摘要：

本文從竹鋼材料的物理性能、力學性能入手，結合自行車設計要素，基于自行車車架的設計要點，從外觀、材料、結構等方面探討竹鋼材料在自行車架設計上的可行性、可靠性，為自行車架在低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展上提供理論依據。

關鍵詞：

竹鋼 自行車架 材料 設計

中國分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）07-0030-02

我國的竹資源十分豐富，竹林面積和竹產量居世界首位。竹鋼是以竹材料為原料的高性能竹基纖維復合材料。隨著低碳、環(huán)保理念的深入人心及全球木材資源的緊缺，竹鋼的出現，更能有效地保護人類的生存環(huán)境。

自行車架是自行車的靈魂，其材料的選用與自行車的使用性能息息相關，一直受到自行車設計者、生產者和使用者的重視。隨著自行車產業(yè)的快速發(fā)展，自行車對材料的要求越來越高，開展新材料車架的研究十分必要。

1 竹鋼的性能特點及用途

1.1 竹材的性能

竹材屬多年生禾本科植物，目前中國有竹種39個屬，500多種。自古至今，竹材被人們廣泛應用于衣食住行、生活和生產用具當中。從宏觀上來看竹子整體是空心厚壁圓筒竹節(jié)結構，根部的竹節(jié)比頂部致密得多；從橫斷面來看，由竹青、竹肉和竹黃組成，竹青的質地細密且韌性更好。竹材的微觀結構見其SEM圖，由圖1可知，竹纖維的結構由薄厚交替的多層構成的，每層由更小的微纖絲構成的，微纖絲排布方式為螺旋式，竹纖維的多層螺旋結構提高了竹材剛度和穩(wěn)定性。

1.2 竹鋼的性能

竹鋼（見圖2）是以慈竹為原料，利用纖維制備技術、酚醛樹脂導入技術、干燥技術、大幅面板鋪裝技術、成型固化技術等多項技術集成，將竹材熱固樹脂高溫高壓成竹鋼。實現竹基纖維復合材料的高性能和可調控，最終制造成高性能多用途竹基纖維復合材。

該工藝節(jié)省了傳統(tǒng)的剖蔑工序，是竹材加工應用領域的一項重大突破，使竹材的利用率從目前的20%-50%，可以提高到95%以上。其力學性能如下：抗彎強度>350MPa，抗拉強度>360MPa，抗壓強度>140MPa，彈性模量>30GPa，水煮膨脹率<5%，順紋壓縮強度>180MPa，順紋拉伸強度>300MPa，其強重比超過玻璃鋼纖維復合材料。

竹鋼性能優(yōu)異，無需特殊護理和保養(yǎng)。是負碳產業(yè)，十分綠色環(huán)保，對生態(tài)平衡十分有利。另外，竹鋼加工著色性能良好，可鋸切、可拼接、可連接、可砂刨、可上色、可著油漆，具有良好的耐久性、耐候性、耐腐蝕性及阻燃性等特點，對于沖擊荷載及周期性疲勞破壞有很強的抵抗力，具有最佳的抗震性，竹鋼結構在各種條件下，均表現出優(yōu)異的穩(wěn)定性和結構的完整性，是“以竹代木、以竹代鋼”的最佳產品。

1.3 竹鋼的應用

竹鋼因其良好的耐候、防火性能，且低碳環(huán)保、易于施工、可循環(huán)利用，已廣泛用于日常生產及生活中。建筑上，由于竹鋼力學性能穩(wěn)定性好，且強度遠高于木材，耗能低，很多地方取代木材的應用；室內外裝飾及家具中，因竹鋼強度高、耐候性、加工性附著性好、紋理自然、甲醛釋放量低，廣泛應用于地板、門窗、橋梁、棧道等，成為當下最優(yōu)秀的室內外裝飾材料之一。除此之外，竹鋼在電力設施、航空航天、高速公路、鐵路、化工、礦山冶金乃至軍事領域均有可觀的應用前景。

2 自行車架設計

2.1 自行車架材料

自200多年前法國人西布拉克發(fā)明了自行車最原始的模型以來，自行車外觀及其材料的發(fā)展取得了很大的進步，而自行車新材料的選用直接關乎自行車使用性能及制造工藝。所以，正確選材是保證自行車質量和生產效率的必要條件。目前自行車車架制造的趨勢主要是朝著輕量化、高強度、舒適性以及低成本的綜合方面發(fā)展。當今用于自行車的新材料主要有：鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金以及復合材料。

鋼是目前在自行車制造業(yè)當中應用范圍最為廣泛、應用歷史最久的材料，其加工性能、焊接性能、沖擊吸收性能較好，工藝成熟，價格較低，但是鋼自行車架易生銹、抗疲勞度差、不夠輕盈；合金類材料，強度較高、抗腐蝕性好、表面美觀大方，但是彈性模量及剛性普遍偏低、可焊性差、成本高；復合材料車架避震性好、騎行平穩(wěn)、輕盈美觀、強度較高且抗疲勞性好重量輕，是一種極有前途的材料。目前用于自行車的復合材料主要是碳纖維復合材料，但其應力計算復雜、樹脂基體易老化，且尺寸單一、成本較高。

2.2 自行車的設計要素

自行車的主要部件有：車架、前叉、車把、前軸、后軸、中軸、腳蹬、飛輪、變速器、前后輪、鞍座、擋泥板、前后閘。其中車架是構成自行車的基體聯(lián)接著自行車的其余各個部件，并承受騎者的體重及自行車在行駛時經受各種震動和沖擊力量，因此除了強度以外還應有足夠的剛度，這是為了在各種行駛條件下，使固定在車架上的各機構的相對位置應保持不變，充分發(fā)揮各部位的功能。

自行車的設計首先結構上要合理，同時滿足：使用壽命長、行駛安全、產品標準化、工藝合理外形美觀，滿足強度和最大容許負荷、正常使用的前提下，重量越輕越好、騎行輕快舒適的要求。

2.3 自行車架設計要求

自行車車架作為自行車的骨架和主體，其強度、剛度、穩(wěn)定性、重量及外觀將直接影響整輛自行車的承載能力、輕便及舒適程度甚至銷量。車架設計一般要滿足復雜工況、復雜受力和疲勞強度下結構的安全性，確保結構具備足夠的強度，其次具備足夠的彎曲剛度和扭轉剛度。

3 竹鋼在自行車架上應用的可行性

3.1 竹鋼自行車架材料上的可行性

2008年，歐洲已有竹子制作成自行車的報道。國內近幾年也出現了竹材自行車。為竹鋼材料的應用，提供了鋪墊。竹鋼加工后，各方面的性能都優(yōu)于竹材，是作為自行車車架材料的較好的設計選材。

除此之外，竹鋼可以著色，能滿足外觀設計上的各項要求。而且竹鋼自行車耗能遠遠低于其他材料的自行車，基于此，在價格上會有相當的優(yōu)勢。另外，竹鋼由竹材熱固樹脂高溫高壓而成，因此可以整體成型，提高了車架之間的連接。

3.2 竹鋼自行車架結構上的可行性

車架是自行車最主要、最重要的部件。車架結構設計的好壞，直接關系到自行車的舒適度及使用壽命及使用性能。一個好的車架應具有重量輕、強度高、抗疲勞及抗震性好、較高的承載力、抗負荷能力、抗震能力等特點。所以對于車架的設計，要求車架材料的穩(wěn)定性好、質量輕、耐騎；車架幾何外形能夠隨自行車的用途、功能靈活多變；車架尺寸能夠滿足人體工程學的各項要求。

竹鋼在制備過程中沒有打亂竹材纖維的排列方向，可以保持竹材原有的高強度的特點，且具有良好的耐久性、耐候性等特點，對于沖擊荷載及周期性疲勞破壞有很強的抵抗力，具有最佳的抗震性，滿足車架結構的各項要求。

3.3 外觀設計上的可行性

造型是自行車外在形象，其造型是消費者十分關注的元素，它是我們關注自行車的基本點，出發(fā)點，會給人們最直接的反映。設計師們通過設計自行車的材料，造型，操作界面，色彩等，來引發(fā)消費者積極的情感和心理感受，這就要求設計師在把握設計潮流時，能針對性地對受用群體進行專門性的設計?；诖?，首先滿足人機工程學，騎行時候健康、安全、舒適，使騎行者的體力和精力的耗損最小嘲。其次，外觀設計上，滿足設計心理學和設計色彩學的要求。再次滿足仿生學的要求，即外觀造型設計模仿生物外形，將產品的審美功能和實用功能完美結合。比如模仿動物造型并配以色彩搭配，實現美與人性化的統(tǒng)一。

竹鋼自行車車架，在外觀設計上，能體現出低碳環(huán)保、親近自然、可持續(xù)的設計理念；本身的自然紋理、形態(tài)可表達竹子的原初自然的性情；依竹鋼的特性，可設計時尚、簡潔的造型，易于加工生產，易于為大眾所接受，同時也可在外觀上表達竹鋼的內在特性，即與竹子輕柔飄逸的個性恰恰相反的鋼性，給人以穩(wěn)重感、安全感。

總之，竹鋼做自行車架，重量相對輕、韌性好、強度大，制作自行車減震效果好，所以騎起來較為舒適。鋼、鋁合金、碳纖維等材料自行車，材料不能再生，廢棄后也不能很快降解；竹子則恰好相反，是極好的速生可再生資源，具有極好的環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展的意義。

4 結語

本文介紹了竹鋼的物理性能、力學性能，結合自行車設計要素，從材料、結構、外觀設計等方面探討竹鋼在自行車架設計上的可行性。結論如下：

①竹鋼材料自行車架性能優(yōu)異，可著色、耗能低、整體性好，車架之間有較好的連接性。

②竹鋼材料自行車架具有重量輕、強度高、抗疲勞及抗震性好、較高的承載力，滿足車架結構的各項要求。

③竹鋼自行車車架，在外觀設計上低碳環(huán)保、親近自然，本身的自然紋理、形態(tài)可表達竹子的原初自然的性情，和諧美觀。