电动自行车车架材料应用分析

  近年来， 电动自行车的产量不断增长， 年销售已经接近3， 000 万辆， 它的普及对低碳环保、 缓解城市交通压力作出了突出贡献。电动自行车从最初类似于摩托车的“笨重型” 结构发展到现在可折叠、 轻量化、 时尚化的简易型结构， 新材料在车架中的应用起决定性作用， 目前电动自行车车架材料的发展方向是轻量化、 高强度、 舒适性和低成本。本文结合车架对材料机械性能的要求分析目前电动自行车车架材料的发展现状， 比较电动自行车车架各种材料的主要优缺点， 并展望车架材料在未来的发展前景。

  一、 电动自行车车架材料的机械性能

  电动自行车车架目前采用的材料有钢、 铝合金、 钛合金、碳纤维、 镁合金等， 其机械性能如表 1 所示。

  密度是影响车架重量的主要因素， 相同体积时， 材料的密度越低， 车架的重量就越轻， 由表 1 可知， 铬钼钢的密度最高， 碳纤维复合材料的密度最低；弹性系数则决定了车架的刚性， 弹性系数越高， 车架的刚性越大， 对比表 1 中杨氏弹性模量， 铬钼钢的刚性最大， 镁合金的刚性最小， 当管径和壁厚一样时， 钛合金车架的刚性是钢车架的二分之一， 铝合金车架的刚性是钢车架的三分之一， 镁合金车架的刚性只有钢车架的四分之一；抗拉强度和屈服强度则决定了车架的强度，表 1 的几种材料中， 碳纤维的强度最高， 铝合金的最低， 相比较之下， 铝合金车架显得比较脆弱。

  二、 电动自行车车架材料分类比较

  （一）钢。钢是电动自行车产业中应用最广泛的材料， 它在车架中的应用历史最久， 加工技术也已经相当成熟。目前车架中应用最多的钢材有碳素结构钢和铬钼钢， 其中， 铬钼钢占主导地位。与其它材料相比， 钢的优点很多：一是强度大。相同体积的钢材强度比碳纤维复合材料差， 但与钛合金相当， 比铝合金和镁合金的强度要大很多， 用较少的材料就可以制作强度较大的车架；二是寿命长。钢的疲劳强度大，钢架的寿命比铝合金架等长的多；三是加工性能好。钢架的加工工艺最为完善， 尤其适合抽管加工；四是焊接性能好。

  钢材比钛合金、 铝合金容易焊接， 且焊接后的缺陷少， 不需要热处理；五是骑感舒适。钢架有弹性， 冲击吸收性能好， 可以吸收骑行过程中路面引起的车身震动， 提高骑行的舒适性；六是成本低。钢材的价格便宜， 它的成本优势是其它几种材料无法比拟的。但钢材在车架中的应用也有明显的缺点：一是重量大。随着钢材性能的改良和加工技术的进步， 车架用钢管厚度不断减小， 但与铝合金、 碳纤维复合材料车架相比，差距依然较大；二是应力集中。主要发生在焊缝处， 容易引起金属疲劳；三是易生锈。车架用钢材含铬量低于 1. 5%， 容易生锈， 使钢材的强度大幅度下降， 最终降低使用寿命。

  （二）铝合金。铝合金是指由纯铝与镁、 硅、 铜、 锌等金属组成的合金， 具有密度小、 塑性好、 耐腐蚀性高等优点， 普遍应用于轻量化电动自行车的车架材料， 使用量仅次于钢材，主要有 6061（Al － Mg － Si）和 7005（Al － Zn － Mg － Cu）两种。

  铝合金车架的优点有：一是重量轻。铝的密度小， 虽然抗拉强度是钢的二分之一， 刚性仅为钢的三分之一， 但通过热处理技术或适当增加铝管的壁厚， 就能轻易满足车架强度的需求， 车架重量依然远低于钢架；二是表面美观， 耐腐蚀。铝合金本身非常容易氧化， 但铝合金氧化后形成致密的 Al 2 O 3 的膜， 该氧化膜达到一定厚度时可以保护基体， 防止继续腐蚀，且氧化膜近乎无色， 外观不容易发生变化， 增加表面美观性。

  铝合金车架的缺点有：一是热处理。铝合金材料的强度低，使用前必须进行热处理， 增加了工艺的复杂性和加工成本；二是部分型号焊接困难。7000 系列的铝合金强度高， 无需热处理， 但很难焊接， 直接限制了它在车架上的应用；三是骑行舒适感差。铝合金材料弹性系数小， 刚性低， 无法吸收骑行时车架的震动， 导致骑行舒适感差。

  （三）碳纤维。碳纤维（carbon fiber， 简称 CF）是一种含碳量在 95%以上的高强度、 高模量纤维的新型纤维复合材料， 是用碳纤丝编织成布， 预浸树脂后成为预浸布， 然后将多层预浸布在模具中加热成型。碳纤维的优点是：一是重量轻， 强度大。碳纤维 “外柔内刚” ， 其密度远低于铝合金材料，但抗拉强度却远大于钢材， 刚性好， 不弯曲；二是整体成型。

  可以利用模具一体成型， 增加了车架结构设计的自由度；三是良好的耐腐蚀性。碳纤维中的树脂材料耐酸碱腐蚀能力强；四是抗震性好。碳纤维材料由于自振频率较高， 具有较大的阻尼， 可以吸收冲击力， 减轻车架的震动。碳纤维的缺点有：一是制造成本高。这是制约碳纤维材料在车架领域广泛应用的关键因素；二是应力计算复杂。剪切强度较弱导致碳纤维车架在加工前要通过复杂的应力计算来确定碳纤维的排列方向；三是高分子材料的老化。碳纤维材料所采用的树脂材料会随风吹日晒发生老化， 逐渐影响车架的性能。

  （四）钛合金。钛合金广泛应用于航空航天领域， 它综合了铝合金和碳纤维的优点， 最突出的就是高强度和低密度，密度不到钢材的二分之一， 强度比钢还要高， 疲劳强度是钢的两倍， 因此钛合金车架具有重量轻、 强度高、 韧性好、 耐腐蚀、 寿命长的优点。目前车架材料主要采用 T i6Al4V 和Ti3Al2. 5V 两种。钛合金车架的缺点有：一是价格高。钛是地球上含量比较丰富的元素， 在自然界中主要以二氧化钛的形式存在， 提炼较为困难， 价格昂贵；二是加工困难。钛合金本身强度高， 高温时容易与氢、 氧、 氮发生化学反应形成硬度更高的钛化物， 导致加工工艺复杂。

  （五）镁合金。镁合金是以镁为基体金属加入其他元素组成的合金， 广泛应用于航空航天、 汽车、 电子等行业， 目前应用最广泛的是镁铝合金。与其它材料比较， 镁合金材料的优势明显：一是重量轻。镁合金的密度小， 比重是所有金属结构材料中最低的， 可以有效减轻车架的重量；二是比强度、 比刚度高。镁合金的比刚度与铝合金和钢相当， 比强度则明显高于铝合金和钢。三是优异的减震性。在弹性范围内， 镁合金受到冲击载荷时， 吸收的能量是钢的 20 倍， 铝合金的 100 倍， 钛合金的 300 倍， 镁合金车架的骑行舒适性较高；四是加工性能好。镁合金熔点比铝合金熔点低， 容易压铸成型。

  镁合金的缺点比较突出：一是焊接性能差。镁合金的热膨胀系数高， 易变形开裂， 焊接过程中容易与氧气、 氮气发生反应；二是耐腐蚀性较差。镁合金与铝合金一样， 极易发生反应生成氧化膜， 但 MgO 膜比较疏松， 对基体金属无保护作用， 需要用电镀、 阳极氧化等方法增强耐腐蚀性。

  三、 电动自行车车架材料展望

  虽然钢材由于价格原因在电动自行车的车架应用上最为广泛， 但车架朝轻量化发展的趋势不会改变， 未来随着新材料的发展、 加工水平的提高和成本的降低， 钢材的主导地位终将让出。钛合金和碳纤维材料的成本在未来较长一段时间内很难降低， 对应的车架只能出现在高端产品方面。铝合金和镁合金材料将是推翻钢材霸主地位的主力军。

  镁是地球上储量最丰富的元素之一， 我国镁矿资源约占世界的 60%， 巨大的储存量决定了镁合金在未来市场上必将走向经济化、 大众化。镁合金的低密度、 高比刚度和比强度使车架在轻量化方面取得长足的进步。虽然镁合金材料有较大的热导率、 电导率、 膨胀系数以及较强的化学活性等，使得镁合金的焊接面临一系列的问题， 制约镁合金在车架上的推广应用， 但随着技术的进步、 生产工艺的完善和成本的降低， 镁合金材料必然会广泛应用在电动自行车的车架上。