自行車結構vs材料工藝工業設計自行車の概論目錄自行車の結構自行車の原理自行車の組成零件材料運用與工藝

重點零件の材料分析選擇加工工藝

最早的單車是由法國人雷斯發明的，當時叫做木馬。它沒有傳動系統，靠兩腳蹬地向前滑行，最快只能達到時速20公里。早期自行車模型

后來蘇格蘭人皮埃爾發明了前輪帶腳蹬的自行車。第一輛現代意義的自行車出現在19世紀末的英國。1886年，英國的斯塔利是一位機械工程師，他所設計的自行車車型與今天自行車的樣子基本一致，因此他被后人稱為“自行車之父”。這種自行車后由傳教士帶入中國。現代自行車目前自行車在地勢平坦的荷蘭最為普及，中國是自行車王國，據統計目前中國有大約五億輛自行車。自行車不僅為我們的生活提供了方便，而且騎自行車還成為一項流行的的競技運動。多騎自行車還能為環保做貢獻！籠統的來講，自行車按用途可以分為五大類別，山地車、公路車、城市車、沙灘車、小輪車。

第一類----山地車（ATB,All-TerrainBike或者MTB,MountainBike)

特點：車身較輕，輪胎較寬，適應山地，復雜地形，帶前避震或者前后避震，車架材質一般為鋁合金或者碳纖維

特點：車身超輕，多用于公路比賽，速度快，風阻小，著名的環法比賽都是用的公路車，車架材質一般都為碳纖維

第二類----公路車（RoadBike,俗稱‘跑車’）

特點：車身輕，速度快，騎行舒適，很多坐墊桿帶避震，車架材質一般為鋁合金。

第三類----城市車（City/UrbanBike)第四類----沙灘車（Cruiser)

特點：車身較重，超級舒適（有點象哈雷），適合在海灘邊騎行，城市漫游。

第五類----表演車/小輪車（BMX，BicycleMotocross)

特點：車身重，但結實，小輪車比賽用，極限運動表演，車架材質為鐵質

自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個部件中，其基本部件缺一不可。其中，車架是自行車的骨架，它所承受的人和貨物的重量最大。自行車的結構一架簡單的自行車有許多零件組成，現在展示一下主要的零件：1.車架（車架的一般材質有：鐵，鋁合金，鈦合金，碳纖維）2.車輪（車輪由車軸（花鼓），輻條，金屬輪圈和橡膠外胎構成，一般輪圈和輻條都是采用不銹鋼或鋁合金，車軸用鍍鎳黃銅，外胎一般是橡膠、輪聚氨酯泡沫等）4.前叉前叉材質也有鐵的，鋁合金，或者碳纖維。一般山地車都是帶避震的。

3.齒盤、曲柄（鋁合金、鋼是常見的材料，一般表面都有拋光，噴砂處理，高級的還有烤銀）5.橫把、豎桿（豎桿是連接前叉和橫把的零件，

鋁合金、碳纖維也是橫和豎桿最常用的材質）6.把套（舒適，防滑是把套做基本的特性，材料用鍍鉻鋼管＋橡膠做成）8.腳踏（腳踏防滑脫很重要，材料有玻璃鋼、塑料、鋁合金、鎂合金、鋼、碳纖維等）7.坐墊（由四部分組成（1）表面材料一般用布料、人造革、碳纖、真皮（2）填充及減震材料有泡沫、硅膠、氣墊、彈簧（3）底板用鐵板、塑膠、碳纖（4）座弓一般用普通鋼、鉻鉬鋼、鈦合金、鎂合金、碳纖維）9.剎車系統（剎車內墊以前一般用石棉，不過現在因為有致癌因素被禁止了，一般是塑料加入各種金屬沫陶瓷沫的復合材料。剎車方式分為V剎和碟剎兩種，碟盤材質多為不銹鋼。）剎把碟盤10.變速轉動系統（鏈輪采用高強度鋼材制成，保證其達到需要的拉力。前變速后變速按照各部件的工作特點，大致可將其分為導向系統、驅動系統、制動系統，通過這些系統簡單介紹自行車的工作原理：1、導向系統：由車把、前叉、前軸、前輪等部件組成。乘騎者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。2、驅動（傳動）系統：由腳蹬、中軸、鏈輪、曲柄、鏈條、飛輪、后軸、后輪等部件組成。人的腳的蹬力是靠腳蹬通過曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動的，從而使自行車不斷前進。3、制動系統：它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時操縱車閘，使行駛的自行車減速、停使、確保行車安全。單級飛輪又稱為單鏈輪片飛輪，主要由外套、平擋和芯子、千斤、千斤簧、墊圈、絲擋幾鋼球等零件組成。

自行車飛輪是驅動系統當中重要的零部件當停止踏動腳踏板時，鏈條和外套都不旋轉，但后輪在慣性作用下仍然帶動芯子和千斤向前轉動，這時飛輪內齒產生相對滑動，由此將芯子壓縮到芯子的槽口內，千斤又壓縮了千斤簧。當向前踏動腳踏是，鏈條帶動飛輪向前轉動，這時飛輪內齒和千斤相含，飛輪的轉動力通過千斤傳到芯子，芯子帶動后軸和后輪轉動，自行車就前進了。

其單級飛輪工作原理：當千斤齒頂滑到飛輪內齒頂端時，千斤簧被壓縮得最多，再稍微向前滑一點，千斤被千斤簧彈到齒根上，發出“嗒嗒”的聲響。芯子轉動加快，千斤也很快在各個飛輪內齒上滑動，發出“嗒嗒”的聲音。當反向踏動腳踏時，外套反向轉動，會加速千斤的滑動，使“嗒嗒”聲響得更急促。多級飛輪是自行車變速裝置中的一個重要部件。多級飛輪是在單級飛輪的基礎上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結合，組成各種不同的傳遞比，從而改變了自行車的速度。

多級飛輪重點分析自行車車架的材料選擇由于自行車是依靠人體自身的驅動力和騎車技能而行駛的，車架便成為承受自行車在行駛中所產生的沖擊載荷以及能否舒適、安全地運載人體的重要結構體，車架部件制造精度的優劣，將直接影響乘騎的安全、平穩、和輕快。因此說自行車車架是一輛自行車的靈魂，這種說法一點都不過分。車架要承受重量，這就要求材料具備一定的強度、剛度。在工藝上面對材料的可塑性能有一定的要求，還有實際中環境中自行車在戶外要風吹日曬雨淋，要求耐腐蝕性的材料。

說了車架的重要性和車架材料的要求，讓我們來看看幾種車架材料的性能：彈性率決定材料的剛度，以楊氏彈性模量（GNm）來表示。鉻鉬鋼200——207鋁合金69——79鈦116鈦合金80——130碳纖70-200鎂合金41——47⒉左表列出了傳統使用的鉻鉬鋼材料和近些年出現的新型材料，可以看出鉻鉬鋼的彈性率最高，鎂合金的彈性率最低，彈性率越大，材料的剛度越好。用在自行車上的材料拉伸強度SCM415鉻鉬鋼834以上6061（6000系鋁合金）無熱處理場合100以上無熱處理場合246以上7005(7000系鋁合金）有熱處理場合（T6)345以上7075（特超硬鋁，飛機合金）無熱處理場合230以上無熱處理場合597以上CPTi（純鈦)有熱處理的場合（T6）597以上3-2.5Ti（3%Al—2.5V鈦合金）685以上6-4Ti（4%Al—6V鈦合金)有熱處理場合(實效）1160無熱處理場合980下表給出了一些材料的拉伸強度（MPa，N/mm)⒉金屬材料的抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的強度，拉伸強度是指材料被拉斷前承受最大載荷時的應力。在這里鉻鉬鋼、超硬鋁、鈦、鈦合金的拉伸強度都比較好。用在自行車上的材料密度（g/cm）鉻鉬鋼7.9鋁合金2.6—2.9鈦4.5鈦合金4.3—5.1碳纖1.5—1.6鎂合金1.7⒊

密度是決定自行車重量的重要因素之一。密度低就可以做輕的車架，但是還要考慮到拉伸強度、彈性率等因素，并不是說密度低1/3重量也低1/3。這里面屬鋁合金、碳纖和鎂合金的密度較低。

從以上三個表格看來，各個材料各有優缺點，那么這里逐個分析各種材料的優缺點，以確定材料的選擇。(3).焊接容易鉻鉬鋼比起鈦、鋁焊接容易。可以設計成名種形狀。另外，焊接后也不需要熱處理，因此不需要大型的熱處理設備，成本低。(1).加工性好鉻鉬鋼的車架是歷史最久的車架，因此對它的研究時間也最長。現在能做到車架所需強度的極薄的管道。(2).沖擊的吸收性能好騎感極好，如「像彈簧般的騎感」。構成車架的鉻鉬鋼管道有優異的吸收沖擊的性能。(4).價格便宜雖然有些高擋次的鉻鉬鋼車架價格貴，但一般價格便宜。也可以說，用便宜的價格買到高擋次的車架㈠鉻鉬鋼車架的優點(1).容易生銹車架用的鉻鉬鋼含有鉻，但是添加量少(不銹鋼含有12%的鉻)的鐵系合金。若沒有施有表面處理的話，有傷口時容易生銹。但是一般都有進行防銹加工。自行車的場合，管道的肉壓薄，生銹后的影響將會非常大。生銹→肉壓減少→強度下降(應力集中)。●鉻鉬鋼車架的缺點(2).金屬的疲勞顯著(應力集中引起的金屬疲勞)同樣的沖擊力加在各種材料上，鉻鉬鋼薄管所發生的應力最大(容易發生疲勞而引起的破壞)。

(3).笨重在極度追求器材輕量化的今天，鋼7。8/立方厘米的質量讓所有人對他望而卻步。雖然可以使用輕量化的鋼材，并且用抽管技術把管壁抽得極薄，可是還是很難把鋼架的重量減到1600克以下。(1).制作質量輕的車架鋁作為一種在運動自行車上使用最廣泛的材料，最大的優點就是他的重量。鋁的剛性和強度都很低，但是鋁可以通過增加單位體積上的材料來彌補這一缺憾，而重量仍然不大。另外相對于其他的運動自行車的高級材料，鋁的價格很低。(2)長時間使用外觀不怎么變化鋁本身是很容易受腐蝕的金屬，在空氣中幾乎不存在沒有被氧化的鋁，放置在空氣中馬上被氧化而形成很薄的氧化膜。該氧化膜達到一定的程度時防止繼續生銹。該氧化膜幾乎是無色因此外觀上不容易發現變化。●鋁合金車架的優點(3).需要進行熱處理必需進行熱處理，否則強度不夠。因此一般的規模不大的工廠無能力購買熱處理設備。尤其是6000系的鋁合金管，多數情況是管道廠家指定熱處理條件。(1).鋁是彈性率及剛性低的材料，它的金屬疲勞性很差。因此采用粗的管道，或者改變形狀如cross-over管、padded管等。(2).鋁沒有彈性，無法吸收騎行的震動。用鋁材制作的硬尾車架會把絕大多數的震動直接傳遞到騎手的身體上。這就使鋁車架坐起來相當的顛簸，乘騎的舒適感很差。

●鋁合金車架的缺點(3).接觸性、生物相容性好。鎂合金在生物領域的應用日益廣泛，舒適的接觸性，使其非常適合用于與人體緊密接觸的零部件。

●鎂合金車架的優點(1).高的比強度、比剛度

鎂合金的抗拉強度，彈性模量低于鋁合金和鋼，但是鎂合金的比剛度與鋼、鋁合金幾乎相同，比強度更是優于鋁合金，幾乎是鋼的2倍。因此，鎂合金在進行自行車架設計時，通過截面變化及表面處理等手段，可以減輕鎂合金性能低的不利因素，改善鎂合金的使用性能。

(2).許多鎂合金都具有優異的減振性能，能吸收沖擊與振動。鎂合金的單位減振性能比硬鋁高100倍，比合金鋼高20倍，比鈦合金高300~500倍。這一特點使以鎂合金為車架的自行車具有更好的騎行舒適性。

(2).壓鑄鎂合金同時具有以下一些缺點：

●鎂合金車架的缺點(1).鎂的標準電極電位是-2.37V，電負性很強，耐蝕性很差。在潮濕的空氣中會發生腐蝕，生成氧化膜薄層。這種薄層脆性大，疏松，耐蝕性很差，在使用過程中需要增加工藝來對其進行防護

①體積收縮率大。純鎂在結晶凝固時，體積收縮率為4.2，從熔點923K降溫至室溫時，體積收縮率約為5。鎂合金的收縮率與純美極為接近。由于鎂合金的鑄造及冷卻收縮率很大，鑄造鎂合金會產生微孔，鑄件具有低韌性和高缺口敏感性。②壓鑄鎂合金的試模成本較高，試模時間較長。大多數鎂合金零件的原始設計不是鎂合金,而是鋁合金、鋼板沖壓和塑料件

(2).不生銹：鈦在一般的環境下幾乎不會被腐蝕。但是它有另一種腐蝕現象即異種金屬腐蝕。例如，不同種類的合金接合在一起時，成為電極狀態，電位差使局部通電引起腐蝕。對此現象采取的措施是用脂膏等來絕緣(混有金屬粉末的脂膏，如商品名：TiPlepu等)。●鈦合金車架的優點(1).可以制作輕量而強度大的車架純鈦金屬的強度更高。在鈦金屬中添加鋁和釩，彈性更高(和鋁比較)，也有利于設計。(3).騎感好鈦也用在避震器的彈簧上。現在用鈦制成的車架適合于長時間的騎行。價格高：鈦在自然界以二氧化鈦的形態存在，提練及加工過程復雜，技術要求高，并花時間因此成本高。再有溶接加工極為困難，因為鈦和氧的親和力極強，和空氣接觸后馬上變成二氧化鈦，而二氧化鈦硬而脆，該部分的強度會不斷下降。因此用惰性氣體小心焊接。通常所說的Tig焊接是：(Tig：鎢、惰性氣體的略語)用鎢電極及氬氣體進行弧焊接。鈦的焊接必需隔絕空氣下進行。由于以上原因鈦車架價格很貴。近來有些鋁合金車架比鈦合金車架價格貴，這說明鈦合金車架的價格下降了。其因是冷戰結束后軍費縮小，鈦的用量少了；優秀的技術員開始用鈦來制作車架；制作鈦車架的成本降低等原因。●鈦合金車架的缺點(2).沖擊吸收性好碳纖維用來制作殘疾者運動時用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領域。利用它的吸收沖擊力優異的性能，制作不用避震器的自行車。如SCOTT廠的ELEVATED車架是著名的。但是各個廠家之間的品質差異較大，有的很硬，因此這種車架乘騎后才能知道好或者不好。●碳纖維車架的優點(1).可以制作重量輕的車架碳纖維車架是把碳纖維對著發生應力的方向層層疊而得到強度。碳纖維車架非常輕，這是它的密度和強的拉伸強度構成的。捷安特的碳纖維車架非常輕，2000年的型號1.2kg重(3).可以制造各種形狀的車架碳纖維的基本成型方法是，在模具上鋪上纖維片然后流入樹脂并燒固。可以制成各種形狀的車架。如TREK的Y車架是著名的。(1).復雜的應力計算構成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點是拉伸強度強，但剪斷強度弱，加工時需要進行復雜的應力計算(縱剛性、橫剛性)，根據計算把碳纖維片重疊成型。加工技術各廠家各異，應選擇有經驗而可*廠家的制品是很重要的。●碳纖維車架的缺點(3).難于更改尺寸由于作好模具后成型，難于更改尺寸。無法相應多尺寸多款式的訂單。(2).老化使用樹脂因此會不會老化？這是一個存在的課題，它放置在陽光下時會逐漸變白。當然這種現象關系到廠家的技術。最好不要放置在陽光下。已經介紹了幾種自行車材料，總地來說，騎感好的是鉻鉬鋼制的、要輕的是鋁制的，沖擊吸收性最好的是碳纖。鈦合金制的上述各種性能都不是最好的，但是為什么對它感興趣呢？因為鈦金屬是有前途的金屬。●材料的選擇

●鉻鉬鋼已經使用了很久，對它的研究也最多，除非有什么突破，鉻鉬鋼的前途可想而知的了。●使用適正厚度的管道時重量是會增加，但是不容易引起金屬疲勞，這種車能帶給車手極佳的騎感。有些自行車競技必需用鉻鉬鋼制的車子，因為它很結實，容易操作。這種車子才是鉻鉬鋼本來的面貌。有些薄壁的鉻鉬鋼車子，金屬表面很容易凹進去，那種車子是不行的。

●單純地追求薄壁的管道的現在，鉻鉬鋼應該走自己的道路，充分發揮其優勢，否則很可能被其他材料淘汰。下列討論一些材料的情況

●自行車用鋁管，當前的設計方針很危險，鋁是沒有疲勞極限，為了降低應力應該增加厚度。但是為了單純地謀求薄壁，使用強勒的新合金來制作車架。

●從外觀來看這些制品使人引起很不錯的錯覺，但是疲勞壽命將是如何呢？鋁管的薄壁程度已經到了極限，不可能再薄下去。結果它的命運將和鉻鉬鋼一樣。進一步來說，騎車摔倒時，因它塑性變形量少，破斷時很可能發生一口氣的脆性破壞。

●今后鋁制自行車向那一個方向發展呢？我認為可能會成為比賽專用自行車的素材。若用鋁制自行車來練習，一定會感覺到性能的降低顯著。●碳纖維制自行車是有前途的，說他最有前途是針對比賽用車來說的，畢竟它的價格過高。通過應力計算會找到最適合的加工條件。另外是信心問題，假若廠家應該提供可信賴的割裂、耐用等數據時，需要量會增加。●鈦管還有發展的余地，強度可能會超過鉻鉬鋼，現在已能制造1.5kg的車架，將來一定會出現1kg的車架，鈦必定會奪去鋁的\“輕量王\”的寶座。另外，鈦不需要涂漆，可減少這部分的重量(20～40g)。因為在眾多的金屬材料中，鈦合金是唯一同時具有高強度、低密度，極好的抗疲勞和耐腐蝕性能，以及較低的彈性模數的材料，所以我認為將來最理想的是鈦制自行車。隨著技術的日益成熟，鈦合金的價格也會降下來吧！●鎂合金作為目前密度最小的金屬結構材料鎂合金突出的優異性能受到了自行車生產廠家與客戶的青睞，逐漸被各大公司應用于自行車的零部件生產。近年來，國內外的許多公司紛紛開始了鎂合金自行車架的研發，許多知名廠商已經成功地生產出性能優越的鎂合金車架自行車并投入使用，取得了很好的效果。簡述一下車架的加工工藝流程一般來說，金屬材料的成型工藝有這么幾種：鑄造工藝（主要包括熔模制造、離心鑄造和壓力鑄造）、沖壓工藝、鍛造工藝、軋制工藝、擠壓與拉拔工藝等。對于自行車架來說，一般采用鑄造工藝和沖壓工藝熔模鑄造工藝過程設計制造壓型壓制模型配置蠟料脫脂并掛涂料撒沙配置涂料硬化配置硬化劑熔焊模蠟組制澆口棒蠟料回收溶失蠟模高溫焙燒澆注合金熔煉清理檢驗合格鑄件裝箱填沙●冷沖壓工藝是指在常溫下對金屬板材施加外力，使其產生塑性變形或得以