鍛造和鑄造 
  
製造自行車的部件要經過鍛造、鑄造、切削、研磨等加工過程,在此簡單介紹鍛造和鑄造。 
鍛造:鍛造是把棒狀、板狀等的鐵錠加熱,然後用錘子打,或者用油壓等加壓成形。用這個方法加工的比起鑄造在拉伸強度、粘性強等方面好許多,可以製成非常好的製品。強度大而薄,材料的浪費也少。是一個很好的加工方法。如劍是用這種方法加工的。缺點是價格貴,不適合於大量生產,加工複雜形狀的困難等。

鑄造:鑄造是把金屬溶融後注入模具中冷卻成形。它的優點是可以製造複雜形狀的物體,適合於大量生產,價格便宜。如壓鑄加工可以製造強而複雜形狀的製品(照相器的機體、鋁制車圈等等。但是強度遠遠比不上鍛造。不能進入模具部分的材料浪費(當然這些材料以迴圈使用)。

               單件成本           強度               用在自行車上的製品
鍛造             高                 比較強               高級區柄
鑄造           便宜               比較弱               廉價配件

  
材料和環境

  何謂腐蝕:腐蝕是金屬和環境之間科學地相作用的結果改變了金屬的性質,金屬與環境,或者構成它們的一部分實用體系機能受到了損傷。簡單地說金屬表面變質了。對自行車來說金屬表面受損傷時會引起生銹,其中鉻鉬鋼車架最為明顯。腐蝕自行車的最大原因是下雨,尤其是酸雨的腐蝕性最勵害。

  
鉻鉬鋼和環境的關係 
塗漆加工粗糙以及沒有防銹加工的車架,鉻鉬鋼管表面和塗漆之間開始腐蝕,塗漆部分彭脹起來,或者局部受到腐蝕。若發現自行車受傷,建議把受傷部位擦乾淨並用錘刀搞平傷口,防銹加工後塗漆。總之傷口是腐蝕的最大原因。 
另外,發生應力多的部位也容易生銹,如焊接周圍,彎曲部位等。廉價的自行車,焊接後沒有熱處理(消除應力退火)就出貨,這種自行車若發生生銹,局部或整體不斷地腐蝕下去。

鋁和環境的關係 
鋁從外觀上看起來是相當耐腐蝕的材料。尤其是經過鋁表面鈍化處理的強度更大。這種處理是除了美化表面外,在鋁的表面形成的多孔質地Υ-A1203(氧化鋁),用滾水或蒸氣處理,封住其孔(如禧碼諾XT.XTR)。氧化鋁非常耐腐蝕,不被一般的酸溶解(如鹽酸、硝酸等),只能溶在氟酸等強酸。它也使用在研磨劑裏,不可見它的耐腐蝕性極強。

碳纖維和環境的關係 
碳纖維含有樹脂因此也可以說耐酸。但是對碳纖維來說應多考慮內在因素,它用樹脂因此樹脂老化的可能性是存在的。碳纖維制自行車不使用時應該避開陽光,日光和環境的溫度對它的影響最大。

鈦和環境的關係 
耐腐蝕性極佳(被使用在和原子能有關的部門),不怕雨水、不怕受傷、沾上水滴也不用抹乾淨。用這種材料製作自行車實在浪費??但是鈦也有缺點如前述(異種金屬腐蝕),如鋁制配件和鈦制配件接合在一起時逐漸被腐蝕掉。 
除了鈦之外,其他金屬之間也會發生異種金屬腐蝕,尤其是坐管部位,例如,把鋁制坐管和鉻鉬鋼車架接合在一起而不管它時,接觸面變成褐色,甚至於無法把它們解脫下來。

金屬的疲勞度 
  
自行車和疲勞 
製作自行車車架的材料有鉻鉬鋼、鋁、鈦、碳纖等。其中用最薄的管來製作的是鉻鉬鋼車架。它的加工性好,材料便宜,騎感好,但它必需製成薄壁管,這種薄壁的管會有較高的拉伸強度和加工性。 
鉻鉬鋼的強度較容易逐漸減弱,也就是較容易疲勞的現象表現在如下。 
(1).同樣的衝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)。 
(2).對鉻鉬鋼的研究的歷史較長,最大限制地利用它的特性製成極薄壁的管,應力雖然發生的各個局部部位,但是對整個管來說會發生較高的應力。
(3).由生銹引起的全面腐蝕將會引起管壁的變化,結果這個現象又提高了應力,引起疲勞破壞。 
(4).應力集中在局部而生銹、或者外傷引起的凹處,從該處引起疲勞破壞。 
(5).參加比賽時產生的衝擊,使車架發生較高的應力,使用的次數越多,疲勞破壞也逐漸增多。 
以上主要是針對鉻鉬鋼,但是近來鋁合金制的車架發展迅速,有許多用薄壁的鋁管制作的車架,它們是否上述的鉻鉬鋼制車架一樣,發生疲勞破壞呢?尤其是鋁沒有耐疲勞限度,很小的應力也必定會產生破壞。其應力越大破壞所需時間越短。現在所出售的極薄壁管的鋁制車架,廠家都未明確注明其壽命。 

焊接和疲勞 
  
鉻鉬鋼車架的焊接使用銀焊料的焊片焊接較多。鉻鉬鋼管是在再結晶溫度下焊接,因此管的強度不會降低,也不會變質。但是所使用焊片加重了管的重量。 
鈦管是使用前述的Tig溶接,焊接時所使用的不活性氣體的水蒸氣、或者不純物體在溶接時混入的可能性是存在的,這些事可能將成為引起疲勞破壞的原因。溶接不良使得應力集中在溶接部位,也會引起疲勞破壞。

剛性 
  
曾經多次提過決定剛性的重要因素是楊氏彈性模量,但是管的外徑也會影響剛性。 
最大剪斷應力 
車手騎在自行車上面時,複雜的應力加在車架上面。尤其是轉向握把,或者站立騎行而使車子搖擺時,假若車子的剛性不足時,騎起來很不舒服的。車架的剛性夠不夠往往是在這種場合被議論。在此著重講一講複雜的應力中,在管道上施於扭等動作時的轉矩的情況。在轉矩存在的狀下,最大剪斷應力發生在管的外周,它的公式加下。

 

在此τmax是最大剪斷應力,M是給管道的外來荷重,Do是外徑,Di是內徑。所發生的最大剪斷應力由外來的荷重和管的外徑、內徑所決定。從這個公式可以設想:材料本身固有的資料之外,改變外徑、內徑來得到所能承受的最大荷重。 
下述公式表示管道所能承受的外來荷重。

 

  剛性比、重量比 
在此簡單說明加倍外徑、內徑時的剛性及重量的變化。重量比的計算結果為4倍。2φ表示外徑、內徑為2倍。

剛性比的計算結果如下所述8倍。

從上述計算結果可知,改變外徑時重量加大到4倍,強度增加到8倍,效果還是很大的。利用這種方法也有限度的,外徑過於大時對於外來的壓力會增加面法線的壓力成分,如金屬表面容易凹進去(象啤酒的罐般)。 

車架的壽命 
  車架強度的探索 
車友們,希望你的自行車能用多久?除非有經濟條件許可者追求新款式自行車之外,一般都希望能使用越久越好。在此主要記述影響車架強度的金屬疲勞問題。 
在前面已講過自行車的金屬疲勞是不可避免的現象。具體地說:影響最大的是,加在管上的應力、管的材料、疲勞極限。 
設計自行車管道時,增加應力的話,不得不增加管壁的厚度。疲勞極限高而薄管壁的加工方法,目前主要採用Padded加工方法,這種方法是:發生集中應力的部位如接合部位,按理應增加該部位的厚度,但是不增加厚度,代替它的方法是,減少應力小的管道的中心部位的管壁的厚度。在此舉幾個薄壁管道的例子。 
高級鉻鉬鋼管:中央部位的管壁厚度為0.5mm。Dedacciai公司的最高級鉻鉬鋼管的管壁厚度為0.4mm。 
鋁制車架:Dedacciai公司的最高級鋁管SC61 -10A的管壁中央的厚度為0.8mm。最便宜的鋁制車架的管道的厚度為1.8~1.3mm,可見Dedacciai公司的最高級鋁管的厚度多麼薄!這種薄的管使人感到強度行不行呀! 
鈦制車架:關於鈦制車架有Panasonic的0.6mm厚度。另外,在鈦制車架方面最著名的美國Litespeed公司,該公司的廣告用語是:我們的鈦合金的疲勞壽命可達到鋁、鐵的5倍。 
作為自行車運動愛好者來說,能夠騎上把管壁加工至極限的薄而輕的車子是可以接受的,但是乘騎的次數越多,強度越下降,年年要換新的車子的話,薄料的車子有什麼用呢,當然專業選手就不同了,他們有練習用車及比賽用車。是否能夠維持性能特性的車架應成為選擇車架的條件? 
車架的外觀 
容易生銹的自行車讓人討厭,雖然小心愛護自行車,但是總是會生銹,愛護車的人看到這種現象很心痛的。因此人們尋找不會生銹的自行車如鋁或鈦制自行車。 

筆者心目中的理想的自行車 
  
●材料的選擇 
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,衝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,但是為什麼對它感興趣呢?因為它是有前途的金屬。 
●鉻鉬鋼已經使用了很久,對它的研究也最多,除非有什麼突破,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。 
●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製作車架。從外觀來看這些製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。今後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,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、耐用等資料時,需要量會增加。當前尚存在各種問題。 
●鈦管還有發展的餘地,強度可能會超過鉻鉬鋼,現在已能製造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,鈦不需要塗漆,可減少這部分的重量(20~40g)。將來最理想的是鈦制自行車?這只是紙上談兵,和車友們一起探討。筆者所選擇的鈦合金是下述的β合金Ti -15M o-5Zr -3A l (在TI中添加15%的Mo,5%的Zr,3%Al)。 
其他材料如鎂、不銹鋼等不在此記述。這些材料也許將來會有新的突破也說不定。

 

文章轉載自 天下一家鐵馬家族

http://tw.myblog.yahoo.com/jw!N0.58VqLEwM86GZi5QZM/article?mid=160&prev=171&l=f&fid=19

 

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