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1、自行车结构vs材料工艺,工业设计,自行车概论,目 录,自行车结构,自行车原理,自行车组成零件,材料运用与工艺,重点零件材料分析选择加工工艺,最早的单车是由法国人雷斯发明的，当时叫做木马。它没有传动系统，靠两脚蹬地向前滑行，最快只能达到时速20公里。,早期自行车模型,后来苏格兰人皮埃尔发明了前轮带脚蹬的自行车。第一辆现代意义的自行车出现在19世纪末的英国。,1886年，英国的斯塔利是一位机械工程师，他所设计的自行车车型与今天自行车的样子基本一致，因此他被后人称为“自行车之父”。这种自行车后由传教士带入中国。,现代自行车,目前自行车在地势平坦的荷兰最为普及，中国是自行车王国，据统计目前中国有大约五
2、亿辆自行车。,自行车不仅为我们的生活提供了方便，而且骑自行车还成为一项流行的的竞技运动。多骑自行车还能为环保做贡献！,笼统的来讲，自行车按用途可以分为五大类别，山地车、公路车、城市车、沙滩车、小轮车。,第一类-山地车（ATB,All-Terrain Bike 或者MTB,Mountain Bike)特点：车身较轻，轮胎较宽，适应山地，复杂地形，带前避震或者前后避震，车架材质一般为铝合金或者碳纤维,特点：车身超轻，多用于公路比赛，速度快，风阻小，著名的环法比赛都是用的公路车，车架材质一般都为碳纤维,第二类-公路车（Road Bike,俗称跑车）,特点：车身轻，速度快，骑行舒适，很多坐垫杆带避震，
3、车架材质一般为铝合金。,第三类-城市车（City/Urban Bike),第四类-沙滩车（Cruiser),特点：车身较重，超级舒适（有点象哈雷），适合在海滩边骑行，城市漫游。,第五类-表演车/小轮车（BMX，Bicycle Motocross),特点：车身重，但结实，小轮车比赛用，极限运动表演，车架材质为铁质,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。,自行车的结构,一架简单的自行车有许多零件组成，现在展示一下主要的零件：,1.车架（车架的一般材质有：铁，铝合金，钛合金，碳纤维）,2.车轮（车轮由车轴（
4、花鼓），辐条，金属轮圈和橡胶外胎构成，一般轮圈和辐条都是采用不锈钢或铝合金，车轴用镀镍黄铜，外胎一般是橡胶、轮聚氨酯泡沫等）,4.前叉前叉材质也有铁的，铝合金，或者碳纤维。一般山地车都是带避震的。,3.齿盘、曲柄（铝合金、钢是常见的材料，一般表面都有抛光，喷砂处理，高级的还有烤银）,5.横把、竖杆（竖杆是连接前叉和横把的零件，铝合金、碳纤维也是横和竖杆最常用的材质）,6.把套（舒适，防滑是把套做基本的特性，材料用镀铬钢管橡胶做成）,8.脚踏（脚踏防滑脱很重要，材料有玻璃钢、塑料、铝合金、镁合金、钢、碳纤维等）,7.坐垫（由四部分组成（1）表面材料一般用布料、人造革、碳纤、真皮（2）填充及减震材
5、料有泡沫、硅胶、气垫、弹簧（3）底板用铁板、塑胶、碳纤（4）座弓 一般用普通钢、铬钼钢、钛合金、镁合金、碳纤维）,9.刹车系统（刹车内垫以前一般用石棉，不过现在因为有致癌因素被禁止了，一般是塑料加入各种金属沫陶瓷沫的复合材料。刹车方式分为V刹和碟刹两种，碟盘材质多为不锈钢。）,刹把,碟盘,10.变速转动系统（链轮采用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。,前变速,后变速,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，通过这些系统简单介绍 自行车的 工作原理：,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（
6、传动）系统：由脚蹬、中轴、链轮、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、停使、确保行车安全。,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。,自行车飞轮是驱动系统当中重要的零部件,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，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。,当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这
7、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。,其单级飞轮工作原理：,当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。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。,多级飞轮,重点分析自行车车架的材料选择,由于自行车是依靠人体自身的驱动力和
8、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。因此说自行车车架是一辆自行车的灵魂，这种说法一点都不过分。车架要承受重量，这就要求材料具备一定的强度、刚度。在工艺上面对材料的可塑性能有一定的要求，还有实际中环境中自行车在户外要风吹日晒雨淋，要求耐腐蚀性的材料。,说了车架的重要性和车架材料的要求，让我们来看看几种车架材料的性能：,弹性率决定材料的刚度，以杨氏弹性模量（GNm）来表示。,左表列出了传统使用的铬钼钢材料和近些年出现的新型材料，可以看出铬钼钢的弹性率最高，镁合金的弹性率最
9、低，弹性率越大，材料的刚度越好。,下表给出了一些材料的拉伸强度（MPa，N/mm),金属材料的抗变形和断裂的能力称为金属材料的强度，拉伸强度是指材料被拉断前承受最大载荷时的应力。在这里铬钼钢、超硬铝、钛、钛合金的拉伸强度都比较好。,密度是决定自行车重量的重要因素之一。密度低就可以做轻的车架，但是还要考虑到拉伸强度、弹性率等因素，并不是说密度低1/3重量也低1/3。这里面属铝合金、碳纤和镁合金的密度较低。,从以上三个表格看来，各个材料各有优缺点，那么这里逐个分析各种材料的优缺点，以确定材料的选择。,(3).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
10、要大型的热处理设备，成本低。,(1).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。,(2).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。,(4).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,铬钼钢车架的优点,(1).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。生锈肉压减少强度下降(应力集中)
11、。,铬钼钢车架的缺点,(2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)同样的冲击力加在各种材料上，铬钼钢薄管所发生的应力最大(容易发生疲劳而引起的破坏)。,(3).笨重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。,(1).制作质量轻的车架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。,(2)长时间使用外观不怎
12、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。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。,铝合金车架的优点,(3).需要进行热处理必需进行热处理，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。,(1).铝是弹性率及刚性低的材料，它的金属疲劳性很差。因此采用粗的管道，或者改变形状如cross-over管、padded管等。,(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
13、体上。这就使铝车架坐起来相当的颠簸，乘骑的舒适感很差。,铝合金车架的缺点,(3).接触性、生物相容性好。镁合金在生物领域的应用日益广泛，舒适的接触性，使其非常适合用于与人体紧密接触的零部件。,镁合金车架的优点,(1).高的比强度、比刚度 镁合金的抗拉强度，弹性模量低于铝合金和钢，但是镁合金的比刚度与钢、铝合金几乎相同，比强度更是优于铝合金，几乎是钢的2倍。因此，镁合金在进行自行车架设计时，通过截面变化及表面处理等手段，可以减轻镁合金性能低的不利因素，改善镁合金的使用性能。,(2).许多镁合金都具有优异的减振性能，能吸收冲击与振动。镁合金的单位减振性能比硬铝高100倍，比合金钢高20倍，比钛合金
14、高300500倍。这一特点使以镁合金为车架的自行车具有更好的骑行舒适性。,(2).压铸镁合金同时具有以下一些缺点：,镁合金车架的缺点,(1).镁的标准电极电位是-2.37V，电负性很强，耐蚀性很差。在潮湿的空气中会发生腐蚀，生成氧化膜薄层。这种薄层脆性大，疏松，耐蚀性很差，在使用过程中需要增加工艺来对其进行防护,体积收缩率大。纯镁在结晶凝固时，体积收缩率为4.2，从熔点923K降温至室温时，体积收缩率约为5。镁合金的收缩率与纯美极为接近。由于镁合金的铸造及冷却收缩率很大，铸造镁合金会产生微孔，铸件具有低韧性和高缺口敏感性。压铸镁合金的试模成本较高，试模时间较长。大多数镁合金零件的原始设计不是镁
15、合金,而是铝合金、钢板冲压和塑料件,(2).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)。,钛合金车架的优点,(1).可以制作轻量而强度大的车架纯钛金属的强度更高。在钛金属中添加铝和钒，弹性更高(和铝比较)，也有利于设计。,(3).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。,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
16、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。,钛合金车架的缺点,(2).冲击吸收性好碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿，或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能，制作不用避震器的自行车。如S
17、COTT厂的ELEVATED车架是著名的。但是各个厂家之间的品质差异较大，有的很硬，因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。,碳纤维车架的优点,(1).可以制作重量轻的车架碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻，这是它的密度和强的拉伸强度构成的。捷安特的碳纤维车架非常轻，2000年的型号1.2kg重,(3).可以制造各种形状的车架碳纤维的基本成型方法是，在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固。可以制成各种形状的车架。如TREK的Y车架是著名的。,(1).复杂的应力计算构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性
18、、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。加工技术各厂家各异，应选择有经验而可*厂家的制品是很重要的。,碳纤维车架的缺点,(3).难于更改尺寸由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。,(2).老化使用树脂因此会不会老化？这是一个存在的课题，它放置在阳光下时会逐渐变白。当然这种现象关系到厂家的技术。最好不要放置在阳光下。,已经介绍了几种自行车材料，总地来说，骑感好的是铬钼钢制的、要轻的是铝制的，冲击吸收性最好的是碳纤。钛合金制的上述各种性能都不是最好的，但是为什么对它感兴趣呢？因为钛金属是有前途的金属。,材料的选择,铬钼钢已经使用了很久，对它的研究也最多，除非有什么突破，铬钼
19、钢的前途可想而知的了。使用适正厚度的管道时重量是会增加，但是不容易引起金属疲劳，这种车能带给车手极佳的骑感。有些自行车竞技必需用铬钼钢制的车子，因为它很结实，容易操作。这种车子才是铬钼钢本来的面貌。有些薄壁的铬钼钢车子，金属表面很容易凹进去，那种车子是不行的。单纯地追求薄壁的管道的现在，铬钼钢应该走自己的道路，充分发挥其优势，否则很可能被其他材料淘汰。,下列讨论一些材料的情况,自行车用铝管，当前的设计方针很危险，铝是没有疲劳极限，为了降低应力应该增加厚度。但是为了单纯地谋求薄壁，使用强勒的新合金来制作车架。从外观来看这些制品使人引起很不错的错觉，但是疲劳寿命将是如何呢？铝管的薄壁程度已经到了极
20、限，不可能再薄下去。结果它的命运将和铬钼钢一样。进一步来说，骑车摔倒时，因它塑性变形量少，破断时很可能发生一口气的脆性破坏。今后铝制自行车向那一个方向发展呢？我认为可能会成为比赛专用自行车的素材。若用铝制自行车来练习，一定会感觉到性能的降低显著。,碳纤维制自行车是有前途的，说他最有前途是针对比赛用车来说的，毕竟它的价格过高。通过应力计算会找到最适合的加工条件。另外是信心问题，假若厂家应该提供可信赖的割裂、耐用等数据时，需要量会增加。,钛管还有发展的余地，强度可能会超过铬钼钢，现在已能制造1.5kg的车架，将来一定会出现1kg的车架，钛必定会夺去铝的“轻量王”的宝座。另外，钛不需要涂漆，可减少这
21、部分的重量(2040g)。因为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，所以我认为将来最理想的是钛制自行车。随着技术的日益成熟，钛合金的价格也会降下来吧！,镁合金作为目前密度最小的金属结构材料镁合金突出的优异性能受到了自行车生产厂家与客户的青睐，逐渐被各大公司应用于自行车的零部件生产。近年来，国内外的许多公司纷纷开始了镁合金自行车架的研发，许多知名厂商已经成功地生产出性能优越的镁合金车架自行车并投入使用，取得了很好的效果。,简述一下车架的加工工艺流程,一般来说，金属材料的成型工艺有这么几种：铸造工艺（主要包括熔模制造、离心铸造和
22、压力铸造）、冲压工艺、锻造工艺、轧制工艺、挤压与拉拔工艺等。,对于自行车架来说，一般采用铸造工艺和冲压工艺,熔模铸造工艺过程,设计制造压型,压制模型,配置蜡料,脱脂并挂涂料撒沙,配置涂料,硬化,配置硬化剂,熔焊模蜡组,制浇口棒,蜡料回收,溶失蜡模,高温焙烧,浇注,合金熔炼,清理检验,合格铸件,装箱填沙,冷冲压工艺是指在常温下对金属板材施加外力，使其产生塑性变形或得以分离，从而获得一定尺寸和形状并保证有一定外观和强度性能的零件的加工方法。这种加工工艺方法适用于低碳钢、合金钢、铜、铝、镁及其合金的金属板材。冷冲压有三道工序，分离工序、变形工序、复合工序,金属与金属的连接,制作出来的各个部分零件用焊
23、接的方式连接起来制成车架一般有锻焊、冷压焊、气焊、铝热焊等。,压铸镁合金已经经历了数十年的发展，目前，绝大部分镁合金的应用部件是压铸件。镁合金用于压铸具有很多优点：（1）生产效率高，表面质量好，易成形，有时甚至可以取消随后的机加工。（2）制造成本低。镁合金具有低熔化潜热，低比热，低溶铁性，可以使用任何铸造工艺来成形。（3）压铸镁合金寿命长，镁合金熔化和压铸时不与铁反应,因此其熔化耗能少,凝固速度快,压射周期短,同时镁合金不冲击钢模和工具，使压铸型寿命长达20万次以上5。镁合金粘度很小，利于脱模。,关于镁材料,车架更新换代非常快，压铸件的铸模成本很高。而焊接的车架易于设计和成形，因此采用变形镁合
24、金弯曲成车架是一种非常经济的方法。因此镁合金车架材料应具有高的挤压能力和焊接能力。目前许多焊接方法已经可以容易地将镁合金焊接成车架，因此焊接将是镁合金车架的主要成形方法。焊接的效率非常高，因此许多镁合金都不需要进行热处理，这样使加工控制很稳定，成本较低。,焊接法,钛合金这种难于加工的特性，却恰恰是它能用于制造高性能自行车的原因之一。钛金属具有良好的冷加工特性，冷加工就是在室温下使金属产生永久形变而成形的过程。冷加工过程实际上会提高材料的硬度和抗疲劳性。这种加工方法为车架制造带来的好处就在不增加重量的前提下，提高车架的强度！,当设计高性能自行车架时以上的每个因素都非常重要，因为真正高性能车架必须综合考虑以上的各种材料特性，使它们很好的结合在一起。,关于钛合金,我相信自行车的发展定会越来越好！,
