自行车构成及材料

3.1 车架

是构成自行车的基体联接着自行车的其余各个部件并承受骑者的体重及自行车在行驶时经受各种震动和冲击力量因此除了强度以外还应有足够的刚度这是为了在各种行驶条件下使固定在车架上的各机构的相对位置应保持不变充分发挥各部位的功能。

目前可以制造自行车车架的材料主要有以下几种钢铝合金钛合金镁合金钪合金碳纤维等等一般市场上出现的车架主要有钢铝合金钛合金碳纤维。钪合金和镁合金是最近的新兴材料比较少见。

要了解这些材料的特性就有必要知道一些基本的概念和参数

1 强度STRENGTH。假设挂在金属棒另一端的重量重到足以使金属棒产生永久的变形也就是说当移开重物时金属棒仍然呈现弯曲无法完全回复原状即所谓的降伏(yield)。使材料达到降伏的力量因材料不同而不同这就是所谓的强度。强度和车架的耐用度相关但和骑乘品质无关。强度(strength)由材料的降伏强度(yield strength)决定。降伏强度和车架管材的品质、热处理制程及合金成份(某些品牌型式)有相当大的关系。

2 刚性 (STIFFNESS) 假设一根金属棒的一端固定在夹具上另一端加上一定的重量使得这根金属棒暂时弯曲当把那个重物移开时金属棒立即回复原来的型状。同样的重量加诸于不同材料时会产生不同的弯曲程度这就是刚性。刚性影响车架的骑乘品质因为车架最怕在正常骑乘时发生变型。刚性决定于材料的弹性系数而相当重要的是弹性系数和金属的品质及其合金的成份无关。举例来说所有种类的钢基本上具有相同的弹性系数。

3 重量(WEIGHT)除了强度和刚性之外重量也是一个议题。和刚性一样重量受到材料合金成份的影响相当轻微。即便你的车架贴着"Lite Steel TM"(轻量化钢材)事实上所有的钢材几乎具有相等的重量。 以下就是我们常见的几种材料的一些特性

要注意刚性和重量和材料的品质、热处理或合金成份无关。举例来说所有的车用钢管从大卖场的廉价单车到价值数千美元的单车都有相同的弹性系数30以及490的重量。 由上表中我们可以看出我们用这几种材料做车架在管材的形状和厚度相同的情况下铝制车架的刚性只有钢制车架的三分之一钛制车架也只有钢制车架的二分之一的钢性。也就是说钢的车架是最结实的。当然实际情况下没有人会这样做车架所以这个结论也就是不客观的了。

铝作为一种在运动自行车上使用最广泛的材料最大的优点就是他的重量。铝的刚性和强度都很低但是铝可以通过增加单位体积上的材料来弥补这一缺憾而重量仍然不大。另外相对于其他的运动自行车的高级材料铝的价格很低。目前使用在高档铝架上的铝材6000系列、7000系列都是运用在航天方面的高级铝材。和一般的普通铝材相比这些铝材无论是在强度还是刚性上都有显著的提高。而且厂家为了保证强度都采取了使用较粗的管材、增大横截面积的做法所以大多数的铝车架看起来都很粗犷。 铝长时间使用外观不怎么变化。铝本身是很容易受腐蚀的金属在空气中几乎不存在没有被氧化的铝放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜。为什么不生锈呢原因是该氧化膜达到一定的程度时防止继续生锈形成致密的氧化膜三氧化二铝。该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化(有时会发白) 以上都是铝的优点但是这种材料也有两个致命的缺点。

1 铝的金属疲劳性很差为了说明这一点我们看下面的几幅图。 我们可以很明显的看到铝的可乐罐很轻易的就被捏出了口子而钢的水果罐头则安然无恙。铝材做的自行车架的致命弱点就是骑这种材料制造的自行车时骑的次数越多应力发生的次数也高强度也显著引起变化。近来为了谋求轻量许多车架使用薄料来制作(薄的程度已达到极限)。这些都是使用没有疲劳极限的铝合金来制作车架这也就是为什么在专业的使用强度下一个铝架只能支持2-3年的原因。

2 铝没有弹性无法吸收骑行的震动。用铝材制作的硬尾车架会把绝大多数的震动直接传递到骑手的身体上。这就使铝车架坐起来相当的颠簸乘骑的舒适感很差。 由于铝的这两个缺陷使得它不适合做一般的硬尾车架。但是竞赛的XC越野车架大多数使用铝合金这是因为铝的重量可以做到很轻而通过热处理和抽管技术也可以获得很大的强度这就使得铝车架的竞赛性能很好竞赛性能当然不会考虑选手的舒适程度和产品的使用寿命了。 而全减震车就没有这些顾忌了。由于拥有完全独立的减震结构用于吸收震动并加上更为厚实和柔软的把胶和坐垫铝没有弹性的缺点被完全的中和掉了。另外铝较轻的质量使得它可以作成更大的截管面积并在需要强度的地方进行局部的补强。所以说铝是比较成熟而可靠的材料并且在制作全减震车架的时候更有优势。

钢是一种历史悠久的材料从最普通的民用自行车到高端的竞赛级车辆都或多或少的使用着钢材。除了冶炼技术的完善之外钢也有其它材料所不能代替的优点 1 加工性能好铬钼钢是历史最悠久的自行车素材对它的研究时间也最长因此它的加工技术已经发展到一个相当稳定的程度。 2 强度大从上文中我们可以看出相同体积下的钢材的强度远远大于铝合金和钛合金因此合格的钢架的强度都可以让人放心。 3 乘骑感舒适钢是一种具有良好的弹性的金属用钢制作的车架可以吸收骑行过程中所带来的震动。因此钢架不会向铝架那样让人感觉不舒服特别适合用来做旅行车架。 4 钢的金属疲劳性要比铝强的多从上文中的实验我们就可以看出来了所以在相同的使用条件下钢架的寿命也会比铝架长得多。 当然钢架也有其不可克服的缺点 1 重量在极度追求器材轻量化的今天钢7。8/立方厘米的质量让所有人对他望而却步。虽然可以使用轻量化的钢材并且用抽管技术把管壁抽得极薄可是还是很难把钢架的重量减到1600克以下。而很多铝架的重量只有1400克左右。这也就是在竞赛级别的车架中很少看见钢架的缘故。 2 生锈相对于其他的材料钢是比较容易生锈的。生锈会使钢的强度大幅度的下降减少使用寿命。所以必须采取种种手段来防止钢材生锈。 所以如果不是追求竞赛级的重量又考虑车架的耐用程度的话钢架无疑是很好的选择。

但是需要指出的是目前国内好的钢架要比好的铝架难找。首先好的纲架并不便宜向雷诺853系列的高级钢架要好几千而意大利科那歌的钢架则要上万。另外由于人们对铝架的偏爱使得钢架难以销售。随着国内的自行车巨人——中华自行车公司的倒闭好的钢架在国内几乎绝迹了这真是一个遗憾啊

2.2 车把

前叉有三个作用。第一个作用是支承前轮所受的重量 第二个作用是将车把转向动作传送到前轮使自行车能按骑者的意愿方向行驶第三个作用是前义下端压有弯度能促使自行车有自己向前直驶的性能减轻骑车者操纵强度并起一些缓冲作用。前叉装在车架前管内能在管内灵活转动前叉的上端与车把紧固地连结在一起下端与前轴连接与前轮以前轴为中心自由转动组成转动机构。

车把 连接着前叉可转动前叉在使用性能上主要是操纵自行车的行驶方向并作为骑车者的扶手支承着一部分骑车者的重量在车把上安装着制动手把和车铃控制制动和信号。车把的形式很多但归纳起来为固定式和可转式两种。车把因装在自行车正前方要求美观合适必须能承受一定的颠簸撞击性能。

2.3 轴

前轴 是承受由前叉传来的自行车本身及骑车者的部分(约 40% )重量并通过前花盘、 辐条、车圈及轮胎将重量传落地面和推动前轮旋转前进的支承必须有足够的强度和转动的灵活性能。

后轴有三个作用第一个作用是承受由立管和平叉传来的自行车本身及骑车者的一大部分(约 60 )重量并通过后花盘、链条、车圈及轮胎将重量传落地面第二个作用是推动前轮旋转前进第三个作用是驱动全车前进的主动轴承。因此后轴必须具有比前轴更大的强度并需保持轴承转动灵活。 同时为了调整链条的松紧度后轴必须能前后调整并能在合适的位置上紧固而保持不动。

中轴 中轴是传动机构承受骑车者的脚踏力量。 传动力遥过脚蹬、曲柄、链条、链轮传到后轮驱动全车前进。

2.4 驱动及行驶

脚蹬 是承受骑车者的蹬踏然后通过传动机构驱车前进。 在运转中脚蹬本身能自转以保持脚掌用力位置的不变 脚蹬的结构与规格是否合适将直接影响到骑车者的放脚位置是否舒适足胫关节和小腿肌肉的作用状况是否最佳 这是设计者要考虑的因素。

飞轮有两个作用一个是当骑车者用力踏动脚蹬时飞轮能将踏力传到后轴身上推动全车前进另一个作用是在行驶途中当骑车者不踏动脚蹬时自行车因受惯性影响仍继续前进但飞轮外套并不随着后轴身转动脚蹬也不旋转可使骑行者获得休息机会和便于上下车。

前后轮前后轮总称车轮一个作用是承受自行车本身和骑车者的全部重量另一个作用是车轮旋转推动自行车前进及转向因此必须具有足够的强度以免在行驶中受到震动发生折断同时要求车轮必须圆正可保持在旋转时平稳此外车轮结构要有适当弹性以增强避震性提高骑行者的舒适性。

鞍座 是承受骑车者的体重作用要有足够的强度和弹性不同型号的自行车对鞍座的要求也不完全一致 对鞍座的要求是坚固、舒适既能使骑行者提高输出功率的作用同时减少骑行者的疲劳提高行驶性能。

泥板 是用以防止行驶时由车轮将路面上带起的泥尘、溅到骑车者的身上。此外有美观作用。泥板不承受任何重量要求在本身不变形的条件下尽量采用薄料以减轻车身重量。

前后闸 是保证骑行安全的关键部件有普通闸、钳形阐、触闸、抱阐、涨闸、脚闸、盘闸等多种结构、形式、但不管何种结构都要切实保证达到制动性能的要求。