绿色环保交通工具————自行车.doc

引言脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。英文bicycle或bike的bi意指二，而cycle意指轮。在日本称为“自耘车”；在中国大陆、台湾、新加坡，通常称其为“自行车”或“脚踏车”；在港澳则通常称其为“单车”。有单人自行车，还有双人或多人自行车。自行车是一种不用消耗任何能源、无任何污染并能强身健体的骑行工具，是真正的绿色环保交通工具。我们国家是一个人口众多、幅员辽阔的大国，也是一个自行车的王国，每天有亿万群众骑行在自行车上，不单是健身强体，娱乐旅游，更多的作为交通代步，轻便运输的工具。为此我们国家在交通设施、法规条例方面，都作了特殊安排。交通道路上有专用的自行车道，红绿灯有自行车的标识，这使大批的骑行者感到便捷和安全，令许多发达国家的骑车人羡慕和向往。爱好自行车，充分利用自行车，这是我们国家的一大特色，也是一大优势。但近年来，随着经济的发展，私家汽车的普及，各种交通工具的便利使自行车的功能受到挑战。但是，随之而来的城市交通拥堵，能源的大量耗用，废气及噪声对城市环境的污染。另外，从健康的需要考虑，现代人的体力活动大幅减少了，心血管系统和消化系统疾病大幅上升，肥胖和体质下降严重地威胁着人们的健康。这些迫使我们要重新审视这个问题。绿色环保交通工具公共自行车作为城市交通配套设施“城市公共自行车”服务于某些城市广大市民以来，为市民出行提供了很大方便，为缓解城市公交道路压力和城市绿色环保都起到很大作用。同时，一辆辆公共自行车还为我们的城市增加了一道道漂亮的风景线。我们有必要了解自行车的相关知识。第一章 自行车历史发展自行车是人类发明的最成功的一种人力机械，是由许多简单机械组成的复杂机械。 一、世界自行车历史1790年，有个法国人名叫西夫拉克，他特别爱动脑筋。有一天，他行走在巴黎的一条街道上，因为前一天下过雨，路上积了许多雨水，很不好走。突然，一辆四轮马车从身后滚滚而来，那条街比较狭窄，马车又很宽，西夫拉克躲来躲去幸而没有被车撞倒，还是被溅了一身泥巴和雨水。别人看见了，替他难过，还气得直骂，想喊那辆马车停下，讲理交涉。西夫拉克却喃喃地说：“别喊了，别喊了，让他们去吧。”马车走远了，他还呆呆地站在路边。他在想：路这么窄，行人又那么多，为什么不可以把马车的构造改一改呢？应当把马车顺着切掉一半，四个车轮变成前后两个车轮他这样一想，回家就动手进行设计。经过反复试验,1791年第一架代步的“木马轮”小车造出来了。这辆最早的自行车是木制的，它的结构比较简单，既没有驱动装置，也没有转向装置，骑车人靠双脚用力蹬地前行，改变方向时也只能下车搬动车子。即使这样，当西夫拉克骑着这辆自行车到公园兜风时，在场的人也都颇为惊异和赞叹。 1816年，在德国有个看林人名叫德莱斯，他每天从村东的这一片树林，走到村西的另一片树林，年年如此。他想：如果人坐在车子上，走走停停，随心所欲，不是很潇洒吗？德莱斯开始制作木轮车，样子跟西夫拉克造的差不多。不过，在前轮上加了一个控制方向的车把子，以改变前进的方向。但是骑车时依然要用两只脚，一下一下地蹬踩地面，才能推动车子向前滚动。当德莱斯骑车出门试验的时候，一路上遭到不少人的嘲笑。尽管如此，他还是十分喜欢自己创作的这架“可爱的小马崽”。一次德莱斯在骑车闲逛时开过来一辆马车，车夫嘲笑他说他的车慢，于是他就和车夫说：“你信不信我的车比你的马车还快”于是他们两个打了个赌。路程是从村东到村西的一个来回，结果德莱斯比车夫整整快了1个多小时。 1840年，英格兰的铁匠麦克米伦，弄到了一辆破旧的“可爱的小马崽”。他在后轮的车轴上装上曲柄，再用连杆把曲柄和前面的脚蹬连接起来，并且前后轮都用铁制的，前轮大，后轮小。当骑车人踩动脚蹬，车子就会自行运动起来，向前跑去。因此而被警察抓住，并处以罚款。其罪名是“野蛮骑车”。 1861年，法国的米肖父子，原本职业是马车修理匠，他们在前轮上安装了能转动的脚蹬板；车子的鞍座架在前轮上面，这样除非骑车的技术特别高超，否则就抓不稳车把，会从车子上掉下来。他们把这辆两轮车冠以“自行车”的雅名，并于1867年在巴黎博览会上展出，让观众大开眼界。 1869年，英国的雷诺看了法国的自行车之后，觉得车子太笨重了，开始琢磨如何把自行车做得轻巧一些。他采用钢丝辐条来拉紧车圈作为车轮；同时，利用细钢棒来制成车架，车子的前轮较大，后轮较小。从而使自行车自身的重量减小一些。从西夫拉克开始，一直到雷诺，他们制作的5种型式的自行车都与现代自行车的差别较大。 真正具有现代形式的自行车是在1874年诞生的。英国人罗松在这一年里，别出心裁地在自行车上装上了链条和链轮，用后轮的转动来推动车子前进。但仍然是前轮大，后轮小，看起来不够协调，不稳定。 1886年，英国的约翰.k.斯塔利，是一位机械工程师，从机械学，运动学的角度设计出了新的自行车样式，为自行车装上了前叉和车闸，前后轮的大小相同，以保持平衡，并用钢管制成了菱形车架，还首次使用了橡胶的车轮。斯塔利不仅改进了自行车的结构，还改制了许多生产自行车部件用的机床，为自行车的大量生产利推广应用开辟了宽阔的前景，因此他被后人称为“自行车之父”。斯塔利所设计的自行车车型与今天自行车的样子基本一致了。 1888年，爱尔兰的兽医邓洛普，从医治牛胃气膨胀中得到启示，他把家中花园里用来浇水的橡胶管粘成圆形，打足了气，装在自行车轮子上，前往参加骑自行车比赛，居然名列前茅，引起了人们极大的兴趣。充气轮胎是自行车发展史上一个划时代的创举，它增加了自行车的弹性，不会因路面不平而震动；同时大大地提高了行车速度，增大了车轮与路面的摩擦力。这样，就根本上改变了自行车的骑行性能，完善了自行车的使用功能。同样是1888年，英国考文垂市的约翰.k.斯塔利生产出了第一辆现代自行车“安全”自行车。其主要特点是采用菱形车架，使得车身有更高的刚度和强度，后轮用链条驱动，并通过前叉直接把握方向。二、千奇百怪的设计方法 世界上第一批真正实用型的自行车出现于19世纪初。1817年，德国人德莱斯在法国巴黎发明了带车把的木制两轮自行车。自行车问世后迅速成为当时欧洲人青睐的交通工具。19世纪一些欧洲人也构思出了一些理想的自行车图。 自行车发明的早期阶段，人们认为越大的轮子行驶的速度越快，两名男子骑着一辆车轮几乎为一人高的自行车。在自行车的发明阶段，有些人并没有把自行车的两个轮子设计成前后放置，而是把两个轮子做成了左右放置，这种自行车的外形有些类似轮椅。三、中国自行车历史清同治七年(1868年）11月，上海首次由欧洲运来几辆自行车，是人坐车上，两脚踮地引车而走的业余消遣的娱乐性代步工具。 同治十三年，法国人米拉从日本运来人力车输入上海，这种车称为“东洋车”，因其色黄又叫“黄包车”，成为代步工具。随后沪上兴起了人力车的修、租、贩制业。 清光绪十一年(1885年）后，英商怡和、德商禅臣、法商礼康等洋行将自行车及零件列为“五金杂货类”输入上海，到19世纪末在上海已有广泛市场。 原来设摊修理马车、人力车的诸同生，于光绪二十三年选址南京路（今南京东路）604号，开办了同昌车行，经营自行车及零配件。 光绪二十六年，上海有惠民、曹顺泰等六七家车行，销售人力车、马车及自行车零配件，以卖带修。 民国4年(1915年），上海有近20家自行车商店。第一次世界大战结束后，邮电事业发展，自行车成为邮差的交通工具，自行车需求激增，市区又新开一批自行车商店，形成了以老闸区（今黄浦区）为中心的自行车销售网络。第二章 自行车材料 自行车什么样的材料才算好材料？ 从最宏观的观点看，好材料有三个要求，一个是弹性模量高，就是说受力时变形小；另一个要求是强度高，就是说可以承受很大的外力；最后一个要求是韧性好，就是说万一外力太大了，材料承受不了，那么材料也不会立刻断裂，而是经过一定变形，吸收一定能量后才断裂。 一、常用材料：铝合金和钢和碳纤维。 从绝对性能看，铝比不上钢。就算是很好的铝，比如制作我们自行车常用的6061铝合金，从模量、强度和韧性上看，绝对性能仍旧比不上钢。可是我们的自行车还多数都是用铝的，为什么？其实就是因为铝很轻。换句话说，为了达到同样的强度，只用很轻的铝就可以达到目的，而用钢就必须用很重的原材料才行。用术语说，就是铝合金的比模量高，比强度高。 那么碳纤维呢？碳纤维的密度只有1.75左右，而铝是2.7，钢是8.7。强度呢？目前最好的碳纤维可以超过7000MPa，而钢呢？通常钢的强度在1000MPa以下，最好的超合金钢不过是2000MPa.那么我们再算算比强度呢？碳纤维的比强度比钢高30多倍！ “比强度”就是强度除以密度。但纤维的比强度跟用此纤维增强的复合材料的比强度不是一回事。碳纤维是种复合材料.是在完成整个结构后才叫碳纤维碳纤维还没完成结构体时.是环氧树酯+碳纤维预浸布.碳纤维预浸布在还没编织成品时.是碳纤维丝! 上面的数据都是碳纤维丝的数据碳纤维/环氧树脂，密度1.4，强度1500Pa，我们的自行车大概就这个性能（当然不能和航天飞机比了）。比强度多少？1000MPa吧？那么钢呢？我们的普通自行车用A3钢密度7.8，强度400MPa，比强度50MPa。差多少？20倍吧！这些数据都不用记，只记住一点，碳纤维复合材料比一般的钢比强度高几十倍。 用钢管同样可以让自行车很轻，也对呀！可是刚度和强度是不一样的，钢的刚度大但是强度差-越轻越危险呀！总之，碳纤维比铝和钢强适合做自行车车架！ 我们知道钢在断裂前有很明显的塑性变形的。碳纤维断裂前几乎没有塑性变形。而环氧树脂呢？也很脆。所以碳纤维/环氧树脂复合材料，总体上看也没有明显的塑性变形，只有弹性变形。当你发觉碳纤维自行车架有明显变形的时候-嘿嘿嘿！肯定是哪儿有大裂纹啦！,物以希为贵,碳复合材料车架轻以及刚性好,作为比赛用途是不错,而作为普通爱好者来说就不合算了.长期（7-8年）阳光下骑行树脂很容易老化,碳纤表面不耐刮擦,破损后雨水很容易渗进多孔的碳纤内部,将大幅度降低本身强度.另外,像碳纤把横、坐管等需要螺丝固定处都得有严格力矩规定，乱拧一气绝对会破坏碳纤结构，比金属娇嫩多了。作为新材料，碳纤的价格也是普通百姓望之兴叹。虽然中国生产高级铝合金的能力也不如外国，但是一般的铝合金比如6061之类的东西还是很成熟的（除非你买了个碳纤维自行车水货公司的水货）。所以用铝合金自行车还是不错的选择。碳素的自行车大概有多重？碳素的自行车的车架重量一般在1000克以内，美利达的整车做到0.9kg左右二、车架材料（一）、车架制作：车架的制作过程一般是厂家买来不同直径的圆形或者方形管材，然后上机器把直管压制成需要的弯曲度，如果要抽管也是上机器抽，如果是需要异型管材就用圆管或者方管用机器压出来，之后就是焊接，焊接分两道工序，第一道是用几个点焊把管材连接在一起，之后就是正式的用鱼鳞焊把车架牢固的焊接在一起，然后上台架校正，之后要用酸把车架表面的氧化层洗掉，然后就是T4，T6 的热处理工序了。如果是钛架，焊接就要用氩弧焊以保证质量了。（二）、自行车材料的常用知识1、应力以及变形应力的定义=负荷/断面积 (即：单位面积上所能承受的重量) 虽然负荷大，但是可以增加厚度来降低断面积上的应力。从这里也可知为什么铬钼钢、铝、钛管的厚度不同。 2、受应力之后，用于车架的材料会变形。其变形可分为弹性变形和塑性变形。 弹性变形：虽然变形，但是除去应力后恢复原状。 塑性变形：变形后除去应力也无法恢复原状。 3、弹性率：弹性率所指的是像弹簧一样变形的材料的低抗程度。弹性率高的材料硬，承受负荷后变形也少；弹性率低的材料较软，承受负荷后变形较多。作为自行车的材料，有些部位需要变形多些，有些部位需要变形少些。弹性率以杨氏弹性模量(GNm2)来表示。数据越大弹性率越高。 相关数据如下： 铬钼钢 (低合金钢) 200-207 铝合金 69-79 钛 116 钛合金 80-130 碳纤 70-200 镁合金 41-45 结论：从上表可知铬钼钢的弹性率最高，镁合金的弹性率最低。弹性率将决定材料刚性的强弱，对自行车来说该数据是很重要的。 4、屈服强度、拉伸强度（MPa，N/mm2）屈服强度：是弹性变形的极限也叫屈服点。增加应力到一定程度时成为塑性变形，也就是变弯了。 拉伸强度：指的是增加应力到一定程度时不单是成为塑性变形，还被拉断。相关资料如下： 用在自行车上的材料 拉伸强度 ：SCM415 (铬钼合金结构钢)铬钼钢834以上SCM415適用於簡單彎曲加工，焊接時須以氬氣保護綑綁器、自行車管及零配件4130铬钼钢930以上6061(6000系铝合金) 无热处理的场合 100以上 有热处理的场合(T6) 246以上7005(7000系铝合金) 有热处理的场合(T6) 345以上 7075 (特超硬铝，飞机合金) 无热处理的场合 230以上 有热处理的场合(T6) 597以上CPTi (纯钛) 有热处理的场合(T6) 597以上 用的较多的纯钛为如下：PTT800 800、Grade4 588753、UTT75 753 597以上3-2.5Ti（3%Al2.5V Ti合金） 685以上 6-4Ti（6%AlV Ti合金） 有热处理的场合(时效) 1160 无热处理的场合 980 5、密度 密度是单位体积的重量。密度是决定车架的重量时重要因素之一。设计轻的车架时不可勿视的数据。但是密度小不等于车架轻。用在自行车上的材料 密度（g/cm3） 铬钼钢(低合金钢) 7.9 铝合金 2.6-2.9 钛 4.5 钛合金 4.3-5.1 碳纤 (CFRP) 1.5-1.6 镁合金 1.7 结论：从上表可知铬钼钢密度最高，镁合金最低。密度低的话，可以制作轻车架，假若这样认为的话只讲对了一半。还要考虑拉伸强度、弹性率等因素。虽然密度低，但是强度不够的话也不行，密度低1/3不等于重量也轻1/3。6、增强材料对材料进行加工就产生重排现象，也就产生材料的变形。各种材料的重排现象是极为复杂，不在此记述，简单地说：重排后不是整齐地排队，而复杂地啮在一起的话，材料的变形就困难了。如马路上走路时，走路的人不断增加(重排的增殖)，就难于前进(重排移动变得困难，从而不容易变形)。利用此方法的有管道拉拔和喷丸硬化(SHOT PEENING)。 （三）、铬钼钢、不锈钢、铝合金，钛合金，钪合金，镁合金、碳纤维和车架：1、铬钼钢车架的优点 加工性好。铬钼钢的车架是历史最久的车架，因此对它的研究时间也最长。现在能做到车架所需强度的极薄的管道。 冲击的吸收性能好 。骑感极好，如（像弹簧般的骑感）。构成车架的铬钼钢管道有优异的吸收冲击的性能。 焊接容易 。铬钼钢比起钛、铝焊接容易。可以设计成名种形状。另外，焊接后也不需要热处理，因此不需要大型的热处理设备，成本低。 价格便宜。虽然有些高挡次的铬钼钢车架价格贵，但一般价格便宜。也可以说，用便宜的价格买到高挡次的车架。2、铬钼钢车架的缺点 容易生锈 。车架用的铬钼钢含有铬，但是添加量少(不锈钢含有12%的铬)的铁系合金。若没有施有表面处理的话，有伤口时容易生锈。但是一般都有进行防锈加工。自行车的场合，管道的肉压薄，生锈后的影响将会非常大。生锈内压减少强度下降(应力集中)。 金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)。若使用内薄的铬钼钢车架时需要注意！当然金属疲劳这个现象任何金属都会产生包括铝等在内。金属疲劳现象简单地说：金属虽然具有防止塑性变形的小小的力量，但是反复施加应力时，金属可能被破坏(被称为微细的应力集中)。飞机出事时，有时候也是某部分的金属疲劳引起。对自行车来说，由于金属疲劳的原故，可能出现强度不能保持。例如，进行DH时产生的冲击缩短了自行车的寿命。若感觉到踩踏时不那么顺利前进时很有可能是金属已发生疲劳。焊接部位，如从管道侧(母体)到溶融的部位(溶接部)，结晶的特性都会显著变化。为使这些组织均一化，本来应该再次结晶化(详细内容后述)。但是车架加工厂不一定有这种大型炉，另一方面，这种加工使已经冷却过的再次硬化，使得变增强的管道的强度降低。 由于存在上述原因，焊接时采用各种方法来加工。如利用低温焊接等方法制造车架。不管是任何优秀的焊接，焊接部位(1000C以上)和另管道侧(室温)之间的温度差，冷却时收缩而发生残留应力。该部位受到应力集中时，可能会产生裂缝。结果自行车骑的时间长时可能会引起金属疲劳，微观的硬化加工也使冲击的吸收性也变得差。 3、铝合金 （Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)） 铝材料概述 很久以前就有用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从“轻”来说，当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反应是“虽轻但易弯曲”。虽然经过多次改进，但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架，为了提高杨氏弹性模量，加大管道外径，使用扁平管，或者对铝管进行热处理等，制造出轻而有刚性的车架，这种最新的铝合金车架对车手来说，具有足够的轻量与刚性。 铝合金是纯铝中加入Mg，Zn，Si，Cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。自行车所使用的铝合金多数为6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu)两种，经过热处理(铝耐高温，在高温下能改变性质)可以制成名种各样的材料。铝合金车架的优点可以制作重量轻的车架 铝的密度轻但不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。热处理采用时效析出增强法，简单地说，在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。在某种高温下进行热处理时，会引起时效析出，若没有经过这个程序的车架，也会引起常温时效。就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。 许多铝合金制车架用6061T6材料来制造。T6标志表示经过热处理、时效。若没有热处理的话强度只能达到1/2，或者1/5的程度。 有7075标志的自行车零件(如XTR曲柄等)，严格来讲没有经过热处理。也就是说因没有时效，因此是常温时效。7075合金本来就必要进行热处理，通过热处理其强度可以增加5倍。 另外，7005合金也常用来制造车架，它的强度比不上7075，但是它在常温下也能够进行足够的时效的材料。这种材料也可用Padded加工制成薄料。但是材料本身的强度及杨氏弹性模量低，因此加粗管道直径来提高刚性。通常被称作铝制粗管道的是这种类型。 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。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)。 另一方面，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，到底长时间使用后强度变化将是如何呢！Dedacciai公司制作的SC61-10A等是表面施有喷丸硬化加工(KET处理)的管道，这种加工的目的是延长疲劳的寿命。根据公开的数据，能提高140%。，KET处理是：疲劳破坏是在金属表面上所发生的裂缝为起因，因此用硬化加工技术来提高金属表面的硬度。3、 铝合金车架的缺点1).铝是弹性率及刚性低的材料。因此采用粗的管道，或者改变形状如cross-over管、padded管等。(2).需要进行热处理必须进行热处理，否则强度不够。因此一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。尤其是6000系的铝合金管，多数情况是管道厂家指定热处理条件。自行车上最常见的铝合金型号6000 7000 7075 7005 6061 2093 2000 6061高低成色 原色矿石铝合金 阿伯其铝合金。7000系是铝合金中最强的材料。尤其是7075是特超硬铝(制造飞机的材料)，但是它的焊接难度大，耐腐蚀性差(会发白)等。下表表示使用最多的7005和7075合金的机械特性。4、钛合金（Ti,Ti-Al-V)钛合金是在纯钛中掺入了很多不同种类的金属，有铝，钒等等等等，非常多，掺入不同的金属可以制造出特性差异极大的钛合金出来，纯钛因为太软所以不是很适合使用在受力较大的运动器械上。在钛金属中添加铝和钒，弹性更高(和铝比较)，也有利于设计。可以制作轻量而强度大的车架。 钛合金优点 不生锈。钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。例如，不同种类的合金接合在一起时，成为电极状态，电位差使局部通电引起腐蚀。对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏，如商品名：Ti Plepu等)。这种金属粉末防止脂膏流失，即使流失后也用来防止紧密接触。这种金属粉末有导电性也不要紧，接触后被较小的荷重破坏掉。这种现象称为“粘住”，它和“烘焙”是不同的。 “粘住、咬合”：金属之间通过腐蚀来接合的现象。 “烘焙接合”：加工金属时所产生的热量来溶融接合。 骑感好。钛也用在避震器的弹簧上。现在用钛制成的车架适合于长时间的骑行。有些车手酷爱钛制车架，认为骑感极佳。但是个人各异，有人和铬钼钢比较后认为，铬钼钢的车架冲击吸收性比钛车架好，骑感也比钛车架好(这和铬钼钢车架的形状以及用薄的管的结果应力得到增大也有关)。假若钛管的加工技术得到进一步改进，也许会有和铬钼钢同样的骑感。 有些钛制车架使人感到摇摆，这也许是使用plane管(没有加padded的，厚薄不能变化的管)有关。或者虽使用高强度的钛合金，但没有用薄的管等也有关系。 钛合金车架的缺点 价格高。钛在自然界以二氧化钛的形态存在，提练及加工过程复杂，技术要求高，并花时间因此成本高。再有溶接加工极为困难，因为钛和氧的亲和力极强，和空气接触后马上变成二氧化钛，而二氧化钛硬而脆，该部分的强度会不断下降。因此用惰性气体小心焊接。通常所说的Tig焊接是：(Tig：钨、惰性气体的略语)用钨电极及氩气体进行弧焊接。钛的焊接必需隔绝空气下进行。由于以上原因钛 车架价格很贵。近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵，这说明钛合金车架的价格下降了。其因是冷战结束后军费缩小，钛的用量少了；优秀的技术员开始用钛来制作车架；制作钛车架的成本降低等原因。一、钛合金特点钛合金是广泛地运用于航空航天技术领域的高性能材料，其重量轻、强度高、韧性好、耐腐蚀是其最显著的特点。对于制作自行车架来说，在众多的金属材料中，钛合金是唯一同时具有高强度、低密度，极好的抗疲劳和耐腐蚀性能，以及较低的弹性模数的材料，因此它是十分理想地制作车架的材料。此外，钛合金也广泛地应用于医疗器械、化工设备、军工及运动器材等领域。由于加工工艺复杂，所以材料价格昂贵，这是造成产品价格较高的主要原因。钛合金和很多合金金属一样，也是由钛与一些有用的金属成份组成，以满足对材料性能的要求，但其主要成份中钛占到90%以上。在航空航天技术中广泛应用的是两种合金，既Ti6AL4V（6铝，4钒，90钛）和Ti3AL2.5V（3铝，2.5钒，94.5钛）。Ti3AL2.5V是用于制造高强度管材的专用材料Ti6AL4V则主要用于航空航天领域中机身的制造。作为制作高档的自行车架的材料应具有较高的强度和硬度，钛合金将是一种极好的选择。不仅其重量仅为钢的50，且强度重量比比铬钼钢高28.4。钛合金同时具备很好的抗疲劳的性能，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。钛合金具有极好的抗腐蚀性能，事实上，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。 由Ti 3AL2.5V制成的钛合金车架采用无缝管材的焊接技术，其管材经冷轧成形后经过严格地挑选、检验，以保证其材料的强度和质量。为了使车架的设计更加完美并满足轻量化、几何学结构、空气动力学的要求，管材的加工采用专用的设备保证其精密的尺寸，管形被设计加工成椭圆、水滴、锥管、垂直椭圆等各种形状，再经过工艺要求很高的氩弧焊接和外表面的手工打磨处理 二、钛合金优势 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。 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。每一款车架的设计，我们都力求展示出钛合金车架独特的产品魅力，注重美观、轻量化与强度设计的完美结合。 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。 其超强的耐腐蚀能力，具有很长的寿命。三、钛合金历史 1791年，被英国修道士William Gregor发现，1795年，正式命名为Titane钛，这个名字来自于希腊神话中的巨人泰坦之名。直到1910年，才第一次提炼出了纯度为99.9%的钛，是一个名为Matthew Albert Hunter的人从炸弹的钢片中加热提炼出了TiC14（四氯化钛）和钠。时至今日，钛的生产方法是通过从TiC14和镁，这两种物质中还原而来。这种方法是1946年，由William Justin Kroll发展的。 四、力学性质 钛极难提炼。因为它必须被隔离，然后再进行昂贵而又复杂的化学工序。纯钛意味着什么也不是，因为它太柔软了。为了让它有实用价值，必须给它添加别的金属作为助手。当然，这一切的前提是根据钛本身固有的性质去做。所以，我们通常所称的“钛”，它是一种有着特殊性质的合金。从总的观点来看，钛的出色在于它有很高的强度，质量比（强度高，但是质量轻），良好的抗腐蚀性，非磁性。热膨胀和热传导系数小，抗冲击韧性（国内有的车友称之为金属还原性）和抗疲劳指数高等主要特点。材料学上，我们称钛合金为同素异形金属，因为它能呈现出不同的晶体形状。有六角形或者立方体。五、钛合金焊接 钛合金管材的敏感性：如果把钛实用于工业中，主要困难是钛对摩擦带来的损耗很敏感。简单举例就是，在高速中，链条对一片纯钛飞轮的磨损，就像焊接时产生的反应那样剧烈。我想，用这样一个化学例子来解释就会使大家明白得更加简单，但不是在吓唬人。虽然钛的六角形晶体结构使其性质优异，但是温度能让此结构有所改变（这里是化学变化，跟前面所讲的热膨胀，热传导等物理变化不属于同一范畴）。因为这个原因，我们把钛称为饱和晶体结构，因此钛合金中不能够有一点的杂质，哪怕是很小的含量。否则，在钛管的焊接线内部会出现裂口。现在我们大概知道了这些困难，那么怎么样对钛合金管材进行焊接呢。一只钛合金车架，我们不能用取近似值的态度来对待。在焊接的时候，高温的环境下，要把所有危险的范围用气体隔离，使之不被杂质“感染”。我们称之为沐浴式熔化（试想人在冲洗热水澡时，就是全身被热水包围，顾名思义）。于是，我们采用气体被称为“监督气体”。在焊接的小环境里，这种气体时惰性的。我们有两种方法来创造一个焊接环境，第一种方法是使用一个钟形罩，另一种方法是在焊接部位维持提供一种惰性气体，要求源源不断，流量丰富，持续稳定，用气流将整个环境笼罩。一般我们选用氩气和氦气，因为它们容易被提供，而且价格便宜。在用量上面，是将75%的氩气和25%的氦气混合。对于一些特殊情况，比如说焊接部分较大，为了优化效率，也会使用电弧来充当气体环境。 监督气体也不能保证能提供一个完全被气体密闭的环境，毕竟工人在手工焊接时，手套还是要接触管材。为了减小这个影响，好点的焊接工作间都会先净化空气环境，而且会在此空间内冲入大量的中性气体，这所有的一切带来的显著问题就是成本的提高（现在大家该知道为什么钛合金车架贵了吧）。 主要的焊接技术有三种，都是采用电弧。TIG（Tungstene Inert Gas 惰性钨气体焊接），这种焊接方法在上次给王木土的Lapierre资料中提到过。这里采用的是一种用钨做丝的不可熔电极。 MIG（Metal Inert Gas 惰性金属气体焊接），它使用的是线圈状的可熔电极。 PAW，这种方法暂时没有应用于自行车制造，主要用于军工。 第三章 自行车的组成部分一系统结构自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统： 1.导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。 2.驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。 3.制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶、确保行车安全。 此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。 二组成1、车体部分：包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车的主体。传动部分包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等，由人力踩动脚蹬，通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。2、行动部分：即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等。 3、安全装置：包括制动器（车闸）、车灯、车铃、反射装置等。 根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等。另外，装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。 三部件1.车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。 车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。 由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型。 2.外胎：分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。 外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。 3.脚蹬部件：脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄，牙盘，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。 脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。 4.前叉部件：前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。 转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。 前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。 5.链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。 链轮：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。 6.飞轮：飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。 单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。其单级飞轮工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。 当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。 多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。 第四章 自行车的分类一、通勤（普通）自行车一般指坤车，骑行姿势为弯腿站立式，优点是舒适度较高，长时间骑行不易疲乏。缺点是弯腿姿势不易加速，且普通自行车零件多采用非常普通的零件，也难达到很高速度。 二、公路自行车用来在平滑公路路面上使用的车种，由于平滑路面阻力较小，公路自行车的设计更大考量高速，往往使用可减低风阻的下弯把手，较窄的高气压低阻力外胎，挡位较高，且轮径比一般的登山越野车都大，由于车架和配件不许像山地车一样需要加强，所以往往重量较轻，在公路上骑行时效率很高。由于车架无需加强又往往采用简单高效的菱形设计，公路车是最为优美的自行车。 三、场地自行车用于在室内极其平滑的椭圆形赛道上使用的自行车，这种自行车没有车闸（煞车），没有变速器，且没有可逆转的飞轮。 三项赛/计时赛自行车(Triathlon/Time Trial bicycle)在三项赛和计时赛运动中使用的公路自行车，三项赛和计时赛的最大特点就是不允许使用牵引气流(draft)，也就是说选手必须完全通过自己的力量来克服空气阻力，而不须骑在其他选手后面，所以三项赛/计时赛自行车在设计时非常注重让选手保持一个减小空气阻力的骑行姿势，同时注意减小自行车自身的空气阻力。三项赛自行车还让选手在骑行时使用和跑步时相近的肌肉组，这样使从骑行到跑步的转换更容易。 四、山地自行车山地自行车起源于1977年美国旧金山。设计为骑乘于山区的车种，通常具有变速器可变换省力或快速的档位，有些会在车架安装避震器，部分的轮胎胎皮是巧克力胎纹以便于在无铺面的路面骑乘。山地车零件的尺寸一般为英制单位。车圈为24/26/29英寸，轮胎尺寸一般为1.0-2.5英寸。车架尺寸也以英制为单位，例如14、17、19来表示车架尺寸的大小。详细分为很多类别，我们常见到的一般为xc类。可变速，胎粗抓地力好适合越野，有减震系统减小颠簸。整体强度较大抗冲击能力强。相比普通自行车强力骑行时更不易损坏。 山地自行车五、速降自行车速降自行车，也称落山自行车。英文简称DH。是一种极具挑战性的活动。骑手利用特制的DH自行车在山坡上滑翔，甚至坠山来寻求刺激。活动多在山脊、矿洞、雪地等地带开展。奥地利人利用DH创造出210.4KM/H的世界纪录。速降自行车的车架角度与山地自行车有所区别，零件与山地自行车一样都为英制单位。进行此项活动时必须佩戴头盔、护甲等装备。前叉减震的行程比山地自行车及XC自行车要长。轮胎宽度一般超过2英寸。 六、斜躺自行车与传统设计上较不一样的自行车。通常有较大且舒适的座椅，两轮或三轮。优点是舒适，且风阻低。 七、旅行自行车由公路自行车发展而来，适合超远程自给自足的旅行，有较舒适放松的车架几何设计，能够负重，有很低的最低档位，使用较宽的车胎，配件选择方面追求可靠耐用而不太侧重减轻重量，往往是用山地车脚踏板。为山地演变而来。绝大部分同山地相同但配置较灵活。例如车把可以换成蝴蝶形状的可以用很多姿势来把减小长时间中的疲劳。前叉也可以装减震或不减震的。车轮可以是700c或者26寸。但刹车一般都为v刹。可以很方便的加装货架，瓦盖，驼包。总之所有的改动都是为了增加耐用性和减小在长途中疲劳感的产生。 旅行车八、越野公路车由公路自行车发展而来，起源于骑手们想用一辆自行车同时征服公路和山地，于是骑手们选用较结实的公路车架和轮子，再安装上更强的车闸和很宽的车胎，使用山地车脚踏板。越野公路车既可以在公路上实现较高速度，也有一定越野能力。 九、双人/多人自行车又称为协力车，由两人以上协同出力，由第一位控制方向。 多人自行车十、折叠车是为了便于携带与装进车内而设计的车种，有些地方的铁路及航空等公共交通工具允许旅客随身携带可折叠收合并装袋的自行车。 十一、电动自行车一种以一半电力驱动和一半人力驱动的环保电动交通工具。电动自行车可以自动侦测双脚施力状况，在需要时以适当的动力辅助踏踩，自动调节动力。在中国广州等地区，因为电池回收等问题，禁止使用电动自行车。 十二、小轮车一种专门用于极限运动的自行车，这类车为了更适合特技表演而作出了不少改造，比如更轻量化的车身，没有刹车，车把可以360旋转。 十三、死飞自行车死飞车起源于场地自行车，飞轮是固定的，向前踩车子向前，向后踩则车子向后，后有一些另类的自行车爱好者利用废弃的场地车作为工作交通工具，其在城市可以快速穿行，且价格低廉，同时需要一定的骑行技术，一般小偷无法偷走。这些特点使得它在英美等国家的自行车爱好者中很快流行开来，并成为一种街头文化。各大自行车品牌也进行跟进，开发及推广死飞车车种，使之在大众中普及开来，成为都市最流行的自行车款式。纯粹的死飞车需要一定的技术，并有危险性，所以这些厂商开发的产品，是死飞和活飞两用的，并装有刹车，以保证安全。 死飞车图片1死飞车图2。 死飞车图3第五章 自行车的性能一、基本性能自行车性能的优劣可从骑行、安全和耐用3个方面来衡量。 骑行性能与自行车的结构尺寸有关，骑行者的体材与车辆相互匹配才会骑行轻快、舒适和操纵自如。人体与车辆在A、B、C3点接触,3个点组成一个三角形，它的边长和角度是自行车的重要参数。AB和AC的长度关系到骑行者能否最有效地发挥体力。BC 的长度和位置依车型和骑行者习惯而定，它决定骑行者的姿势和舒适性。 前后轮中心距L、前叉倾斜角和前叉伸距T也是自行车的主要参数，根据车型选定。一般来说,L、T值大而值小时，车辆稳定性好，直线行驶的自复力强，但灵活性差；反之,L、T值小而值大时，车辆灵活性强而稳定性差些。L值是根据骑车人的体材来选择，一般在9001200mm；值在6575；T值决定于值。前叉翘度H通常控制在前叉转向轴线和前轮中心垂线交点J的位置,J点离地面的高度一般为车轮半径R的15%60%。另外，制造精度以及车轮重量（含轮胎）也影响骑行性能。 二、安全性能自行车骑行者的人身安全是个重要问题，各国制定有相应的标准。中国颁布的安全标准包括结构件的强度、闸车制动性能和安全装置3个方面，前者包括车架和前叉组合件的强度、车把与前叉的装配牢固度、前后车轮的强度等。 车架和前叉组合件的冲击强度：有两个测定方法。一是落重冲击试验，将组合件垂直竖起，在前叉上方180mm处置一个22.5kg的重锤，在重锤的一次冲击下，组合件的永久变形不能超过40mm,并无肉眼能见的裂纹；二是跌落冲击试验，在组件的鞍座处放置70kg的重物，使其重心移至后轴垂直位置上，自由向前跌落，经过两次重复测试，不得有肉眼能见裂纹。另外，车架和前叉还需进行侧向荷重强度试验，其负荷重量按车型而有所不同。 车把与前叉的装配牢固度：测定方法是车把装入前叉后，在车把横管（通常用试棒代替）上施加25Nm的力矩，车把不得转动。 前、后车轮的强度：测定方法是将穿好辐条并经过校正的车轮夹紧平放，在其侧向施加178N的力,1分钟后，永久变形不得大于1.5mm。 闸车制动性能：测试方法根据车辆的传动速比分为两种。一种是对行程5m或5m以上的自行车，规定试验车速为24km/h；另一种是对行程5m以下的车，车速为16km/h。制动性能有干态和模拟雨天的湿态两种。在规定的试验车速下，同时使用前、后闸，干态的制动距离不得大于5.5m,湿态的制动距离不得大于15m。 安全装置：自行车要装有车铃或车灯，还要有反射器（俗称回光）。反射器是借机动车头灯或其他外来光源照射，反射出足够强度的光线，提醒对方注意，从而保护自身。反射器有前方、侧向和后方反射器 3种。前方的为白色，后方的为红色，前轮侧向的为白色或琥珀色，后轮侧向的为白色或红色，脚蹬为白色或琥珀色。 三、耐用性能可分为内在和外表两个方面。内在的耐用性能要求保证一定的结构强度，要求对一些易磨损零件如前、中、后轴的挡碗、飞轮的齿片、链条心子和滚子以及脚闸的零件等，进行热处理渗碳淬火，以提高表面硬度。外表的耐用性能是通过电镀和涂装（油漆）防止腐蚀和增加外表美观。电镀是在车把、轮辋等原有金属表面上镀上铜、镍、铬或镍、镍、铬3层金属镀层，也可视资源情况和防锈性能要求选择其他镀层。对一些次要的小零件，则采用光亮镀锌工艺。涂装是采用高压静电的方法，对车架、前叉表面进行喷涂。油漆表面要丰满、绚丽，并具有一定的防锈性能和漆膜结合力。 四、发展趋势由于各国生活水平的差异，使用自行车的目的各不相同，有些国家的骑行者以旅游、锻炼身体以及少年儿童体育运动为主要目的，一般使用多速车、越野车和山地车；有些国家的自行车主要作为交通工具，多使用轻便车和多速车。总的来说，自行车是朝着美、轻、牢、新、廉方向发展。美是造型美观、色彩鲜艳、华丽而不俗；轻是自重轻、骑行轻；牢是强度高；新是款式新、品种多；廉是成本低、竞争力强。 第六章 自行车的骑乘及护养一、润滑自行车是量大面广的人力机械，润滑结构型式有滑动摩擦和滚动摩擦，有点摩擦和线摩擦，有流体润滑和边界润滑，有油润滑和脂润滑。 自行车的关键运动摩擦部位是中轴和前、后轴，都是使用滚珠轴承，用2号钙基润滑脂润滑。每次检修时都要将滚珠和珠槽及挡盖清洗干净，向珠槽内涂匀2号钙基润滑