车架的好文。[转帖]

單車旅行觀點看車架材質
Frame Materials for the Touring Cyclist

　

by Sheldon "Totally Tubular" Brown

(原著鏈結：http://www.sheldonbrown.com/frame-materials.html)

　

譯者：sanjen 20031030



你知道嗎？
- 鋁製車架騎起來最不舒服？
- 鈦車架又軟又滑？
- 鋼製車架有比較好的騎乘品質但會隨著年代的久遠而變形？
- 英格蘭的Queen Elizabeth 是國際毒品交易的首腦？
其實，以上皆非。
長久以來有為數眾多的關於車架材質的說法其實是錯誤的。事實的真象是，只要選擇了合適的管徑、管壁厚度及車架幾何，用任一項現有的車架材料，都可以建造出符合你對騎乘品質要求的車架。

剛性、強度和重量
強度和剛性是大家經常搞錯的二個特性，要暸解不同材質車架間的差異，有必要弄清楚這二個特性的差異。假設一根金屬棒的一端固定在夾具上，另一端加上一定的重量使得這根金屬棒暫時彎曲，當把那個重物移開時，金屬棒立即回復原來的型狀。同樣的重量加諸於不同材料時，會產生不同的彎曲程度，這就是剛性。另假設掛在金屬棒另一端的重量，重到足以使金屬棒產生永久的變形，也就是說，當移開重物時，金屬棒仍然呈現彎曲，無法完全回復原狀，即所謂的降伏(yield)。使材料達到降伏的力量因材料不同而不同，這就是所謂的強度。

剛性(Stiffness)
剛性影響車架的騎乘品質，因為車架最怕在正常騎乘時發生變型。剛性決定於材料的彈性係數，而相當重要的是彈性係數和金屬的品質及其合金的成份無關。舉例來說，所有種類的鋼，基本上具有相同的彈性係數。

強度(Strength)
強度和車架的耐用度相關但和騎乘品質無關。強度(strength)由材料的降伏強度(yield strength)決定。降伏強度和車架管材的品質、熱處理製程及合金成份(某些品牌型式)有相當大的關係。

重量(Weight)
除了強度和剛性之外，重量也是一個議題。和剛性一樣，重量受到材料合金成份的影響相當輕微。即便你的車架貼著"Lite Steel TM"(輕量化鋼材)，事實上，所有的鋼材幾乎具有相等的重量。

這兒有三種常見車架材質的一些特性。

彈性係數(剛性)　降伏點　　　　重量
鋁　10-11　　　11-59(4-22退火後)　168.5
鋼　30　　　　　46-162　　　　　　490
鈦　15-16.5　　　40-120　　　　　　280

要注意，剛性和重量和材料的品質、熱處理或合金成份無關。舉例來說，所有的車用鋼管，從大賣場的廉價單車到價值數千美元的單車都有相同的彈性係數30，以及490的重量。
任何告訴你某種特定品牌的鋼(或鋁、鈦)會更輕或有更佳剛性的人，都是在膨風。在不同品質(同一材質)的管材之間，差異的是降伏強度，而非重量或剛性。由上表得知，當管徑、壁厚相同時，鋁製車架的剛性只有鋼製車架的三分之一，鈦製車架也只有鋼製車架的二分之一的鋼性。鋁的降伏值和鋼或鈦相較之下顯得相當脆弱，代表它比較容易損壞。在重量方面，同樣規格的鋁製車架只有鋼製車架的三分之一，鈦製車架約為鋼製車架重量的二分之一。
以上謹是一般性比較，並沒有太大的意義，因為沒有人會用同樣的規格來打造這三種不同材質的車架。
實際的單車依材料的特性加入計算，選擇組成車架的每支管材的管徑和壁厚。這時和車架剛性主要相關的為管徑，和強度主要相關的則為管材壁厚(管徑也會有相關)，而管徑和壁厚則影響了車架重量。
車架製造商必須衡量不同管徑、壁厚和車架剛性、強度、重量的關聯，作取捨。

鋼與鈦
回到上表，你可以發現鈦製車架和鋼製車架幾乎具有同樣的強度，但只有鋼製車架的一半重量和一半剛性。這樣的車架由於剛性變小，特別是在負重長途騎乘時，會感到有點滑溜。車架製造商可以用較大的管徑來加強剛性，雖然會增加一點重量，但仍會比一般的鋼製車架來得輕。

鋼與鋁
通常鋁製車架的剛性及重量會只有鋼製車架的三分之一，強度則只有一半，這也是為什麼鋁製車架明顯地會比較粗比較厚的緣故，只因為了要得到適度的強度和剛性，而這樣的車架還是比鋼製車架來得輕。

大且簿的管材
大管徑的優點也可以適到到鋼材上，但實際上有個限制。如果用二英吋直徑的鋼管來建造車架，可以建造出鋼性超出任何人需求的車架，並且只要管壁抽得夠薄，也可以非常輕。那為什麼沒有任何廠家這麼做？有二個原因：
- 管壁越薄，就越難接合得好，看一般雙抽的管材就可以發現，中間可以較薄，兩端較厚便於焊接。
- 另外，如果管壁太薄，會很容凹陷，在表面焊接一些配線端點也會得不到合適的支撐。

剛性和騎乘品質
很多人引導你相信車架剛性和騎乘品沒多大相關，我們來看看一些不同的觀點：

‧扭轉和側面剛性(Torsional/lateral stiffness)
這主要和由踏板而來的力量有關。任何車架在踏板施力時在五通管處會有彈力來對抗。這種彈力可以感受得出來，許多騎士認為這會消耗踩踏的力量。其實，這並不是真的，因為車架的金屬是非常有效率的彈簧，力量終究會回饋回來，所損失的相當輕微。但是大部分的騎士覺得這種彈性的感覺並不太愉快，並且偏好這部分能更穩固的車架，尤其是身高體重的騎士或喜歡站起來抽車的人，會特別重視。
車架的後三角是單車旅行者對車架剛性要求的另一個區域，因為單車旅行通常會在車後附掛行李。如果車架的後三角太有彈性，騎起會感覺滑溜，高速行駛時也會產生危險。當然大部分的彈性來自於貨架，但後上叉若有足夠的剛性就可以改善這種滑溜的狀況。

‧垂直剛性(Vertical stiffness)
(由於這篇文章是探討車架，著重點是在於路面的震動由後輪輪胎傳達到座墊。至於手把感受到的騎乘品質，決定於前叉、車架幾何和一些配件的彈性，和車架材質的選擇無關)
有許多關於垂直剛性和不同車架材質中間關聯性的老生常談，有些人說某類車架可以吸收路面震動，讓你騎起會感到比較舒服，有的人則說會讓你騎起來難過並且可以感受到柏油路面的每一個細碎坑洞。其實這些說法都是沒有根據的，或者這些感受根本不是來自於車架。
撞擊力由車胎、輪組、後上叉、座管、座墊支架傳達至座墊，當你遇到撞擊力時，這些部位會擴大或減小撞擊力感受的程度。
最大的彈性來自於輪胎，其次應該是座墊。如果你的座管拉得很高，座管產生的彈性也值得注意。好輪胎的吸震品質無庸置疑，我們想談的是後上叉(seat stays)。後上叉(這整個撞擊力傳達系統唯一屬於車架的部分)的位置直接承受來自地面的力道，順著它的方向，即使最輕最細的後上叉剛性都相當強，對吸震的貢獻根本不值得一提。
有一種情況車架的彈性可能對吸震會貢獻，亦即當座管抽得相當長，座管的一端僅有一小段插在車架的立管內，這可能會造成立管末端有些輕微的彎曲。但即使是這樣，也只是因座管外露長度造成的一點點彈性。
車架後三角的設計和路面的震動會有些影響，這是為什麼旅行用單車傾向設計有較長的後下叉，這樣的設計使得騎士的位置會在後輪的前面。較短的後下叉會騎起來較不舒適，就好像坐巴士時若坐在最後端會顛得最厲害，因為那個位置直接承受路面的顛簸。

舒適從何而來
如果你是在找尋一輛騎乘舒適的車，把焦點放在車架的材質是錯誤的。各式單車提供舒適騎乘的方法各不相同，但可歸納為以下主要幾項：

- 輪胎的選擇，較寬、較軟的輪胎對騎乘舒適的影響遠大於車架，不幸的是，許多新的運動單車在輪胎的搭配上並未好好的設計。請參考我(Sheldon Brown)關於輪胎的文章。
- 座墊，請參考我關於座墊的文章。
- 車架幾何，一般而言，後下叉較長、立管和頭管間的角度較小會比較舒適。這並不會減慢車速，但會使操控性變差。
- 騎乘位置，請參考我關於騎乘時疼痛的文章。

碳纖維
碳纖維是越來越受歡迎的材質，但在建造車架上它和金屬管材有些基本上的不同。因為纖維有其紋理而金屬則無。一個設計良好的碳纖維車架，會在受力最大的方向作最適當的纖維網絡排列，以提供最大的強度。
不幸的是，在單車的應用上，和金屬管材相較下，碳纖維並不是一項完全成熟的技術。單車可能承受來自各個方向的力道，即使使用電腦模擬，仍無法完全預知各方向所承受的程度。碳纖維具有相當大的潛力，但目前仍未見到，有人展示出可以負重長途旅行並且具有相當可靠度和耐用度的碳纖維車架。特別是其和金屬接著的部位，例如前叉末端、五通管、頭管等，是它比較脆弱的地方。這些部位可能會因時間久了而被侵蝕，以致損壞。
在車架幾何方面，沒有一個結構形狀會和三角型一樣強固。鑽石型車架由二個三角型組成，這種設計的優雅和簡潔，幾乎沒有再改進的空間。過去一個世紀來已有數十億輛鑽石型車架的單車，並且有數十萬聰明的人士花了數十億小時想要使他們腳下的單車更有效率。鑽石型車架可以說已經演進得幾近於完美，我有時會騎一架1916年建造的Mead Ranger，它比現代任何一個車架都重，但它的騎乘品質和我所有的單車一樣好。
如果在車架的設計上有任何改進，可會來自於完全不同的建造程序，例如碳纖維或是鎂，或是完完全全不同型式的設計，例如斜躺車。

維修的容易度
任何上述的材質，用來在已開發國家作短到中距離的旅行，都很合適。鈦，除了太昂貴外，可能是最耐久的材質，但鋁或鋼會更好。就我目前所知，沒人生產碳纖維的旅行車。
如果在開發中或第三世界國家作長途旅行，鋼仍然是最佳的選擇，因為即使損壞了，任何懂得焊接的人都可以將它修復。

　
感謝耀樟來e-mail對如下問題更深入的澄清：

一、彈性係數(剛性)…基本上彈性係數和剛性是成反比的關係，所以”(剛性)”此一句應該刪除比較恰當，否則會誤導以為彈性係數和剛性是相同的名詞。

二、文章內容提到…由上表得知，當管徑、壁厚相同時，鋁製車架的”剛性”只有鋼製車架的1/3…”剛性”此一名詞應修正為強度會比較恰當些；幾乎所有的材料的彈性係數和剛性是成正比關係，但其關係不剛好是和彈性係數的關係；而且材料剛性的計算式=彈性係數X材料斷面積/材料長度，只有在相同管徑及厚度條件之下，才會如原著的文章會和彈性係數是成相同的比例關係。不然以彈性係數來看車架的剛性，應該是鋁的騎乘感覺會比較硬朗才對，但實則不然，其原因是因為剛性和車架的斷面積有直接的關係，設計廠才會加大管材管徑及管的斷面形狀(如蛇管)來改變剛性；好的設計鋁管其剛性是會大於鋼製車架是沒錯，其強度(降伏點)就如原著，就要看每家廠商用的材料有不一。

若以我的騎乘習慣來評估：

1. 騎乘感偏硬朗 鈧鋁合金及鋁合金車架

2. 低重心 因為五通管是是廠商的設計幾何很難要求，所以我們會要求立管高度

3. 翻山越嶺跋山涉水(輕量化) 鈦合金車架最適合，其次為鈧及鋁合金也都不錯，但因高級車架都會抽管，鋁/鈧合金不小心很容易撞凹

4. 林道高速下坡過彎 卡夢/鈦/鋼吸震都不錯

5. 不善保養 除了鋼之外，其它較無氧化問題

钛合金突出的特点是重量轻，强度高，弹性好，抗冲击、疲劳性能好，耐腐蚀永不生锈。自行车特别是赛车要求重量轻、刚度好并且冲击性能好。重量轻可以提高速度，并在长距离运动时降低体力消耗；刚度好的车架有利于驱动力的转换，并提高操纵性能；冲击吸收性好的车架可以较好地减缓来自路面的冲击，从而减轻车手的疲劳。对于制作自行车架来说，在众多的金属材料中，钛合金同时满足上述要求，因此它是十分理想地制作车架的材料。钛合金具有超强的抗腐蚀性能，具有比其它金属与非金属材料更长的寿命，我们可以说其经久耐用，无老化、无磨损、不刮伤的特性是其它材料所欠缺的。作为自行车架的使用，它的表面不需要涂漆保护，因为它不会象铁和铝车架那样生锈或腐蚀，并耐酸雨、紫外线、潮湿等的侵蚀，所以你不必担心其金属表面会因裸露在空气中形成凹陷、锈蚀。用钛合金材料制作的自行车架让骑行者感觉更加安全可靠，它不会突然断裂，断裂时会从小裂纹开始，此时你便会有察觉；即使意外碰撞断裂，金属的特有韧性也会保护您不受伤害。

钛合金不仅其重量仅为钢的50％，且强度重量比比铬钼钢高28.4％。钛合金的疲劳极限是钢的两倍，铝合金车架在使用较长时间以后在这方面也无法与钛合金车架相比。作为应用在自行车架上的高强度和低密度的钛合金材料，它不仅会让车架重量轻、强度高而且会让车架更经久耐用。

钛合金的优势
（1）钛合金车架其强度和重量比率要高出一般的钢车架和铝车架75%以上。
（2）钛合金车架其疲劳寿命比一般的钢车架和铝车架高出5倍，这意为着它将陪伴您度过一段相当长的美好时光。
（3）钛合金车架有独特的产品魅力，现在在设计方面也注重美观、轻量化与强度设计的完美结合。
（4）在你经过了一个长达5个小时的骑行以后，使用其它材料的车架你会感觉来自公路的振动与冲击会通过车架更直接地作用于你的身体，这时你会更喜欢钛合金材料的车架在长途骑行后的感受。
（5）其超强的耐腐蚀能力，具有很长的寿命。

*注：以上內容為轉發，供大家對鈦有進一步的了解

俺用铝合金的就好了！！！