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可以說，現(xiàn)在自行車已經(jīng)真正進(jìn)入到了碳纖維時(shí)代，雖不敢說是物美價(jià)廉，但是相較于十年前，那已經(jīng)是便宜了很多。不過，這并不影響那些被定位為高端的碳纖維自行車的售價(jià)。在不同的自行車品牌之間，廠商們總是喜歡用一些模糊的描述或者高端的術(shù)語來介紹自己的碳纖維材料和制造工藝。但是，如果你可以深入了解一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們所談?wù)摵托麄鞯倪@些東西實(shí)際是非常類似的東西。不過，既便如此，最終造出來的車架也是多種多樣的。

這就像出色的大廚燒菜，原料只是決定產(chǎn)品的一部分。但如果你把相同的食材交給另外一名廚師，你吃到的菜品肯定是另一番風(fēng)味。雖然它不會(huì)特別難吃，但是從口感和呈現(xiàn)方式上就會(huì)有明顯的不同。碳纖維的自行車車架也不例外，更詳盡的設(shè)計(jì)、測(cè)試，材料的正確選擇，如何鋪設(shè)，保證制造的一致性等等這些，都讓不同的品牌型號(hào)之間形成了差異，這其中也包括了價(jià)格

那么，碳纖維是如何一步步變?yōu)檐嚰艿哪兀吭谥圃爝^程中會(huì)用到哪些技術(shù)和方法？有哪些問題是我們一直誤解的？如果大家使用的材料相同，為什么一個(gè)車架會(huì)比另外一個(gè)車架好呢？帶著你的疑問，繼續(xù)看……

什么是碳纖維？

在開始深入研究碳纖維車架是如何被制造之前，我們首先應(yīng)該了解碳纖維車架的原材料。這其中還會(huì)解釋什么是廠家常說的3K，6K以及什么是高模量等專業(yè)術(shù)語。

碳纖維作為聚合物，通過各種加熱步驟使其成為一個(gè)長(zhǎng)串的碳原子。這些細(xì)長(zhǎng)的碳絲的直徑一般為5-10微米，這比普通頭發(fā)絲還要細(xì)上10-20倍。然后把這些細(xì)長(zhǎng)的碳絲匯聚在一起形成帶狀或者絲束以備使用。這個(gè)過程你可以理解為麻繩，將一根根碳絲變成一根碳繩，讓其強(qiáng)度更高更輕

粗的是頭發(fā)，細(xì)的是碳纖維絲

而每個(gè)絲束所使用的碳絲的數(shù)量，就是我們?cè)谧孕熊嚿献畛Ｒ姷降挠?jì)量單位了，通常都會(huì)以K（千）為單位。例如，由3000根碳絲構(gòu)成的絲束被稱為3K，6000根組成的稱為6K，以此類推。單根碳纖維絲的強(qiáng)度和剛性實(shí)際上也是可以細(xì)化的，這就是我們常說的模量。通過更細(xì)化的加工，進(jìn)一步讓每一根碳絲更光滑，更細(xì)。這些更細(xì)的碳絲可以更為緊密的連接在一起，從而增加整個(gè)絲束的剛性。不過，較高模量也會(huì)增加脆性，因?yàn)槊恳桓z都更細(xì)了。

雖然模量是碳纖維車架在做營(yíng)銷時(shí)經(jīng)常用到的術(shù)語，不過這一術(shù)語并不是單位，并沒有被標(biāo)準(zhǔn)化，至少在我的了解中，在自行車行業(yè)上是這樣的。比如一個(gè)品牌聲稱的“高模量”材料實(shí)際上可能只相當(dāng)于某品牌的“低模量”碳。不過，更重要的是這些碳纖維是如何被用在車架上的，那些車架絕不是使用單純的一種碳纖維材料來制造，而是不同模量混合搭配。

從碳纖維到復(fù)合材料

碳纖維絲束本身幾乎并沒有什么作用，這時(shí)候它們還只是干巴巴的，柔韌的原材料，只有把他們和其他材料混合在一起才會(huì)起作用。這也可以算作是一個(gè)誤解，更準(zhǔn)確的說法是，我們的碳纖維車架是一種復(fù)合材料或者層壓材料。用于自行車的碳纖維原料必須被粘合在一起，通常使用的粘合劑為環(huán)氧樹脂，這一步就是把碳纖維轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料，或者更具體的工程術(shù)語為：碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）。由于材料通常是分層，因此這些復(fù)合材料通常也被稱為層壓材料。

對(duì)比碳纖維原料的輕量以及強(qiáng)度，樹脂在其中就會(huì)顯得更重更弱了。而復(fù)合材料在制造過程中的目標(biāo)就是在盡可能少的使用樹脂材料的情況下來粘合碳纖維。這里就要提一下前邊說到的高模量碳纖維，因?yàn)樘冀z之間的間隙更小，所以只需更少的樹脂材料就可以粘合，這也是高模量車架更輕的一個(gè)原因。

有一些廠家會(huì)使用一些其他纖維材料來改良樹脂配方{例如添加玻璃纖維或者碳納米管（更細(xì)的碳絲）的環(huán)氧樹脂} 以改變成品的結(jié)構(gòu)和性能。

預(yù)浸碳通常以大卷的形式被運(yùn)輸，到工廠后需要進(jìn)行裁切在進(jìn)行使用

在我們最常看到的碳纖維車架制造過程的演示視頻中，經(jīng)常出現(xiàn)的碳布，是大多數(shù)車架廠商最常用的預(yù)浸漬碳布，也稱為預(yù)浸料。這是一種預(yù)先浸漬了樹脂，但是未固化的碳纖維板，背面襯有不粘襯紙，可以成卷運(yùn)輸。這些材料平時(shí)被存儲(chǔ)在冰箱中，需要使用時(shí)被拿出進(jìn)行加熱活化。這樣做的好處是可以保持樹脂在碳纖維上的均勻分布，可以更有效的把控品質(zhì)，并減少制造的時(shí)間。

單一方向排列的碳絲也被稱為UD碳布

一般情況下，這些預(yù)浸料的碳絲都是單一方向（UD碳布），所有的纖維絲都平行排布。雖然可以提供單一方向上的強(qiáng)度和剛性，但是這會(huì)犧牲掉垂直交叉方向上的剛性和強(qiáng)度。另一種情況是絲束以十字交叉的方式被編制在一起，這可以讓材料在多個(gè)方向上具有相同的強(qiáng)度和剛性。

這種單向的預(yù)浸料特性鮮明，更容易鋪設(shè)特定的角度，特別是對(duì)于一些復(fù)雜的車架位置或者相對(duì)負(fù)荷要求比較低的位置會(huì)更容易鋪設(shè)。比如頭管，坐管連接處，五通外殼以及水壺架和內(nèi)走線孔的位置。這種碳布帶來的另一個(gè)好處就是粘合效果更好，不易分層，可以提供一定的損傷容忍度。

雖然預(yù)浸料是自行車工業(yè)中最常用到的材料，但是也并不是所有品牌都會(huì)使用。

例如，Time會(huì)將 碳纖維絲束編織成他們所需要的碳管，過程有點(diǎn)像織襪子。然后再將碳管固定在模具中，并使用Time自己稱為樹脂傳遞模塑的工藝，在高壓下注入樹脂，最后固化整個(gè)組件。

但是，無論使用哪種方法制造，都要經(jīng)過工程師權(quán)衡各項(xiàng)參數(shù)，確保在正確的位置和正確的方向上使用了正確類型的碳纖維和樹脂，才能保證車架的各項(xiàng)性能指標(biāo)。例如車架的剛性，脆性，重量，耐用性，抗沖擊性，當(dāng)然還有成本都必須考慮在內(nèi)。但總的來說，碳纖維車架的設(shè)計(jì)是開放型的，如果做的好，碳纖維車架的使用壽命幾乎是無限的。

設(shè)計(jì)過程概述

設(shè)計(jì)車架絕非易事，所以在這里我們也只是簡(jiǎn)單的概述一下。不論品牌和型號(hào)，這個(gè)過程都是十分復(fù)雜的，并且在不同的品牌之間的變化也很大。

首先，大多數(shù)的碳纖維車架的開端都是一樣的，那就是首先要定義車架的用途，以及需求量。畢竟，你投入了大量的資金和人力，如果不能商業(yè)化，就無法收回成本并盈利。

下一步，品牌會(huì)確定車架的長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)。考慮到碳纖維車架制造已經(jīng)很成熟，往往新型號(hào)都是在現(xiàn)有型號(hào)上的改版，而很少出現(xiàn)真正意義上的全新設(shè)計(jì)。這就是為什么你經(jīng)常會(huì)看到品牌迭代更新一些現(xiàn)有車架的新型號(hào)，而不會(huì)去大規(guī)模重新設(shè)計(jì)一款新車架的原因。這個(gè)過程是吸取經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的過程，也是碳纖維使用中不斷發(fā)展的原動(dòng)力。

3D FEA允許在產(chǎn)品原型出現(xiàn)之前對(duì)數(shù)百種設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬測(cè)試

碳纖維車架的另一個(gè)進(jìn)步要?dú)w結(jié)于更加一致控制。盡管這些年碳纖維的等級(jí)得到了提升，但是更為重要的是壓實(shí)和成型的技術(shù)已經(jīng)超過了僅從材料中獲得理論數(shù)值。壓實(shí)更為均勻可以減少缺陷產(chǎn)生的幾率，并提高結(jié)構(gòu)性能。而更為一致的層合板結(jié)構(gòu)和更優(yōu)化車架的疊層，可以制造出重量更輕，強(qiáng)度更高，更耐疲勞的車架，而不用像以前那樣需要更多的材料來提高容錯(cuò)率。

當(dāng)以上設(shè)計(jì)概念被敲定以后，數(shù)字模型就開始發(fā)揮重要作用。一般會(huì)以一種或者幾種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括3D FEA、CFD（計(jì)算機(jī)流體力學(xué)，用于空氣方面的設(shè)計(jì)和測(cè)試）。有時(shí)候在這一階段還會(huì)確定在建造過程中車架從何處斷開裝配，使用什么材料制造，如何預(yù)成型以及制造工具的大致方向等等

一般在初期階段，如果去完全制造一輛可以測(cè)試的原型車是很貴的，而且很費(fèi)時(shí)。有些品牌會(huì)通過3D打印的方式制造配件來測(cè)試組裝效果，美觀程度和計(jì)算制造方式。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)大大的縮短了設(shè)計(jì)周期，并且可以讓你預(yù)先大致了解到車架的所有相關(guān)性能。一旦進(jìn)行到這一步，模具設(shè)計(jì)和制造就可以開始了，層疊手冊(cè)（每一塊碳布的具體位置）也會(huì)被創(chuàng)建好。

下邊來介紹幾種碳纖維車架制造的方法：

單體結(jié)構(gòu)

單體結(jié)構(gòu)經(jīng)常被用來作為碳纖維車架的技術(shù)術(shù)語出現(xiàn)在宣傳中，從名稱上可以得知，它就是通過單體結(jié)構(gòu)來處理車架的載荷和應(yīng)力。不過，實(shí)際上真正的單體結(jié)構(gòu)的公路車是極為罕見的，通常廠商所宣傳的單體結(jié)構(gòu)大多只是一個(gè)單體的前三角結(jié)構(gòu)，而后上叉和后下叉，甚至是中管則是被分開生產(chǎn)的，最后被組裝在一起。所以，這一類的車架更準(zhǔn)確的應(yīng)該叫做半單體結(jié)構(gòu)或者模塊化單體結(jié)構(gòu)。這目前也是自行車行業(yè)中最為常見的技術(shù)。

預(yù)浸碳根據(jù)層疊手冊(cè)的要求被切割出各種形狀

但是，不管這個(gè)術(shù)語是否正確，這一步都需要把大塊的預(yù)浸碳切割成單獨(dú)的碎塊，每一塊在模具上都會(huì)有其特定的區(qū)域和方向。通常，這些碳布的具體選擇，位置，方向都會(huì)被標(biāo)注在層疊手冊(cè)中。你可以把它想象成一個(gè)拼圖，每一塊碳布上都有編號(hào)。

每一塊被切割的預(yù)浸碳都有編號(hào)和固定的粘合位置

你一定聽到有人給你說過，碳纖維的成本很低，甚至你在購(gòu)物網(wǎng)站上也可以找到碳纖維和樹脂材料，而且確實(shí)不貴。不過事實(shí)是，碳纖維的這種分層過程確實(shí)非常的費(fèi)時(shí)和昂貴。一個(gè)車架主體就會(huì)需要幾塊這樣的預(yù)浸碳，并且需要按照工程師提供的層疊手冊(cè)，按特定順序小心的手工鋪設(shè)好。

對(duì)于復(fù)雜的部分，需要提前在較小的模具中預(yù)制成型，最后在放入大的模具中

對(duì)于一些比較復(fù)雜的部件，例如頭管，一般都會(huì)先在預(yù)成型部件上粘合碳布，然后再把其移動(dòng)到主模具中構(gòu)成整體。模具通常由鋼或者鋁來制造，并且可以重復(fù)使用。模具的具體型號(hào)決定了車架的外表和形狀。

有時(shí)候最小的部件可能是最費(fèi)時(shí)的，上圖是一個(gè)前叉的角鐵

不過，外表只是車架的一部分，碳纖維車架的內(nèi)部也需要獲得壓力，以確保碳層之間不會(huì)存在空隙。這其中會(huì)使用到各種技術(shù)：氣囊是最常用的技術(shù)，通常會(huì)被留在車架內(nèi)部。其他還包括可融化的泡沫或者蠟芯；柔性硅膠材料，甚至有些是更為結(jié)實(shí)的內(nèi)芯，塑料或者是金屬。

在一些高端車架被大批量制造時(shí)，半固化的車架圍繞一個(gè)帶有網(wǎng)狀物的沖氣囊被放置在模具的一側(cè)，一旦所有都被放置完成，另一半模具就會(huì)被固定在上方并被固定好。

之后模具會(huì)被用真空袋完全密封并進(jìn)行抽真空的操作。在這個(gè)過程中需要對(duì)零件施加一定的溫度，在固化之前盡可能多的抽出空氣。這個(gè)過程中，加熱可以讓樹脂更均勻地流動(dòng)，同時(shí)內(nèi)部的氣囊會(huì)讓碳層壓的更為緊實(shí)，消除掉內(nèi)部的空氣和縫隙同時(shí)還能去除多余的樹脂。

剛剛從模具中取出的裸架，等待下一道工序

等待組裝的后下叉

當(dāng)車架固化后就會(huì)從模具中取出，并從中取出預(yù)制件和氣囊。然后，包括角鐵和后上叉和后下叉等部件就可以開始粘合在車架上了。結(jié)合的部分用碳布再次進(jìn)行包裹，以提供額外的結(jié)構(gòu)支撐和光滑的表面。組裝過程需要在夾具上進(jìn)行以確保所有配件都完美對(duì)齊。

現(xiàn)在整體看起來這就像一個(gè)車架的樣子了，之后要進(jìn)行的就是打磨和噴漆了。總而言之，一個(gè)碳纖維車架從碳絲到成為一個(gè)可以使用的碳架，需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。

對(duì)于單殼體結(jié)構(gòu)來說，它可以生長(zhǎng)出強(qiáng)大而輕量的產(chǎn)品，所使用的材料也是最少的。加上碳纖維的機(jī)械性能可以精密控制，所以單殼體結(jié)構(gòu)經(jīng)常成為一些高剛性重量比車架的。例如巴林美利達(dá)車隊(duì)的斯特拉就采用了模塊化單殼體技術(shù)來制造，其他的車型也都是如此。

然而，單殼體結(jié)構(gòu)的制造成本高，而且靈活性也比較差。正如上邊所說，制造過程時(shí)間長(zhǎng)，而且需要大量的人力和財(cái)力的投入，這也是很多碳纖維自行車制造業(yè)會(huì)尋找勞動(dòng)密集型國(guó)家建廠的原因。另一個(gè)原因就是每個(gè)車架都需要一個(gè)特定的模具，假如一個(gè)車架具有12個(gè)尺寸，甚至再有兩到三種前叉尺寸的話，那么這其中得模具費(fèi)用也是可想而知了。

也正是出于這些原因，對(duì)于一些小品牌和定制碳纖維品牌來說，這種操作性是難以接受的。而即使是大的品牌，車架設(shè)計(jì)的周期也都會(huì)在兩年或者三年，以便可以有更長(zhǎng)的時(shí)間來收回成本。

管對(duì)管技術(shù)

對(duì)于定制碳纖維車架來說，想要開發(fā)一種符合市場(chǎng)需求和定價(jià)的單殼體車架是很困難的，原因上邊我們剛提到過，所以他們就轉(zhuǎn)向了另一種制造方法，管對(duì)管技術(shù)。從概念上來看，這和鋼架、鈦架、鋁架的焊接并沒有什么不同。

來自Tsubasa的管對(duì)管技術(shù)的車架

在制造過程中，車架上的每一根碳管都是被單獨(dú)生產(chǎn)的，有時(shí)候也會(huì)來自于一些碳纖維管制造商。這種方法大大的降低了車架制造的門檻，又可以控制車架幾何角度，剛性和騎行體驗(yàn)。碳纖維管的選擇決定車架的性能屬性，而碳纖維管的長(zhǎng)度決定車架的幾何角度。也是使用的管對(duì)管技術(shù)制造

被切割的碳纖維管被放置在夾具上進(jìn)行鏈接。一般碳纖維管的接口都會(huì)插入另一根碳纖維管內(nèi)，外部用預(yù)浸碳進(jìn)行纏繞加固。一些更先進(jìn)的工藝會(huì)將車架放入真空袋內(nèi)或者柔性或者剛性的磨具內(nèi)進(jìn)行壓實(shí)，而有些車商則直接等樹脂固化后就直接開始進(jìn)行下一步準(zhǔn)備。

這種方法對(duì)于自定義車架幾何角度非?？旖?，但是這是一個(gè)需要熟練操作來保證車架安全的技術(shù)。另外，該方法中碳纖維和樹脂材料的冗余量相較于單殼體技術(shù)也會(huì)更高。

套管（Lugged）技術(shù)

和上邊的管對(duì)管技術(shù)非常相似，碳管通過套管進(jìn)行連接最終成為一個(gè)車架。和管對(duì)管不同的是，直接插入另一根碳管的設(shè)計(jì)被套管頭所替代，通過預(yù)先生產(chǎn)各種規(guī)格的套管，并和碳管粘合組成車架。這和鋼架的lug銅焊看起來十分類似。

梅花C60車架，套管也由碳纖維制造

一般，這種結(jié)構(gòu)的車架上的套管也是由碳纖維制造，比如梅花的C60車架，但是也并非都是如此。和管對(duì)管一樣，套管結(jié)構(gòu)的車架可以更為靈活的控制幾何角度，僅需要制造不同的套管就可以實(shí)現(xiàn)。

3D打印的鈦合金五通

套管采用鈦合金3D打印，其他部分為碳纖維管

最近的一個(gè)比較高科技的例子是澳大利亞的Bastion使用3D打印技術(shù)打印了鈦材料的各種套管，以實(shí)現(xiàn)不同客戶對(duì)不同幾何角度的需求。更早一些的例子比如早期的BMC Teammachine（Tyler Hamilton在Phonak上使用的那輛），使用了帶有鋁合金套管的碳纖維車架。更早一些的例子還有trek的2300車架，大量的使用了套管技術(shù)。

BMC早期的Teammachine的套管由鋁合金制造

trek的2300套管車架也同樣適用鋁合金套管加碳纖維的方法制造

不過，就像上邊說到的管對(duì)管一樣，套管碳纖維車架固有的比單殼體結(jié)構(gòu)具有更多的材料重疊，因此在剛性-重量比上也更低一些。

別說是做一個(gè)，就是像我這樣簡(jiǎn)單描述一遍都是需要大量的時(shí)間的。而且直到現(xiàn)在，碳纖維車架依然還是需要人來親自上手制造的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這些年碳纖維自行車制造的變化并不大。但是，如果再深入一些了解，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量控制和工藝改進(jìn)上，已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。不管一個(gè)碳纖維車架是什么樣子，但是可以肯定的是，它的性能遠(yuǎn)不止于你所看到的。魔鬼在細(xì)節(jié)里，特別是在創(chuàng)造如此輕巧，強(qiáng)大，舒適和安全的東西的時(shí)候。

好了，今天的內(nèi)容就到這里，我們下期再見，單車基械匠，每天給您帶來更多新奇，好玩，有趣，實(shí)用的單車知識(shí)。