安装。这在某种程度上预示着通常必须将轴承推入车架中，或者需要添加金属垫片来安装螺纹轴承。
尤其是压入式中轴，以吱吱作响而闻名。而金属垫片会增加自行车的重量，如果做得不好，可能会带来校准难题。
碳纤维也非常容易会被压碎，因此在尾勾等部位很容易受损。这就是怎么回事碳纤维自行车通常搭配用于安装筒轴的金属筒轴杆，或者在这些部位内嵌了金属保护块。
撞击和巨响还会对车架管材内部造成损失破坏，这种损坏从外部可能看不出来，很有一定的概率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全方位检查，在大多数情况下要使用到超声波或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，回收的选择很有限，而金属车架则非常容易被回收。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。
虽然铝、钢、钛和碳纤维是迄今为止自行车车架最常用的材料，但也有一些较为罕见的选择。
偶尔会看到被描述为钪的车架。然而，这种元素太罕见了，无法用于整个自行车车架。钪车架其实就是一种含有少量钪和其他金属的铝合金，因为钪含量能大大的提升合金管的强度。
一些自行车和自行车零件是由镁合金制成的，并且它一直存在着卷土重来的威胁。镁合金比铝更轻，也更结实，但硬度较低。它在20世纪90年代初达到了鼎盛时期，当时的Kirk Precision自行车车架参加了环法比赛。Pinarello Dogma直到2006年才采用镁合金打造，Vaast还生产了一系列镁合金车架，包括Vaast A/1砾石自行车。
天然材料在自行车车架中占有一席之地，有些品牌甚至销售竹子打造车架的自行车。车手们表示，它很舒适，也可以很好地抑制路面颠簸。但它导致整车重量相比比其他材料打造的要重一些，尽管竹子管材有着良好的生态资源，但它们在大多数情况下要用到凸耳和树脂来稳固，而这样就对环境不太友好了。
亚麻纤维也被用作自行车车架材料的一部分，通常与碳纤维结合使用。因为据称它比单独的碳纤维抑制路面颠簸要更好。它被用于LOOK 765耐力公路车系列，并且在2000年中期被用于为赛车传奇人物Johan Museeuw打造的一系列自行车中。
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