购买自行车前必知：铝、钢、钛和碳纤维车架材料特性解析

这是欢喜哥削苹果第379篇原创文章

选择您想要的车架材质是购买自行车时做出的关键决定之一。

多年来，自行车车架采用各种不同的材料制成。

最初以钢材为主，现在的主要选择是铝和碳纤维，尽管钢和钛仍然很常见。

每种车架材质都有其优点和缺点，这取决于您作为骑手的优先考虑事项。

包括车架和自行车的重量、预算、寿命和所需的性能特征。

下面概述了购买自行车前需要考虑的铝、钢、钛和碳纤维的一些主要特性。

01

铝框架

2024 自行车车架材料说明

铝是经济型到中档镜架的首选金属，具有无与伦比的轻便性、刚性和价格优势。

1. 合金或铝

铝框架通常被称为“合金”

铝制框架被称为“合金”的情况并不罕见。

这是因为纯铝太软，无法形成用于自行车车架的形状，因此将其与其他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都是由合金制成的。

钢本身是铁的合金，而钛主要与铝和钒合金。

2. 铝合金自行车车架是如何制造的？

所有金属的强度重量比都非常相似，管道的宽度和壁厚等因素比强度更重要。

相对容易地操纵铝管以使其沿其长度具有不同的特性，并且管子经常对接以确保需要的刚度并在不需要的地方减轻重量。

3.什么是管道对接？

自行车的内部，不管它是由什么材料制成的，通常都是对接的。

这意味着它的两端较厚，因为两端的压力较大，需要更多的材料来连接其他管道，而中间较薄，以减轻重量。

直规管具有一致的厚度和一致的匹配特性。

单抽管一端较厚（例如底部支架接头），双抽管两端较厚，三抽管进一步减小了管子中间的厚度。

对接连接只是该过程的一部分，您经常会看到被描述为“液压成型”的优质合金框架。

这描述了通过使用高压流体来调整管子形状以使管子适合模具的过程。

高端铝合金自行车比以往更加先进，这种工艺可以帮助形成复杂的形状，

这反过来又会影响车架特定部分的特性，包括重量、强度和舒适度。

许多最新的铝制框架还具有空气动力学设计特点。

铝管通常焊接在一起来制作框架。

原始焊缝看起来可能比较凹凸不平，但焊接后通常会变得光滑（抛光）。

为了使高级框架看起来更简洁，它还有助于减轻一点重量。

铝框架焊接后，通常进行热处理以恢复合金的全部强度。

[焊接时] 大量的热量被施加到局部区域，从而改变局部金属的性质。

焊接后回火使焊缝成为最薄弱的区域，有助于缓解这种情况。

Vitus 979 是一款标志性的自行车

一些早期的合金框架是粘合的，管子切割成适当的长度并粘合到凸耳中。

意大利品牌Alan和法国品牌Vitus是这种制造方法的早期采用者。

4、铝合金自行车车架有哪些特点？

铝合金非常适合山地骑行

铝是大多数廉价自行车车架使用的材料，但它仍然是一些更昂贵的自行车车架使用的材料

无论是公路自行车还是山地自行车，这都是注重性能的车架的热门选择。

虽然铝合金车架的具体性能因自行车而异，但铝合金车架通常相对较轻、坚硬、耐用，且价格仅为碳纤维的五分之一左右。

在同样的价格下，合金车架可以比碳纤维车架更轻，尽管更昂贵的碳纤维车架总是更轻。

铝的密度比钢低得多。

现代合金车架可能被误认为是碳纤维车架

因此，铝框架可以采用超大管道来制造，以实现高刚度、更厚的管壁，同时重量更轻。

铝合金车架的壁厚一般是钢制车架的两倍，管径要大20-30%。

铝制框架历来被认为是不舒服的，因为这种材料相对较硬，并且缺乏减震效果。

但最新的车架制造技术和公路自行车轮胎更宽的趋势意味着许多合金自行车能够提供更多的功能。

虽然铝制框架在强度、刚度和轻量方面提供了令人印象深刻的平衡，

但与钢和钛不同，铝合金容易受到长期疲劳的影响。

然而，铝制车架比碳纤维车架更不容易受到碰撞或意外损坏。

因此，铝仍然是所有山地自行车的流行车架材料，也是预算有限的私人公路赛车手的明智选择。

铝合金自行车车架的优点

铝合金自行车车架的缺点

02

钢架

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正如谚语所说，“钢铁是真实的”，钢铁是传统上用于自行车车架的材料。

事实上，大约 100 年来，钢材一直是车架构造的主要材料，甚至在专业级别的赛车中也是如此。

直到 20 世纪 90 年代中期，铝制车架才开始占据主导地位，并且第一批碳纤维车架才被尝试使用。

钢制自行车仍然广泛使用并且是定制自行车制造商的主要选择材料，但它更像是自行车爱好者的鉴赏家的选择。

1. 接线片式或焊接式

Colnago 是越野车架的大师

建造钢架主要有两种方法：使用吊耳或不使用吊耳。

凸耳框架将管子插入接头处的铸钢凸耳中，然后焊接在一起。

无凸耳的框架具有焊接在一起或角焊接的管接头。

在过去，凸耳结构很常见，经典的钢架通常具有磨损非常精细的凸耳。

但焊接往往会使车架更轻，并且比钎焊需要的清理工作更少，而钎焊往往会导致接头处出现多余的材料。

对于任何类型的自行车来说，钢材都是不错的选择

另一方面，钎焊所需的温度比焊接低，因此钢的性能可能变化较小，从而产生更牢固的接头。

与铝制框架中的管子一样，钢管经常对接以减轻重量。

现代钢框架的管形种类比旧的圆形截面更加丰富。

2. 钢材种类繁多

雷诺自 1898 年以来一直生产钢管框架

大多数注重性能的钢制自行车都是由铬钼钢制成的，这种高强度钢常见于价格较便宜的低端车架上。

不同成分的钢具有不同的性能。

雷诺531是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。

然而，现在包括 Dedacciai 和 Columbus 在内的管组供应商提供了更多选择。

与其他框架管材料不同，钢管具有多种不同的管成分和轮廓。

这意味着您可以根据自己的选择构建一个非常坚固的旅行车架或一个更轻的车架。

不锈钢也是一个选择，它们比铬钼钢弱，尽管已经开发出用于自行车制造的专用不锈钢，其强度与铬钼钢一样强或更强。

3、钢架结构有何特点？

钢架爱好者仍然信赖原装框架材料

钢材的主要缺点是重量和成本。

它比铝更重，大规模生产成本更高，这确保了铝仍然是当今大多数金属自行车车架的首选材料。

然而，虽然钢比铝密度更大（也更重），但它也更坚固、更耐用。

这意味着车架制造商可以使用直径更小、壁更薄的管材并保持所需的刚度水平，但重量损失仍然存在。

与铝和碳纤维不同，如果损坏，也可以（相对）容易地修复。

同样，钢也具有疲劳极限——它可以承受无数次低于其疲劳极限的应力而不会失效。

这与铝不同，铝会随着时间的推移而磨损。

钢材仍然是旅行自行车的热门选择

即使钢材的刚度重量比不及铝，其天然的阻尼特性也能带来“有弹性”（即舒适）的乘坐体验。

由于所有这些原因，钢材是精品自行车和定制自行车以及不太关心重量的旅行和自行车包装车架的热门选择。

钢比钛更有价值，因为耐用性和寿命是关键。

也就是说，除非采用不锈钢制成，否则钢框架需要进行涂漆以防止外部腐蚀，并且管道内部也可能需要进行涂漆以防止生锈。

钢制自行车车架的优点

钢制自行车车架的缺点

03

钛合金框架

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钛合金通常被视为一种奢侈的选择，部分原因是它的骑行质量和成本，而且钛合金自行车经常被吹捧为“一生的自行车”。

大多数金属在可能失效之前都要经历一定次数的负载循环。

钛对重复的压力和拉力具有更强的弹性，这意味着经验丰富的车架制造商可以制造出更轻、更柔顺的车架，而不会出现故障的风险。

1.钛合金

钛金属作为镜框材料具有永恒的吸引力

与铝和钢框架一样，钛是一种合金，框架制造商有不同等级可供选择。

AL3 2.5V 合金（含 3% 的铝和 2.5% 的钒）是钛框架最常用的等级。

6AL 4V 管材明显更硬，因此更难操作，有时用于高性能车架或对硬挺度要求很高的单个区域，例如头管和底部支架套。

例如，Enigma 在其高性能自行车中使用了更坚硬、更高等级的 6AL 4V 合金（也称为 5 级钛）。

相反，它在更兼容的 Etape 车架中使用 3AL 2.5V 合金（或九级）。

钛合金还具有很强的抗疲劳性，这意味着它们可以弯曲而不会失效。

例如，一些车架组利用后部的钛合金后下叉的灵活性来提供无枢轴悬架。

2、钛自行车车架有哪些特点？

最新钛合金车架带来强劲、动感的骑行体验

对于自行车车架来说，钛比其他金属具有明显的优势。

它的密度比钢低，因此框架可以更轻，同时管壁更厚。

钛管的重量是相同抗拉强度的钢管的一半。

这使得钛金属镜架更难凹陷，而且由于钛不会腐蚀，镜架不需要上漆，因此划痕和碎裂不是问题。

钛框架的典型原始饰面看起来也很棒，尽管没有理由钛框架不能上漆。

另一方面，钛比钢更难加工。

必须注意焊接过程的清洁度和控制，尤其是氧气吹扫。

这样的细节还有什么不喜欢的呢？

过去，可用的钛管组非常少，而且它们不是专门为自行车设计的，这使得钛车架背上了过度弯曲的名声。

现在这不再是问题，因为自行车专用管材有了更多的选择，而且设计特点包括锥形舵管和更宽的底部支架标准，

这意味着钛框架可以设计得符合应用的强度。

尽管如此，钛在优秀的车架制造商手中仍然享有提供舒适的乘坐品质的声誉。

另一方面，钛是最昂贵的金属选择，通常比碳纤维车架组更贵。

钛合金自行车车架的优点

钛合金自行车车架的缺点

04

碳纤维车架

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自从兰斯·阿姆斯特朗驾驶 Trek 5500 OCLV 赢得 1999 年环法自行车赛以来，

碳纤维长期以来一直是高性能自行车车架的首选材料。

碳纤维是一种适应性极强的材料，可以根据精确的要求进行成型和微调，平衡刚度、舒适性和空气动力学。

然而碳纤维车架也有其缺点。

碳纤维自行车车架价格昂贵，高端市场售价高达五位数

— 并且比其他材料更容易受到碰撞损坏。

碳纤维在 21 世纪初真正开始流行起来。

1.碳纤维自行车车架是如何制作的？

碳纤维自行车车架由嵌入环氧树脂基体的多层碳纤维（纤维编织成薄片）构成。

碳纤维使其强度高，树脂将其粘合在一起。

碳纤维每层的强度重量比最高，但这只是在一个方向上，因此它在自行车车架中以多个角度堆叠。

这意味着它的强度重量比略有下降，但仍然高于其他材料。

大多数车架由多层碳纤维/树脂材料（称为“预浸料”）制成，车架的不同位置使用不同等级和方向的材料。

例如，Look 表示其 795 Blade 框架采用 800 多种不同的预浸料材料制成。

生产过程中，使用烤箱固化碳纤维车架

树脂使框架具有抗冲击性和抗压强度，由于生产预浸料的公司相对较少，且许多框架由第三方制造，因此大多数框架都由相同的树脂制成。

自行车制造商注重的是铺层技术，这也是自行车车架具有不同品质的原因。

掌握铺层的需求为碳纤维车架设计增加了另一层复杂性，并且自行车品牌不知道最终用户将如何骑行他们的车架。

这导致碳纤维框架在一定程度上被过度设计，以确保它们能够承受异常负载。

2. 整体式或管对管结构

Colnago 是少数在碳纤维车架上使用凸耳的品牌之一。

一旦手工组装好框架中的各个层，就将框架放入重金属模具中，并在压力下加热以将各个层粘合在一起。

在单体式车架中，每种尺寸的自行车都需要不同的模具，这使得新车架设计的设置成本很高。

一些定制框架中使用的替代方法是管对管结构，其中预制的碳纤维管被切割成所需的长度。

然后将额外的碳纤维缠绕在接头周围或粘到碳纤维凸耳上。

3、碳纤维车架有什么特点？

碳纤维车架可以塑造成复杂的空气动力学形状

碳纤维与所有金属的一个主要区别是，碳纤维的复合性质使其具有各向异性，这意味着其物理性质在不同方向上不同。

各向异性材料的一个常见例子是木头。

您可以轻松地沿长度方向分割它，但是沿水平方向分割它则要困难得多。

碳纤维也是如此，这意味着不同部件的布局对于车架的行驶方式和强度至关重要。

这就是为什么你会发现碳纤维自行车使用的材料中反复提到“铺层”的原因。

另一个重要因素是所用碳纤维的模量。

模量较高的纤维会更硬，但也更脆，因此即使是作为“高模量”销售的车架也是由不同等级的碳纤维混合制成的。

模量较高的碳纤维也更昂贵，但最终结果是在相同强度下车架会更轻。

碳纤维是一种出色的车架材料，但也有缺点

碳纤维的优点是众所周知的，自行车品牌往往会夸耀其所向披靡的高端碳纤维车架。

能够仔细调整车架每个部分的特性意味着碳纤维车架可以设计成适合自行车的特定要求和骑行类型。

碳纤维可用于制造极轻且极其坚硬的车架，并且可以选择将碳纤维包裹成复杂的空气动力学管形，同时仍考虑乘坐质量和舒适度。

4. 并非全是好消息

但是这会花费你一些钱，而且碳纤维并不总是便宜车架的最佳选择。

更便宜的铝制框架可能以更少的价格提供类似或更好的骑行特性。

与金属框架相比，碳纤维的另一个缺点是它不能铰孔或攻丝以提供螺纹来允许将组件拧入。

这意味着通常必须将轴承推入框架，或者需要添加金属插件来安装螺纹轴承。

压入式底部支架轴承尤其会发出吱吱声。

而且金属插入物会增加自行车的重量，如果安装不当，还会产生对齐问题。

碳纤维车架很容易受到碰撞损坏

碳纤维也很容易被压碎，因此很容易在快速释放叉等区域损坏。

这就是为什么碳纤维自行车通常配有金属叉脚或通轴插件，或在这些区域配备金属保护装置。

碰撞和撞击也会对车架管内部造成损坏，而这些损坏可能从外面看不到，并可能导致车架意外断裂。

如果您的碳纤维车架被撞击或严重碰撞，您应该在再次骑行之前对其进行检查。

可能需要进行超声波或 X 射线检查来检测内部损坏。

如果确实损坏了碳纤维框架，您的回收选择就会受到限制，而金属框架可以轻松回收。

碳纤维自行车车架的优点

碳纤维自行车车架的缺点

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其他框架

2024 自行车车架材料说明

竹制车架自行车

虽然碳纤维、钛、钢和铝是迄今为止用于自行车车架的最常见材料，但也有一些比较罕见的选择。

有时您会看到被描述为钪的框架。

然而，这种元素太稀有，无法用于整个自行车车架。

钪架其实就是含有少量钪和其他金属的铝合金，钪的含量可以增加合金管的强度。

一些自行车和自行车零部件是由镁合金制成的，而且镁合金有卷土重来的危险。

镁合金比铝更轻、更坚固，但刚性较差，20 世纪 90 年代初迎来了鼎盛时期。

直到 2006 年，Pinarello Dogma 都是由镁制成的，Vaast 也生产一系列镁制车架。

天然材料在自行车车架中占有一席之地，一些品牌销售带有竹制车架管的自行车。