山地车历史上最重要的专利技术：铝合金抽管

三蛋

文字：CB-图帝
图片：来源于网络


USPTO专利号：5,117,708
产品名称：Answer Hyperlite车把（1990年）
发明人：Scott Boyer；Charles Teixeira
受让人：Answer/ Easton
申请日期：1991年2月19日
核准日期：1992年6月2日

1980年代后期，自行车管材的革命即将到来。

当时，山地车制造业广泛使用的材料为铬钼钢，其加工性好、强度大、刚性高、骑感舒适，而易生锈、重量大的缺点也同样明显。随着运动竞技愈发激烈，厂商开始研究用铝合金打造更轻的车架和附件。但相比铬钼钢，铝合金也有其局限性，如果要保证强度，就要把管壁做得很厚，这个问题成为了高级产品研发的瓶颈。


▲有限元分析软件中的车架应力图，红色为高应力区，蓝色为低应力区

1988年，Easton的自行车部门工程师Charles Teixeira正在进行铝合金管材的改进研发，他意识到，骑乘时，管材不同部位的应力有高低之分。以车把为例，我们可以将其看做一根杠杆，中间的把立连接处是支点，两边手握处是施力点。越靠两边，力矩越大，车把的应力也就越大，即高应力区，中间部位是低应力区。车架管材的情况也是一样，一般两端的焊接处是高应力区，中间部位是低应力区。如果在高应力区使用较厚的管材来保证强度，在低应力的部位使用较薄的管材降低重量，那么就可以取得重量和强度之间的平衡。


▲5,117,708号专利说明书的部分图例，右侧为不同部位的断面示意图

这项变径管材制造工艺也就是现在车友们所熟知的“抽管”，一般是使用抽管机、模具和芯棒将金属原料推挤成型材，这在铬钼钢管材上已经早有应用，但管壁的变化幅度还不能做得很大。

试制产品是1989年Answer与Easton合作生产的Taperlite车把，采用E9铝合金制造，重量约218g，中间外径25.4mm部分的管壁厚度为1.73mm，两边外径22.2mm部分厚度为2.2mm。


▲第一支真正意义上的抽管铝合金车把——Answer Hyperlite

1990年，Answer Hyperlite上市，这是第一支真正意义上的抽管铝合金车把。Hyperlite宽580mm，管壁厚度从中间的0.8mm过渡至两边的2mm。由于应用了改良的抽管工艺和EA70铝合金原料，仅有144g重量的Hyperlite，却比很多更重的车把要硬得多，Answer还对其提供无条件2年质保。而这个重量，在25年后的今天仍然可以列入轻量范畴。


▲目前常用的两种抽管工艺，利用模具和芯棒对原料进行推挤



▲Spank 777车把生产线上的抽管机


▲常见抽管分类和变径部位剖面图

Hyperlite取得了很好的市场反响，Easton随即全面投入铝合金自行车部件的制造，包括车把、把立、坐管、前叉内管、车架管材等等，并在此后长期致力于改进变径管材制造工艺，以更精确地控制管壁，进而消除应力点，这项自有技术被命名为“Taperwall”，烙刻在不计其数的中高端车架和部件上。但在当时，Easton觉得铝合金抽管是一项公知的制造工艺，所以他们并没有去申请专利。倒是Answer积极申请专利，并和Easton一起成为专利受让人。


▲1994年的Yeti ARC，车架全部采用高品质的Easton管材



▲Easton和Taperwall也成为了高品质管材工艺的代名词

Answer和Easton的研究还提到，同样数量的材料，圆管的强度在一定范围内同管径成正比，增大车把直径，就可以大幅提高车把强度、抗扭刚性和把立接合摩擦力。这就是后来推出31.8mm和35mm车把标准的理论基础，也使得制造700mm、800mm宽度的车把成为了可能，改善了硬派山地车的操控性。


▲继31.8mm标准之后，Deda又于2012年推出了35mm口径车把和把立标准，更轻、更强，是自行车工业的永恒追求

25年过后，山地车行业已是千帆竞驶，Charles Teixeira的构想让变径管在金属和碳纤维部件上得到了广泛运用，当年划时代的铝合金抽管成为了自行车制造业中一项平常工艺。在它的基础上，还催生了液压成型和气压成型等新技术，变径金属管材被塑造成更复杂的形状，也使得许多自行车部件变得更轻、更强、更美观，普惠大众。


▲碳纤维车架和管材同样要运用变径技术，只不过将机械推挤金属改成了多层拼贴碳布



▲液压成型可以在抽管的基础上做出更为多变的造型，并利用特定的截面形状，来获得额外的强度或弹性



▲液压成型流程图，机械推挤变成了高压液体推挤


▲卜威等厂商掌握的气压成型技术则将铝合金塑形推向了新的起点

三蛋

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