近年來， 電動(dòng)自行車的產(chǎn)量不斷增長， 年銷售已經(jīng)接近3， 000 萬輛， 它的普及對(duì)低碳環(huán)保、 緩解城市交通壓力作出了突出貢獻(xiàn)。電動(dòng)自行車從最初類似于摩托車的“笨重型” 結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在可折疊、 輕量化、 時(shí)尚化的簡(jiǎn)易型結(jié)構(gòu)， 新材料在車架中的應(yīng)用起決定性作用， 目前電動(dòng)自行車車架材料的發(fā)展方向是輕量化、 高強(qiáng)度、 舒適性和低成本。本文結(jié)合車架對(duì)材料機(jī)械性能的要求分析目前電動(dòng)自行車車架材料的發(fā)展現(xiàn)狀， 比較電動(dòng)自行車車架各種材料的主要優(yōu)缺點(diǎn)， 并展望車架材料在未來的發(fā)展前景。

    一、 電動(dòng)自行車車架材料的機(jī)械性能

    電動(dòng)自行車車架目前采用的材料有鋼、 鋁合金、 鈦合金、碳纖維、 鎂合金等， 其機(jī)械性能如表 1 所示。

    密度是影響車架重量的主要因素， 相同體積時(shí)， 材料的密度越低， 車架的重量就越輕， 由表 1 可知， 鉻鉬鋼的密度最高， 碳纖維復(fù)合材料的密度最低；彈性系數(shù)則決定了車架的剛性， 彈性系數(shù)越高， 車架的剛性越大， 對(duì)比表 1 中楊氏彈性模量， 鉻鉬鋼的剛性最大， 鎂合金的剛性最小， 當(dāng)管徑和壁厚一樣時(shí)， 鈦合金車架的剛性是鋼車架的二分之一， 鋁合金車架的剛性是鋼車架的三分之一， 鎂合金車架的剛性只有鋼車架的四分之一；抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度則決定了車架的強(qiáng)度，表 1 的幾種材料中， 碳纖維的強(qiáng)度最高， 鋁合金的最低， 相比較之下， 鋁合金車架顯得比較脆弱。

    二、 電動(dòng)自行車車架材料分類比較

    （一）鋼。鋼是電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最廣泛的材料， 它在車架中的應(yīng)用歷史最久， 加工技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前車架中應(yīng)用最多的鋼材有碳素結(jié)構(gòu)鋼和鉻鉬鋼， 其中， 鉻鉬鋼占主導(dǎo)地位。與其它材料相比， 鋼的優(yōu)點(diǎn)很多：一是強(qiáng)度大。相同體積的鋼材強(qiáng)度比碳纖維復(fù)合材料差， 但與鈦合金相當(dāng)， 比鋁合金和鎂合金的強(qiáng)度要大很多， 用較少的材料就可以制作強(qiáng)度較大的車架；二是壽命長。鋼的疲勞強(qiáng)度大，鋼架的壽命比鋁合金架等長的多；三是加工性能好。鋼架的加工工藝最為完善， 尤其適合抽管加工；四是焊接性能好。

    鋼材比鈦合金、 鋁合金容易焊接， 且焊接后的缺陷少， 不需要熱處理；五是騎感舒適。鋼架有彈性， 沖擊吸收性能好， 可以吸收騎行過程中路面引起的車身震動(dòng)， 提高騎行的舒適性；六是成本低。鋼材的價(jià)格便宜， 它的成本優(yōu)勢(shì)是其它幾種材料無法比擬的。但鋼材在車架中的應(yīng)用也有明顯的缺點(diǎn)：一是重量大。隨著鋼材性能的改良和加工技術(shù)的進(jìn)步， 車架用鋼管厚度不斷減小， 但與鋁合金、 碳纖維復(fù)合材料車架相比，差距依然較大；二是應(yīng)力集中。主要發(fā)生在焊縫處， 容易引起金屬疲勞；三是易生銹。車架用鋼材含鉻量低于 1. 5%， 容易生銹， 使鋼材的強(qiáng)度大幅度下降， 最終降低使用壽命。

    （二）鋁合金。鋁合金是指由純鋁與鎂、 硅、 銅、 鋅等金屬組成的合金， 具有密度小、 塑性好、 耐腐蝕性高等優(yōu)點(diǎn)， 普遍應(yīng)用于輕量化電動(dòng)自行車的車架材料， 使用量?jī)H次于鋼材，主要有 6061（Al － Mg － Si）和 7005（Al － Zn － Mg － Cu）兩種。

    鋁合金車架的優(yōu)點(diǎn)有：一是重量輕。鋁的密度小， 雖然抗拉強(qiáng)度是鋼的二分之一， 剛性僅為鋼的三分之一， 但通過熱處理技術(shù)或適當(dāng)增加鋁管的壁厚， 就能輕易滿足車架強(qiáng)度的需求， 車架重量依然遠(yuǎn)低于鋼架；二是表面美觀， 耐腐蝕。鋁合金本身非常容易氧化， 但鋁合金氧化后形成致密的 Al ₂ O ₃ 的膜， 該氧化膜達(dá)到一定厚度時(shí)可以保護(hù)基體， 防止繼續(xù)腐蝕，且氧化膜近乎無色， 外觀不容易發(fā)生變化， 增加表面美觀性。

    鋁合金車架的缺點(diǎn)有：一是熱處理。鋁合金材料的強(qiáng)度低，使用前必須進(jìn)行熱處理， 增加了工藝的復(fù)雜性和加工成本；二是部分型號(hào)焊接困難。7000 系列的鋁合金強(qiáng)度高， 無需熱處理， 但很難焊接， 直接限制了它在車架上的應(yīng)用；三是騎行舒適感差。鋁合金材料彈性系數(shù)小， 剛性低， 無法吸收騎行時(shí)車架的震動(dòng)， 導(dǎo)致騎行舒適感差。

    （三）碳纖維。碳纖維（carbon fiber， 簡(jiǎn)稱 CF）是一種含碳量在 95%以上的高強(qiáng)度、 高模量纖維的新型纖維復(fù)合材料， 是用碳纖絲編織成布， 預(yù)浸樹脂后成為預(yù)浸布， 然后將多層預(yù)浸布在模具中加熱成型。碳纖維的優(yōu)點(diǎn)是：一是重量輕， 強(qiáng)度大。碳纖維 “外柔內(nèi)剛” ， 其密度遠(yuǎn)低于鋁合金材料，但抗拉強(qiáng)度卻遠(yuǎn)大于鋼材， 剛性好， 不彎曲；二是整體成型。

    可以利用模具一體成型， 增加了車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度；三是良好的耐腐蝕性。碳纖維中的樹脂材料耐酸堿腐蝕能力強(qiáng)；四是抗震性好。碳纖維材料由于自振頻率較高， 具有較大的阻尼， 可以吸收沖擊力， 減輕車架的震動(dòng)。碳纖維的缺點(diǎn)有：一是制造成本高。這是制約碳纖維材料在車架領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素；二是應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜。剪切強(qiáng)度較弱導(dǎo)致碳纖維車架在加工前要通過復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算來確定碳纖維的排列方向；三是高分子材料的老化。碳纖維材料所采用的樹脂材料會(huì)隨風(fēng)吹日曬發(fā)生老化， 逐漸影響車架的性能。

    （四）鈦合金。鈦合金廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域， 它綜合了鋁合金和碳纖維的優(yōu)點(diǎn)， 最突出的就是高強(qiáng)度和低密度，密度不到鋼材的二分之一， 強(qiáng)度比鋼還要高， 疲勞強(qiáng)度是鋼的兩倍， 因此鈦合金車架具有重量輕、 強(qiáng)度高、 韌性好、 耐腐蝕、 壽命長的優(yōu)點(diǎn)。目前車架材料主要采用 T i6Al4V 和Ti3Al2. 5V 兩種。鈦合金車架的缺點(diǎn)有：一是價(jià)格高。鈦是地球上含量比較豐富的元素， 在自然界中主要以二氧化鈦的形式存在， 提煉較為困難， 價(jià)格昂貴；二是加工困難。鈦合金本身強(qiáng)度高， 高溫時(shí)容易與氫、 氧、 氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硬度更高的鈦化物， 導(dǎo)致加工工藝復(fù)雜。

    （五）鎂合金。鎂合金是以鎂為基體金屬加入其他元素組成的合金， 廣泛應(yīng)用于航空航天、 汽車、 電子等行業(yè)， 目前應(yīng)用最廣泛的是鎂鋁合金。與其它材料比較， 鎂合金材料的優(yōu)勢(shì)明顯：一是重量輕。鎂合金的密度小， 比重是所有金屬結(jié)構(gòu)材料中最低的， 可以有效減輕車架的重量；二是比強(qiáng)度、 比剛度高。鎂合金的比剛度與鋁合金和鋼相當(dāng)， 比強(qiáng)度則明顯高于鋁合金和鋼。三是優(yōu)異的減震性。在彈性范圍內(nèi)， 鎂合金受到?jīng)_擊載荷時(shí)， 吸收的能量是鋼的 20 倍， 鋁合金的 100 倍， 鈦合金的 300 倍， 鎂合金車架的騎行舒適性較高；四是加工性能好。鎂合金熔點(diǎn)比鋁合金熔點(diǎn)低， 容易壓鑄成型。

    鎂合金的缺點(diǎn)比較突出：一是焊接性能差。鎂合金的熱膨脹系數(shù)高， 易變形開裂， 焊接過程中容易與氧氣、 氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)；二是耐腐蝕性較差。鎂合金與鋁合金一樣， 極易發(fā)生反應(yīng)生成氧化膜， 但 MgO 膜比較疏松， 對(duì)基體金屬無保護(hù)作用， 需要用電鍍、 陽極氧化等方法增強(qiáng)耐腐蝕性。

    三、 電動(dòng)自行車車架材料展望

    雖然鋼材由于價(jià)格原因在電動(dòng)自行車的車架應(yīng)用上最為廣泛， 但車架朝輕量化發(fā)展的趨勢(shì)不會(huì)改變， 未來隨著新材料的發(fā)展、 加工水平的提高和成本的降低， 鋼材的主導(dǎo)地位終將讓出。鈦合金和碳纖維材料的成本在未來較長一段時(shí)間內(nèi)很難降低， 對(duì)應(yīng)的車架只能出現(xiàn)在高端產(chǎn)品方面。鋁合金和鎂合金材料將是推翻鋼材霸主地位的主力軍。

    鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的元素之一， 我國鎂礦資源約占世界的 60%， 巨大的儲(chǔ)存量決定了鎂合金在未來市場(chǎng)上必將走向經(jīng)濟(jì)化、 大眾化。鎂合金的低密度、 高比剛度和比強(qiáng)度使車架在輕量化方面取得長足的進(jìn)步。雖然鎂合金材料有較大的熱導(dǎo)率、 電導(dǎo)率、 膨脹系數(shù)以及較強(qiáng)的化學(xué)活性等，使得鎂合金的焊接面臨一系列的問題， 制約鎂合金在車架上的推廣應(yīng)用， 但隨著技術(shù)的進(jìn)步、 生產(chǎn)工藝的完善和成本的降低， 鎂合金材料必然會(huì)廣泛應(yīng)用在電動(dòng)自行車的車架上。

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