[转帖]车架的材质、性能及舒适度

宋松

单车旅行观点看车架材质
Frame Materials for the Touring Cyclist————by Sheldon "Totally Tubular" Brown

(原著链接：http://www.sheldonbrown.com/frame-materials.html)
译者：sanjen 20031030

你知道吗？
- 铝制车架骑起来最不舒服？
- 钛车架又软又滑？
- 钢制车架有比较好的骑乘品质但会随着年代的久远而变形？
- 英格兰的Queen Elizabeth 是国际毒品交易的首脑？
其实，以上皆非。
长久以来有为数众多的关于车架材质的说法其实是错误的。事实的真象是，只要选择了合适的管径、管壁厚度及车架几何，用任一项现有的车架材料，都可以建造出符合你对骑乘品质要求的车架。

刚性、强度和重量
强度和刚性是大家经常搞错的二个特性，要暸解不同材质车架间的差异，有必要弄清楚这二个特性的差异。假设一根金属棒的一端固定在夹具上，另一端加上一定的重量使得这根金属棒暂时弯曲，当把那个重物移开时，金属棒立即回复原来的型状。同样的重量加诸于不同材料时，会产生不同的弯曲程度，这就是刚性。另假设挂在金属棒另一端的重量，重到足以使金属棒产生永久的变形，也就是说，当移开重物时，金属棒仍然呈现弯曲，无法完全回复原状，即所谓的降伏(yield)。使材料达到降伏的力量因材料不同而不同，这就是所谓的强度。

刚性(Stiffness)
刚性影响车架的骑乘品质，因为车架最怕在正常骑乘时发生变型。刚性决定于材料的弹性系数，而相当重要的是弹性系数和金属的品质及其合金的成份无关。举例来说，所有种类的钢，基本上具有相同的弹性系数。

强度(Strength)
强度和车架的耐用度相关但和骑乘品质无关。强度(strength)由材料的降伏强度(yield strength)决定。降伏强度和车架管材的品质、热处理制程及合金成份(某些品牌型式)有相当大的关系。

重量(Weight)
除了强度和刚性之外，重量也是一个议题。和刚性一样，重量受到材料合金成份的影响相当轻微。即便你的车架贴着"Lite Steel TM"(轻量化钢材)，事实上，所有的钢材几乎具有相等的重量。

这儿有三种常见车架材质的一些特性。

弹性系数(刚性)　降伏点　　　　重量
铝　10-11　　　11-59(4-22退火后)　168.5
钢　30　　　　　46-162　　　　　　490
钛　15-16.5　　　40-120　　　　　　280

要注意，刚性和重量和材料的品质、热处理或合金成份无关。举例来说，所有的车用钢管，从大卖场的廉价单车到价值数千美元的单车都有相同的弹性系数30，以及490的重量。
任何告诉你某种特定品牌的钢(或铝、钛)会更轻或有更佳刚性的人，都是在膨风。在不同品质(同一材质)的管材之间，差异的是降伏强度，而非重量或刚性。由上表得知，当管径、壁厚相同时，铝制车架的刚性只有钢制车架的三分之一，钛制车架也只有钢制车架的二分之一的钢性。铝的降伏值和钢或钛相较之下显得相当脆弱，代表它比较容易损坏。在重量方面，同样规格的铝制车架只有钢制车架的三分之一，钛制车架约为钢制车架重量的二分之一。
以上谨是一般性比较，并没有太大的意义，因为没有人会用同样的规格来打造这三种不同材质的车架。
实际的单车依材料的特性加入计算，选择组成车架的每支管材的管径和壁厚。这时和车架刚性主要相关的为管径，和强度主要相关的则为管材壁厚(管径也会有相关)，而管径和壁厚则影响了车架重量。
车架制造商必须衡量不同管径、壁厚和车架刚性、强度、重量的关联，作取舍。

钢与钛
回到上表，你可以发现钛制车架和钢制车架几乎具有同样的强度，但只有钢制车架的一半重量和一半刚性。这样的车架由于刚性变小，特别是在负重长途骑乘时，会感到有点滑溜。车架制造商可以用较大的管径来加强刚性，虽然会增加一点重量，但仍会比一般的钢制车架来得轻。

钢与铝
通常铝制车架的刚性及重量会只有钢制车架的三分之一，强度则只有一半，这也是为什么铝制车架明显地会比较粗比较厚的缘故，只因为了要得到适度的强度和刚性，而这样的车架还是比钢制车架来得轻。

大且簿的管材
大管径的优点也可以适到到钢材上，但实际上有个限制。如果用二英吋直径的钢管来建造车架，可以建造出钢性超出任何人需求的车架，并且只要管壁抽得够薄，也可以非常轻。那为什么没有任何厂家这么做？有二个原因：
- 管壁越薄，就越难接合得好，看一般双抽的管材就可以发现，中间可以较薄，两端较厚便于焊接。
- 另外，如果管壁太薄，会很容凹陷，在表面焊接一些配线端点也会得不到合适的支撑。

刚性和骑乘品质
很多人引导你相信车架刚性和骑乘品没多大相关，我们来看看一些不同的观点：

‧扭转和侧面刚性(Torsional/lateral stiffness)
这主要和由踏板而来的力量有关。任何车架在踏板施力时在五通管处会有弹力来对抗。这种弹力可以感受得出来，许多骑士认为这会消耗踩踏的力量。其实，这并不是真的，因为车架的金属是非常有效率的弹簧，力量终究会回馈回来，所损失的相当轻微。但是大部分的骑士觉得这种弹性的感觉并不太愉快，并且偏好这部分能更稳固的车架，尤其是身高体重的骑士或喜欢站起来抽车的人，会特别重视。
车架的后三角是单车旅行者对车架刚性要求的另一个区域，因为单车旅行通常会在车后附挂行李。如果车架的后三角太有弹性，骑起会感觉滑溜，高速行驶时也会产生危险。当然大部分的弹性来自于货架，但后上叉若有足够的刚性就可以改善这种滑溜的状况。

‧垂直刚性(Vertical stiffness)
(由于这篇文章是探讨车架，着重点是在于路面的震动由后轮轮胎传达到座垫。至于手把感受到的骑乘品质，决定于前叉、车架几何和一些配件的弹性，和车架材质的选择无关)
有许多关于垂直刚性和不同车架材质中间关联性的老生常谈，有些人说某类车架可以吸收路面震动，让你骑起会感到比较舒服，有的人则说会让你骑起来难过并且可以感受到柏油路面的每一个细碎坑洞。其实这些说法都是没有根据的，或者这些感受根本不是来自于车架。
撞击力由车胎、轮组、后上叉、座管、座垫支架传达至座垫，当你遇到撞击力时，这些部位会扩大或减小撞击力感受的程度。
最大的弹性来自于轮胎，其次应该是座垫。如果你的座管拉得很高，座管产生的弹性也值得注意。好轮胎的吸震品质无庸置疑，我们想谈的是后上叉(seat stays)。后上叉(这整个撞击力传达系统唯一属于车架的部分)的位置直接承受来自地面的力道，顺着它的方向，即使最轻最细的后上叉刚性都相当强（原文so stiff，貌似矣错了，应该直译为“如此硬”更好些？），对吸震的贡献根本不值得一提（刚性强...吸震无贡献？不明白）。
有一种情况车架的弹性可能对吸震会贡献，亦即当座管抽得相当长，座管的一端仅有一小段插在车架的立管内，这可能会造成立管末端有些轻微的弯曲。但即使是这样，也只是因座管外露长度造成的一点点弹性。
车架后三角的设计和路面的震动会有些影响，这是为什么旅行用单车倾向设计有较长的后下叉，这样的设计使得骑士的位置会在后轮的前面。较短的后下叉会骑起来较不舒适，就好像坐巴士时若坐在最后端会颠得最厉害，因为那个位置直接承受路面的颠簸。

舒适从何而来
如果你是在找寻一辆骑乘舒适的车，把焦点放在车架的材质是错误的。各式单车提供舒适骑乘的方法各不相同，但可归纳为以下主要几项：

- 轮胎的选择，较宽、较软的轮胎对骑乘舒适的影响远大于车架，不幸的是，许多新的运动单车在轮胎的搭配上并未好好的设计。请参考我(Sheldon Brown)关于轮胎的文章。
- 座垫，请参考我关于座垫的文章。
- 车架几何，一般而言，后下叉较长、立管和头管间的角度较小会比较舒适。这并不会减慢车速，但会使操控性变差。
- 骑乘位置，请参考我关于骑乘时疼痛的文章。

碳纤维
碳纤维是越来越受欢迎的材质，但在建造车架上它和金属管材有些基本上的不同。因为纤维有其纹理而金属则无。一个设计良好的碳纤维车架，会在受力最大的方向作最适当的纤维网络排列，以提供最大的强度。
不幸的是，在单车的应用上，和金属管材相较下，碳纤维并不是一项完全成熟的技术。单车可能承受来自各个方向的力道，即使使用计算机仿真，仍无法完全预知各方向所承受的程度。碳纤维具有相当大的潜力，但目前仍未见到，有人展示出可以负重长途旅行并且具有相当可靠度和耐用度的碳纤维车架。特别是其和金属接着的部位，例如前叉末端、五通管、头管等，是它比较脆弱的地方。这些部位可能会因时间久了而被侵蚀，以致损坏。
在车架几何方面，没有一个结构形状会和三角型一样强固。钻石型车架由二个三角型组成，这种设计的优雅和简洁，几乎没有再改进的空间。过去一个世纪来已有数十亿辆钻石型车架的单车，并且有数十万聪明的人士花了数十亿小时想要使他们脚下的单车更有效率。钻石型车架可以说已经演进得几近于完美，我有时会骑一架1916年建造的Mead Ranger，它比现代任何一个车架都重，但它的骑乘品质和我所有的单车一样好。
如果在车架的设计上有任何改进，可会来自于完全不同的建造程序，例如碳纤维或是镁，或是完完全全不同型式的设计，例如斜躺车。

维修的容易度
任何上述的材质，用来在已开发国家作短到中距离的旅行，都很合适。钛，除了太昂贵外，可能是最耐久的材质，但铝或钢会更好。就我目前所知，没人生产碳纤维的旅行车。
如果在开发中或第三世界国家作长途旅行，钢仍然是最佳的选择，因为即使损坏了，任何懂得焊接的人都可以将它修复。

　
感谢耀樟来e-mail对如下问题更深入的澄清：

一、弹性系数(刚性)…基本上弹性系数和刚性是成反比的关系，所以”(刚性)”此一句应该删除比较恰当，否则会误导以为弹性系数和刚性是相同的名词。

二、文章内容提到…由上表得知，当管径、壁厚相同时，铝制车架的”刚性”只有钢制车架的1/3…”刚性”此一名词应修正为强度会比较恰当些；几乎所有的材料的弹性系数和刚性是成正比关系，但其关系不刚好是和弹性系数的关系；而且材料刚性的计算式=弹性系数X材料断面积/材料长度，只有在相同管径及厚度条件之下，才会如原著的文章会和弹性系数是成相同的比例关系。不然以弹性系数来看车架的刚性，应该是铝的骑乘感觉会比较硬朗才对，但实则不然，其原因是因为刚性和车架的断面积有直接的关系，设计厂才会加大管材管径及管的断面形状(如蛇管)来改变刚性；好的设计铝管其刚性是会大于钢制车架是没错，其强度(降伏点)就如原著，就要看每家厂商用的材料有不一。

若以我的骑乘习惯来评估：

1. 骑乘感偏硬朗 钪铝合金及铝合金车架

2. 低重心 因为五通管是是厂商的设计几何很难要求，所以我们会要求立管高度

3. 翻山越岭跋山涉水(轻量化) 钛合金车架最适合，其次为钪及铝合金也都不错，但因高级车架都会抽管，铝/钪合金不小心很容易撞凹

4. 林道高速下坡过弯 卡梦/钛/钢吸震都不错

5. 不善保养 除了钢之外，其它较无氧化问题