咖蹦亂亂談

咖蹦,一種令人又愛又恨的材料。

碳纖車架的漂亮的外觀、看似輕量的身段、高人一等的自我感覺良好,這是它令人著迷之處;但不環保(難以回收)、似乎容易斷裂與高昂的售價,讓人難以接受它。然而,不論你喜歡不喜歡,碳纖在自行車產業已經是一門顯學了。

會有本文的誕生,是因為最近又要購買公路車,從外觀來看,一樣都是碳纖維車架,身為消費者卻無從判斷其中的材料跟技術高下,因此詢問了一些業界的朋友,也在網路上做了些功課,順便把我所獲得的資訊整理出來跟大家分享。

當然我並非這方面的專家,但本文內容都有相關的參考資料,應該不會偏離事實太多。所以…想知道哪家車架是名副其實?又哪家車架是虛有其表?哪家車架是貨真價實?又哪家車架是濫竽充數?繼續讀下去你會發現…..

以上這些問題本文都不會回答到!為什麼?繼續讀下去你就知道…

為何要用碳纖

碳纖並不是只有外表看起來炫而已,它在某些方面真的是比一般的金屬材料強很多。下圖是取自做管材那個雷諾的網站內的資料,圖中是雷諾各種金屬材料的強度重量比(MPa/(g/cm3))與剛性重量比(GPa/(g/cm3))的作圖,從圖中可以看到國內小有名氣的953,在強度重量比為256是裡面最高的,連6-4鈦都比不上它;而剛性重量比則每種材料都差不多在23-27之間,即使953也比常見的6061鋁合金高了5%不到。

強度重量比高,代表的是在相同的結構下,可以用比較輕的材料達到其他材料相同的強度,這樣的材料在輕量化比較有優勢。(當然,這之中還牽涉到加工、銲接、熱處理…一大堆的因素,但在此假設這些因素都已排除) 然而,別忘了上面的每一種材料的剛性重量比差不到哪去,所以相同結構下,比較輕的車架不免在剛性上會輸給比較重的車架。

這樣說起來,難道輕量的車剛性都不好嗎?這並不是絕對,工程師還是可以在結構上動手腳,譬如加粗管徑的又抽薄的管子,可以在提高管材的剛性的同時,又能減輕重量,這也是為什麼鋁合金車子的管徑都比較大。

但這招也有極限,因為抽到一定的薄度在銲接上就會產生問題,也會有類似啤酒罐的那種軟軟的表面。所以管徑加大到極限之後,要不就是忍受軟趴趴的車架,要不就是再把重量加上去,但那又喪失掉使用這麼高檔材料的意義了。

那都沒招了怎麼辦?你需要….

碳纖維,或者說複合材料,為車架的製造帶來革命性的改變!

這個材料有什麼特別的呢?我們就拿T400的碳纖紗為例,現在用這等級碳纖的車擺在車店會被客人吐口水,還叫老闆趕快拿去丟垃圾車,不要擺出來丟人現眼。

T400的強度與剛性表現又如何呢?根據Toray的網站資料計算的結果,在受到與排列方向平行的拉力狀況下,T400的強度重量比為1022(953的4倍),剛性重量比為64(953的2.5倍)。有這樣壓倒性的表現,不難瞭解為何賽場上的公路車全部都是碳纖維材質了吧?

然而,事情並沒有那麼簡單…

碳纖布材

大多數車架用的碳纖維材料是從碳纖布的型態開始的,大概是上圖那樣的感覺,這時候已經預先浸泡過樹脂,看起來就像一匹塑膠布,這樣運送跟裁切起來比較方便。眼尖的朋友應該會發現上圖中的布怎麼沒有我們熟悉的碳纖花紋(如下圖)?

其實這是兩種不同型態的碳纖布,第一張照片內的是單一方向的碳纖布,顧名思義,這上面的纖維都是同一個方向的排列,一般均是預浸好的型態,簡稱為UDPP(Uni-Direction Pre-Preg);而第二張照片則是編織布(Woven),這類的花紋又以每束有幾條纖維去織成的,這就是一般常聽到不同K值的分別,K值代表每束的所含的纖維絲數量,K值越大上圖中所交織出來的方格就會越大。

編織布的K值大小有許多的說法,但這K值其實只跟成本有關。在性能上,不同K值的編織布無甚差異,所以有些廠商強調幾K的布,還說越低K值的強度越強,這種聽聽就好,你就把它當成是塗裝花紋的分別,看哪個順眼就挑哪個。

至於有的廠商拿用幾K的布來做為行銷重點,不管這是有意愚民,還是它真的不知道那代表什麼,這兩種情況都同樣地令人擔心…

這兩類的布材在使用上有什麼分別呢?在談這個之前我們先探討一下碳纖維的特性,下面架設是一束同一方向排列的碳纖維,如果施力與纖維方向平行,則具有高剛性且高強度的機械特性;反之,若施力方向垂直於纖維排列,則只有靠樹脂在支撐,因此其機械特性就差很多。

以前面提到的T400來說,平行時的強度與剛性為2250MPa與140GPa,但垂直向就分別掉到80MPa與7.8GPa,相當大的差別。因此在實際使用上,都是以多層不同向的交疊來達到各向施力都有支撐的效果。

而編織布因為它是經緯交織起來的,單純以布面來說,它對方向性的要求較小,因為經緯都有纖維在支撐。並且在有部份撕裂時,它的周圍可以幫忙支撐而防止繼續擴大,但這種編織布在高檔車架幾乎都已經不拿來當主要的材料了。

這有兩個原因,第一是碳纖維在編織起來之後,因為纖維絲受到扭曲,不管是剛性或強度都不如一整條直線的碳纖絲,所以編織布在順向的強度是不如單向布。

另一個原因就是編織布比單向布還要貴,既可省成本又兼顧性能,自然單向布會成為主流了。然而,單向布只在順向有最高的強度,當受力與纖維方向夾角越垂直,則結構剛性與強度就會越弱,也因此在碳纖車架中,碳纖布材的疊層是一門很大的學問。

在車架不同的部位,因為有不同的受力方向,也需要各種方向排列的單向布來支撐,這些許多疊層的布都是要靠人工一張一張貼出來的,也因為如此,大多數的碳纖車架都是由人工低廉的對岸所生產,即使一些打什麼歐洲國家生產的,他們車架的本體也是不例外。

碳纖等級

這部份是很多廠商行銷的重點,但卻也從沒看到有廠商出來主動說明這些材質的優異性跟差別在哪裡,我們只會看到一堆英文單字縮寫的排列組合,甚至寫什麼T多少的,只會讓人聯想到下面這位老兄….

t800

其實這也不能怪他們,畢竟T800大於T700,這樣教育消費者方便又有效,何樂而不為呢?

參考dahi30前輩的文章,碳纖材質的編號可參考Toray公司的標準,下圖是Toray的碳纖絲各種產品特性,縱軸是拉伸強度,橫軸是拉伸模數(剛性)。從圖中可以觀察到產品編號分為兩類,第一類是常聽到以強度編號的T600、T700…,另一類則是以模數編號的M50、M60…,在兩個系列中都是數字越高的代表強度/剛性越高。

toray

這兩類編號代表的是兩種不同方向去特化的碳纖材質,在T系列中的拉伸模數最高僅達到M30G的等級,在M系列中的拉伸強度最高也就約T700S等級,即使拉伸剛性最高的M60J在強度上還不如T600S的碳纖絲。

因為有這兩種不同的特性,在設計車架時可以利用各種不同的材料特性以達到局部地區所需的功能性,在剛性影響不大的地方用高強度材料以求輕量,需要高剛性的地方使用高模數材料,也因為如此,一台車架幾乎不會只用單獨一種碳纖布來製造,所以那些寫T幾百通常僅代表這台車架用到最好的碳纖布等級。

碳纖疊層

可以在不同部位用不同特性材料就是碳纖技術美妙之處,在鋁合金製程雖也能以不同管厚來做局部的加強,但整支車架還是使用同一種材料(在此以單避震車架討論),並且模具一開下去之後,想改變管壁厚度分佈,就得連模具一起修改。

相對地,碳纖維可以在同一支管子中的不同部位做到獨立的補強,需要剛性的地方就多貼一些高剛性布,需要強度就多貼一些高強度布,這樣讓最佳化之後的碳纖維車架可以達到高強度、高剛性且輕量,當然你的荷包也會跟著輕量就是…

因此,要做一台好的碳纖維車架不是把布捲成管子,再把管子接成車架這麼簡單,高階車架的一支下管通常都是好幾張碳纖布拼湊起來的,這些管子再以一體成形或接管方式去成型為一台車架。

那製作車架時又怎麼知道哪邊要貼哪種、什麼角度、貼幾層、又要貼成什麼管型呢?這些眉角就是各車廠的功力所在,一般是先以電腦模擬(如下圖)的方式,找出最佳的碳纖排列、厚度與管型之後,再進行原型路測,看有沒有地方需要改進後,再進行量產。如果是TT車或三鐵車就還得進風洞看空氣力學。這些都是很花費時間與金錢的工作,所以高性能車架的開發幾乎都要有相當的研發能力與資源。

要怎麼選車架?

其實你也可以走進廉價的碳纖代工廠,買一支公模車架,找人設計一下塗裝,弄個外文網站假裝是國外品牌,找幾個網路寫手在神壇吹捧一下,應該也會有不錯的生意。但經過精密計算與設計的車架,在輕量與剛性都會與這類的車架有相當的差距。

簡單的方法是把車架拿來秤看看,個人以為1kg的車架是可以接受的上限(TT或三鐵車除外)。雖然在2001年就有車廠推出1kg以下的鋁合金車架,但快到2011的現在,其實還有很多碳纖車架的重量都還在1kg以上,如果輕量化都達不到的話,那你花這麼多錢,用這麼貴的材料是為了什麼?自我感覺良好嗎?

接著,如果有機會的話,找同款的車試騎一下,雖然零件會影響到騎乘感受,但至少你的體會是真實的,尤其馬上換車騎騎看的感覺最明顯。

如果你都沒辦法做到上面的測試,那去看看他們是不是在碳纖技術方面樂於分享,介紹他們的製程、技術、設計概念..等等,因為只是買公模貼標的,它大概也不知道要跟你講什麼。如果這你也無法分辨,那就挑大牌子買,畢竟他們的資源跟能力比較』有機會』開發出像樣的車架。

不要只講就材料等級,有一個很好的比喻,我曾聽白馬跟另外一位朋友都這麼說過。做車架就跟做菜一樣,不是用好材料就燒得出好菜,把好材料給了爛廚師只是在糟蹋食材,阿基師煮個青菜豆腐湯也是海巴我做的鮑魚魚翅羹。如果好材料遇到好廚師,那這樣燒出來的菜你嘗過一口就應該能感受得到。

至於有些車架的測試,除非是由公正第三方做的,不然被動手腳的機會很大。即使是可量測的重量與剛性,這些結果只要車架尺寸變動一下都會有不同的結果,甚至是善意的測試單位,沒留意的話也會有這樣的盲點在,更不用說一些沒有根據的小說評論了。

最後推薦一下某位不知名業界前輩Blog,風與杜鵑的對話 (http://dahi30.pixnet.net/blog),他的文筆相當風趣,本文有許多資訊是從他的文章中整理出來的,我只是東施效顰,他才是真正的高手啦!

以上文字與圖片內容 皆引用 http://www.bike-mania.net/?p=647#more-647網站 如有不妥請告知 將立刻刪除

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