近年來， 電動自行車的產量不斷增長， 年銷售已經接近3， 000 萬輛， 它的普及對低碳環保、 緩解城市交通壓力作出了突出貢獻。電動自行車從最初類似于摩托車的“笨重型” 結構發展到現在可折疊、 輕量化、 時尚化的簡易型結構， 新材料在車架中的應用起決定性作用， 目前電動自行車車架材料的發展方向是輕量化、 高強度、 舒適性和低成本。本文結合車架對材料機械性能的要求分析目前電動自行車車架材料的發展現狀， 比較電動自行車車架各種材料的主要優缺點， 并展望車架材料在未來的發展前景。

    一、 電動自行車車架材料的機械性能

    電動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， 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， 碳纖維復合材料的密度最低；彈性系數則決定了車架的剛性， 彈性系數越高， 車架的剛性越大， 對比表 1 中楊氏彈性模量， 鉻鉬鋼的剛性最大， 鎂合金的剛性最小， 當管徑和壁厚一樣時， 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；抗拉強度和屈服強度則決定了車架的強度，表 1 的幾種材料中， 碳纖維的強度最高， 鋁合金的最低， 相比較之下， 鋁合金車架顯得比較脆弱。

    二、 電動自行車車架材料分類比較

    （一）鋼。鋼是電動自行車產業中應用最廣泛的材料， 它在車架中的應用歷史最久， 加工技術也已經相當成熟。目前車架中應用最多的鋼材有碳素結構鋼和鉻鉬鋼， 其中， 鉻鉬鋼占主導地位。與其它材料相比， 鋼的優點很多：一是強度大。相同體積的鋼材強度比碳纖維復合材料差， 但與鈦合金相當， 比鋁合金和鎂合金的強度要大很多， 用較少的材料就可以制作強度較大的車架；二是壽命長。鋼的疲勞強度大，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， 提高騎行的舒適性；六是成本低。鋼材的價格便宜， 它的成本優勢是其它幾種材料無法比擬的。但鋼材在車架中的應用也有明顯的缺點：一是重量大。隨著鋼材性能的改良和加工技術的進步， 車架用鋼管厚度不斷減小， 但與鋁合金、 碳纖維復合材料車架相比，差距依然較大；二是應力集中。主要發生在焊縫處， 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、 耐腐蝕性高等優點， 普遍應用于輕量化電動自行車的車架材料， 使用量僅次于鋼材，主要有 6061（Al － Mg － Si）和 7005（Al － Zn － Mg － Cu）兩種。

    鋁合金車架的優點有：一是重量輕。鋁的密度小， 雖然抗拉強度是鋼的二分之一， 剛性僅為鋼的三分之一， 但通過熱處理技術或適當增加鋁管的壁厚， 就能輕易滿足車架強度的需求， 車架重量依然遠低于鋼架；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， 該氧化膜達到一定厚度時可以保護基體， 防止繼續腐蝕，且氧化膜近乎無色， 外觀不容易發生變化， 增加表面美觀性。

    鋁合金車架的缺點有：一是熱處理。鋁合金材料的強度低，使用前必須進行熱處理， 增加了工藝的復雜性和加工成本；二是部分型號焊接困難。7000 系列的鋁合金強度高， 無需熱處理， 但很難焊接， 直接限制了它在車架上的應用；三是騎行舒適感差。鋁合金材料彈性系數小， 剛性低， 無法吸收騎行時車架的震動， 導致騎行舒適感差。

    （三）碳纖維。碳纖維（carbon fiber， 簡稱 CF）是一種含碳量在 95%以上的高強度、 高模量纖維的新型纖維復合材料， 是用碳纖絲編織成布， 預浸樹脂后成為預浸布， 然后將多層預浸布在模具中加熱成型。碳纖維的優點是：一是重量輕， 強度大。碳纖維 “外柔內剛” ， 其密度遠低于鋁合金材料，但抗拉強度卻遠大于鋼材， 剛性好， 不彎曲；二是整體成型。

    可以利用模具一體成型， 增加了車架結構設計的自由度；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；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。碳纖維的缺點有：一是制造成本高。這是制約碳纖維材料在車架領域廣泛應用的關鍵因素；二是應力計算復雜。剪切強度較弱導致碳纖維車架在加工前要通過復雜的應力計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隨風吹日曬發生老化， 逐漸影響車架的性能。

    （四）鈦合金。鈦合金廣泛應用于航空航天領域， 它綜合了鋁合金和碳纖維的優點， 最突出的就是高強度和低密度，密度不到鋼材的二分之一， 強度比鋼還要高， 疲勞強度是鋼的兩倍， 因此鈦合金車架具有重量輕、 強度高、 韌性好、 耐腐蝕、 壽命長的優點。目前車架材料主要采用 T i6Al4V 和Ti3Al2. 5V 兩種。鈦合金車架的缺點有：一是價格高。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， 價格昂貴；二是加工困難。鈦合金本身強度高， 高溫時容易與氫、 氧、 氮發生化學反應形成硬度更高的鈦化物， 導致加工工藝復雜。

    （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， 廣泛應用于航空航天、 汽車、 電子等行業， 目前應用最廣泛的是鎂鋁合金。與其它材料比較， 鎂合金材料的優勢明顯：一是重量輕。鎂合金的密度小， 比重是所有金屬結構材料中最低的， 可以有效減輕車架的重量；二是比強度、 比剛度高。鎂合金的比剛度與鋁合金和鋼相當， 比強度則明顯高于鋁合金和鋼。三是優異的減震性。在彈性范圍內， 鎂合金受到沖擊載荷時， 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。鎂合金熔點比鋁合金熔點低， 容易壓鑄成型。

    鎂合金的缺點比較突出：一是焊接性能差。鎂合金的熱膨脹系數高， 易變形開裂， 焊接過程中容易與氧氣、 氮氣發生反應；二是耐腐蝕性較差。鎂合金與鋁合金一樣， 極易發生反應生成氧化膜， 但 MgO 膜比較疏松， 對基體金屬無保護作用， 需要用電鍍、 陽極氧化等方法增強耐腐蝕性。

    三、 電動自行車車架材料展望

    雖然鋼材由于價格原因在電動自行車的車架應用上最為廣泛， 但車架朝輕量化發展的趨勢不會改變， 未來隨著新材料的發展、 加工水平的提高和成本的降低， 鋼材的主導地位終將讓出。鈦合金和碳纖維材料的成本在未來較長一段時間內很難降低， 對應的車架只能出現在高端產品方面。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%， 巨大的儲存量決定了鎂合金在未來市場上必將走向經濟化、 大眾化。鎂合金的低密度、 高比剛度和比強度使車架在輕量化方面取得長足的進步。雖然鎂合金材料有較大的熱導率、 電導率、 膨脹系數以及較強的化學活性等，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用， 但隨著技術的進步、 生產工藝的完善和成本的降低， 鎂合金材料必然會廣泛應用在電動自行車的車架上。

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