| 本帖最后由 致高致远 于 2023-11-7 19:57 编辑 说到有关自行车的技术帖或者工程帖，这种题材并不十分讨巧，大部分人骑车，只是为游山玩水，了解各地风土人情、遍尝美食而去，写游记题材的帖子很多，通常阅读量较大，一些新的景点和路线，往往能引起许多人的兴趣和关注。一些骑车的人，关于自行车相关的基本工程问题，未必了解一二，有时甚至根本就不太清楚。很少有人从工程学的角度去看待骑行，我想如果你从这个独特的角度入手，也许你看到的是另一个世界，另一个有关工业经济学、技术、制造、科技发展、机械原理、产业现状的更理性的、更富逻辑的世界，而不是自行车仅仅作为交通工具，给你带来的不同景象的纯感性的外在刺激和新鲜美感。 现在的自行车，很多由铝合金材料制造，当然也采用钢和碳纤维，其实这三种材料各有千秋，今天我们主要说铝合金。这种材料质地比较轻，通常钢的比重在7.8克/立方厘米，而铝合金材料的比重在2.7克/立方厘米，铝合金的极限强度不如钢，但远比钢要轻。铝和钢之间的重量比强度大概在65%~75%左右，即0.65公斤~0.75公斤的铝制产品的强度，大致相当于一公斤钢制产品的强度。由于钢的牌号和铝合金的牌号极其众多，不同牌号的钢材和不同牌号的铝合金对应不同的比强度，所以此处只是做大致的估算用来说明问题，而不是做精确的工程计算。一辆11公斤重的铝合金折叠自行车，如果用钢来制造，那重量大约是16公斤，要比铝合金重45%。在飞机制造中和需要轻量化设计的汽车制造领域中，凡是需要在驱动功率和结构强度重量之间取得平衡的设计，都通常选用铝合金作为基材，自行车以人的踩踏作为驱动原始动力，当然更在乎车子的重量。选用铝合金代替钢材制造自行车，虽然重量减轻了，但又会出现另一个问题，即价格的问题，铝合金单价普遍比钢材的价格高出150%以上，所以从成本上说，铝合金自行车的价格更贵，在实际车行的销售价格中，也体现这个特征。 我们突发奇想是否可以用木头或者水泥来制造自行车呢，我们首先假设结论是可以的，那一辆11公斤重的折叠自行车用木头和水泥制造重量分别是多少呢，我们先引进一组数据，下面是三种材料的比强度： 低碳钢— 0.054 普通混凝土— 0.017 松木（顺纹抗拉）— 0.2 根据上述比强度数据，下面是不同材质制成的折叠车的估算重量：
从以上计算的表格中可以发现，用水泥制造自行车，重量51公斤，重得吓人，几乎相当于一个成年人的重量，而用松木制作自行车，重量4.3公斤最轻，我们再看从工程学的角度来看这两种材料是否可行。用水泥制造自行车所得重量完全是理论计算上的结果，这完全不可能。因为水泥只有抗压的强度而根本没有抗拉的强度，换句话说水泥耐压不耐拉。折叠车中间横梁材料中间层的下半部分是受到的完全拉应力，用水泥制造，也许车子自身的重量加上骑手的重量，顷刻之间就会拉断车架。那用木头制造可行吗？至少比水泥靠谱，在非洲刚果就有许多用木头制作的自行车，他们用木材用的非常彻底，车轮也用木头，非洲兄弟还是非常有创造力。但木头也有很大问题，车架连接处采取卯榫结构，则相应的尺寸就要做得很大，重量也会比理论重量大的多。另外还有讨厌的震动问题、耐冲击问题、耐腐蚀问题、零件维修的互换性问题、表面涂装美感问题，都无法完美解决，估计骑不了多久车子立刻散架，但木质自行车跑起来是完全可以的。  图为非洲的木质自行车，非常拉风，跑运输的神器，每百公里消耗4个馒头+一升饮用水。 下面要说到6061的材料，这个材料在自行车里用得非常普遍，笔者的自行车也是这个材质，车架上也刻上这几个数字。 照片中五通处写有Al6061字样，说明车架的材质用的是6061。 其实这4个数字是国际铝合金注册体系，用4个数字来表示不同的铝合金体系，下面简单说一下每个系列材料的特点 1XXX系列 ：是含铝量最多的一个系列、纯度可以达到 99.00%以上，质地很软，有良好的延伸率和抗拉度。因其不含有其他金属元素，生产过程比较单一，价格也相对比较便宜，是目前常规工业中最常用的一个系列。 2XXX系列：其中以铜元素含量最高，约在3-5%左右，特点是硬度较高，在常规工业中不常应用，属于航空铝材。2024为铝、铜、镁系中的典型硬铝合金，是一种可热处理合金，经热处理后，机械性能显著提高（其 T3状态参数如下:抗拉强度470MPa,0.2%屈服强度325MPa，伸长率:10%，疲劳强度105MPa，硬度120HB），常用于飞机结构、铆钉、卡车轮毂、螺旋桨组件及其它结构件。 3XXX系列：以锰元素为主要成分， 锰含量约在在1.0-1.5%，是一款防锈功能较好的系列。我国3000系列生产工艺较为优秀，常应用在空调，冰箱，车底等潮湿环境中。 4XXX系列：属于含硅量较高的系列，硅含量约在在4.5-6.0%，具有耐热、耐磨的特性，常用于建筑用材料、机械零件、锻造用材、焊接材料。 5XXX系列：以镁元素为主要成分，含镁量约在 3-5%，常称为铝镁合金。主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高。在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列，在常规工业中应用也较为广泛。 6XXX系列：主要含有镁和硅两种元素，故集中了4000系列和5000系列的优点，代表牌号6061、6063，适用于对抗腐蚀性、氧化性要求高的产品，因其可使用性好，容易涂层，加工性好，在型材领域广泛应用。 7XXX系列：主要含有锌元素，铝镁锌铜合金是可热处理的合金，属于超硬铝合金，有良好的耐磨性，但不易氧化。目前大多依靠进口，我国的生产工艺还有待提高。 8XXX系列： 铝元素在其中不为主要成分，属于其它系列。 自行车中用的最广的铝合金6061，其材料化学成分是含Mg 0.8%~1.2%，Si 0.4%~0.8%，Fe 0.7%，Cu 0.15%~0.4%， Mn0.15%，其余的材料是铝。这种铝材属热处理可强化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可机加工性能，同时具有中等强度，在退火后仍能维持较好的操作性。 6061铝材的主要合金元素是镁与硅，我国以前的旧牌号是AlMg1SiCu, 其实这个旧牌号似乎更加清楚地表明了化学成分，主要化学成分是铝占至少95%以上，镁占1%左右，硅的成分比镁少，铜的成分比硅更少。6061的极限抗拉强度为205 MPa以上，弯曲极限强度228 MPa，这个强度等级差不多相当于钢的50%左右。 这个材料的用途非常广泛，除了自行车行业大量使用外，还应用于制造飞机机身框架、大梁、旋翼、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱，高速客车的车体结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零件、空调器、散热器、车身板、轮毂及舰艇用材，全铝易拉罐制罐箔，各种建筑门窗、幕墙用铝型材、铝幕墙板、压型板、花纹板、彩色涂层铝板等。 材料学是基础科学，它决定了一个国家工业体系的基础水平，如果缺少合适的材料，所有精妙的设计只能是图纸上的东西，某些特种材料比如特种钢、稀土材料、硅片、超导材料等都是决定科技发展水平的奠基石。 |
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