Chất liệu khung dùng trong xe đạp

Khung xe đạp được hoàn thiện bằng rất nhiều chất liệu, trong đó, thường sử dụng nhất và phổ biến nhất là 4 loại chất liệu: thép, nhôm, titan và carbon, mỗi chất liệu đều có ưu, nhược điểm cùng với mục đích sử dụng khác nhau, 4 chất liệu này sẽ ảnh hưởng đến giá thành, khả năng tải, trọng lượng, cảm giác lái và độ ổn định.

Hãy cùng xem qua chi tiết và khả năng nổi trội của từng loại vật liệu để biết được chất liệu gì phù hợp với bạn:

Yếu tố trọng lượng

Bạn cần một chiếc xe khoẻ, không chỉ để đạp mà còn có khả năng tải tốt để chở thêm đồ đạc hoặc thậm chí để chở 2 – 3 người. Mỗi loại chất liệu đều có khả năng tải khác nhau, nhưng có một yếu tố bạn cần lưu ý đó là khung khoẻ thường tỷ lệ thuận với trọng lượng, như vậy không thể đòi hỏi một chiếc khung nhẹ mà khả năng tải nặng tốt được.

Mục đích sử dụng

Nếu như ưu tiên hàng đầu của bạn là một chiếc xe đạp để đua, bạn cần nó phải thật nhẹ, hẳn nhiên việc chọn khung xe bằng vật liệu nhẹ phải là ưu tiên của bạn, và ngược lại, bạn cần một chiếc xe khoẻ, đúng hơn là xe thồ, để có thể chở thêm đồ đạc như lều, balo và quần áo cho những chuyến đi dài thì độ bền và độ tải của xe phải là ưu tiên hàng đầu.

Môi trường sử dụng

Đây là yếu tố cũng không kém phần quan trọng, nếu như phải thường xuyên đạp xe trong môi trường khí hậu ẩm, gần biển, khả năng bị oxy hoá rất cao, thì chất liệu thép tuy cứng và bền nhưng theo thời gian sẽ rất dễ bị gỉ sét nếu không bảo dưỡng kịp thời, chất liệu nhôm có lẽ sẽ phù hợp hơn.

Thời hạn sử dụng

Tất cả mọi loại chất liệu đều có thời hạn sử dụng tiêu chuẩn của nó, có loại thời hạn ngắn và có loại rất lâu. Với thép, rất bền và ổn định nhưng dễ bị oxy hoá nếu không bảo dưỡng, nhôm thì tránh được một phần oxy hoá nhưng thời gian sử dụng cũng không được lâu như thép, còn với carbon thì thời hạn sử dụng sẽ không lâu như titan, thép và nhôm.

Khả năng tài chính

Mỗi chất liệu đều có giá thành đắt rẻ khác nhau, tuỳ theo khả năng tài chính mà bạn cân nhắc chọn cho mình chất liệu phù hợp, trong đó có thể nói Titan và Carbon là 2 dòng chất liệu đắt nhất, sau đến nhôm và thép.

Khung Carbon

Carbon fiber (sợi carbon) chắc chắn là vật liệu tuyệt vời dùng trong xe đạp. Nhờ tỷ lệ độ cứng và trọng lượng nhẹ, đáp ứng được hầu hết các thiết kế kiểu cách và phức tạp. Đó đó, nhà sản xuất có thể tối ưu các đường nét trên khung để đáp ứng đòi hỏi về khí động học, như các đường cong, kiểu dáng hiện đại mà vẫn không làm giảm tính chịu lực của loại vật liệu này.

Carbon fiber được sử dụng bắt đầu từ những năm 80 và trở thành vật liệu phổ biến đầu những năm 90. Vật liệu này được đánh giá cao vì tính chất nhẹ so với khung thép thời đó và nhanh chóng trở thành vật liệu thay thế thép. Ban đầu, do chi phí sản xuất cao và phương pháp sản xuất phức tạp, nên nó không được sử dụng rộng rãi, nhưng tất cả đều được cải thiện dần theo thời gian. Ngày nay, nó được sử dụng rộng rãi hầu hết trên các dòng khung Road, MTB, E-bike…

Ưu điểm của sợi carbon: Độ cứng cao so với tỷ lệ trọng lượng, khả năng hao phí vật liệu trong quá trình sản xuất thấp, giãn nở nhiệt thấp, chống ăn mòn, độ bền cao.

Nhược điểm của sợi carbon: Yêu cầu thiết kế phức tạp, nhất là cách bố trí lớp carbon ở các mối nối, phần chịu lực nhiều. Nếu xảy ra nứt gãy hay sai thiết kế ở phần này, khung sẽ không đảm bảo an toàn khi sử dụng.

Về thành phần cấu tạo của khung được làm bằng Carbon fiber, đây chính là sự kết hợp của các sợi carbon và nhựa đông đặc (resin) – đây là chất keo kết dính giữa các lớp carbon với nhau. Đối với các lớp carbon, nó được dệt bằng các sợi carbon siêu mỏng, kích thước mảnh hơn nhiều so với 1 sợi tóc, nhìn giống như 1 tấm vải, các lớp sợi carbon này đặt chồng lên nhau và được cố định bằng nhựa đông đặc (resin).

Để chế tạo 1 chiếc khung carbon, người ta phải tính toán rất kỹ về lực tác động trong quá trình vận hành, các góc nối, góc cong và cách xếp các lớp carbon ở góc này vô cùng quan trọng, cách xếp lớp carbon này sao cho nó có thể trở nên cứng cáp, hấp thụ lực tốt, nếu không nó rất dễ bị uốn cong. Và đối với mỗi hãng chế tạo, công thức sắp xếp này thường khác nhau tuỳ theo thiết kế của mỗi hãng, và được kiểm soát và kiểm tra rất nghiêm ngặt. Điều này có thể khác với các loại khung carbon rẻ tiền khi việc sắp xếp các lớp carbon này không tuân theo 1 quy chuẩn và chỉ xếp theo đúng thiết kế định hình, khả năng chịu lực sẽ không được đảm bảo một cách tốt nhất.

Sợi carbon có 2 loại, cứng hoặc dai, không có sợi nào vừa cứng lại vừa dai cả, do đó, khi thiết kế khung carbon, các kỹ sư phải biết cách sắp đặt các loại sợi này, các sợi dai sẽ ưu tiên sắp xếp vào những phần chịu nhiều tác động lực ví dụ như phần cổ xe (head-tube), vị trí này cần khả năng hấp thụ lực tốt, do đó nó không được quá cứng mà phải bền, dai và sức chịu đựng tốt. Còn tại những vị trí cần định hình và độ cứng như trục giữa (bottom bracket) thì những sợi carbon có đặc tính cứng sẽ được ưu tiên hơn. Việc sắp đặt này cần rất nhiều quá trình test và thử nghiệm, do đó giá thành của khung carbon không bao giờ là rẻ.

Khi có tác động lực tại một điểm nào đó trên khung vượt quá mức chịu đựng của vật liệu này, ví dụ như té ngã và va theo chiều được sắp của sợi carbon, hoặc siết ốc quá chặt đều có thể làm khung bị nứt, và khi khung có dấu hiệu nứt, nó không còn liên kết các thành phần khác với nhau, lúc này bạn nên thay thế khung mới và không còn lựa chọn khác.

Video quá trình làm ra khung carbon

Khung Nhôm

Chất liệu nhôm là chất liệu được sử dụng phổ biến nhất trên xe đạp ngày nay, không chỉ được dùng để chế tác khung xe, mà nhôm còn được ứng dụng để chế tạo hầu hết các phụ tùng trên xe đạp. Nhôm có khối lượng riêng khá nhẹ, rất phù hợp trong việc chế tạo khung xe, hơn nữa, nếu so sánh việc sản xuất khung nhôm so với khung carbon thì theo ước tính của các nhà sản xuất, khung nhôm đơn giản hơn gấp 14 lần.

Ưu điểm của nhôm: Dễ thiết kế và sản xuất, chi phí sản xuất thấp, chống ăn mòn, độ bền cao.

Nhược điểm của nhôm: Khó sửa chữa, thời gian sử dụng có giới hạn.

Để sản xuất khung nhôm, vật liệu nhôm luôn luôn được bổ sung thêm các hợp chất và khoáng chất khác để gia tăng độ cứng và khả năng chịu lực của nhôm. Với sự tiến bộ của kỹ thuật đúc và luyện kim ngày nay, khung nhôm có nhiều thiết kế tối ưu cho các lớp dày mỏng khác nhau (Butted), ở mỗi phần để tăng độ chịu lực và giảm trọng lượng.

Các ống nhôm thẳng (Straight gauge) rõ ràng sẽ không có mức độ liên kết cứng và khoẻ (khi hàn) bằng các loại ống nhôm khác có gia cố thêm các lớp ở bên trong, với Single Butted (gia cố 1 đầu), Double Butted (gia cố 2 đầu) và Triple Butted (gia cố 3 lớp), thay vì sử dụng các ống nhôm dày sẽ làm tăng trọng lượng, nhà sản xuất chỉ cần tăng độ dày ở các mối nối tuỳ vào khớp nối ở đó là gì, ví dụ như ống cốt yên (seat tube) thì chỉ cần gia cố 1 đầu ở phía trục giữa. Các ống gia cố cả hai đầu dùng cho ống dưới (down-tube). Việc tăng mức độ gia cố này làm tăng độ bền và độ ổn định cho khung, do đó, chi phí chế tạo sẽ cao hơn so với các loại khung nhôm rẻ tiền, thường chỉ dùng ống nhôm thẳng (straight gauge).

Trong kỹ thuật chế tác khung nhôm, một kỹ thuật khác cũng được ứng dụng đó là Hydroforming, mục đích của nó là tạo dáng và tăng độ cứng cho ống nhôm. Ống nhôm sẽ được định hình vào khuôn sau đó người ta sẽ dùng hệ thống nén thuỷ lực để ép ống nhôm theo hình thù đã được thiết kế.

Khung nhôm nếu được chế tác đúng phương pháp, kỹ thuật về tạo hình, gia nhiệt, thì sẽ có tuổi thọ và độ bền rất lâu, nhưng chỉ cần thiếu các bước này thì tuổi thọ khung nhôm sẽ còn thấp hơn cả carbon, dĩ nhiên là không thể bằng thép hoặc titanium.

Tuy nhiên có một điều không thể phủ nhận đó là khung nhôm là lựa chọn tối ưu về giá thành, kiểu dáng và trọng lượng.

Hàn TIG là quy trình không thể thiếu. Mối hàn TIG sử dụng cùng vật liệu làm khung và mục đích là tạo ra mối hàn mịn, dày, đều xung quanh đường kính của các ống nối. Tay nghề kém sẽ thấy mối hàn bị thay đổi với độ dày không đồng đều và có khoảng trống xung quanh đường kính của ống. Các nhà sản xuất hàng đầu trên thế giới hiện sử dụng máy hàn Robot để có độ đồng nhất tuyệt đối.

Khung Thép

Thép là sự lựa chọn phổ biến của khung xe đạp từ phổ thông đến xe cao cấp cho đến khi nhôm xuất hiện vào những năm 1970 và 1980 và sợi carbon chiếm ưu thế vào những năm 1990.

Có hai loại thép riêng biệt được sử dụng trong ngành công nghiệp xe đạp. Đầu tiên là loại thép High tensile, hay còn được gọi là ‘Hi-Ten’, đây là loại thép rẻ hơn thường được dùng để sản xuất các dòng xe đầm, xe phổ thông, và mini, v.v. Loại thép này có trọng lượng nặng và độ bền cao, nhưng giá thành rẻ nên thường được sử dụng để giảm chi phí sản xuất cho các dòng xe phổ thông.

Trong khi đó, những chiếc xe đạp bằng thép cao cấp hơn có thể sử dụng thép Chromoly, viết tắt là ‘Cro-Mo’, là loại thép hợp kim có đặc tính về tỷ trọng giữa độ cứng và trọng lượng cao hơn Hi-Ten và do đó nó làm cho khung xe vừa cứng, bền lại có trọng lượng nhẹ hơn Hi-Ten.

Vật liệu thép không đắt, độ bền cao, dễ sửa chữa và dễ gia công. Không giống như sợi carbon và nhôm, nếu bị cong hoặc nứt, vẫn có thể uốn lại hoặc đắp hàn. Khả năng tải nặng và chịu lực của thép rất tốt. Nhược điểm của thép là dễ bị oxy hóa (gỉ rét) và thường nặng hơn các vật liệu khác.

Các dòng xe touring (du lịch) và adventure thường được làm từ thép nhờ độ bền và sức mạnh vượt trội. Điều này giúp người lái có thể mang theo một lượng lớn hành lý mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của xe.

Ưu điểm của thép: Giá thành rẻ, dễ sản xuất, sức mạnh, độ bền.

Nhược điểm của thép: Nặng hơn các vật liệu khác, dễ bị gỉ sét.

Khung Titan

Titanium (Titan) có nhiều đặc tính giống với thép nhưng nhẹ hơn, không bị oxy hoá nên có độ bền cao hơn. Nhược điểm chính là vật liệu Titanium rất đắt và kỹ thuật chế tác cũng không phải chuyện đơn giản. Do đó, khung titan được sản xuất rất hạn chế và chỉ dùng trong các dòng xe đạp cao cấp và đặc biệt. Titan là hợp kim và bên trong nó thường có một tỷ lệ nhỏ nhôm và Vanadi trong thành phần của nó.

Titanium tuy có nhiều ưu điểm nhất trong tất cả các vật liệu nhưng xét về tính thương mại, nó đều không có chỗ đứng so với 3 vật liệu còn lại. Tuy nhiên, titan có tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng tốt hơn thép, độ bền cao và hấp thụ lực tốt như carbon. Và điều đặc biệt là, hầu như tất cả các nhà sản xuất khung titan đều cung cấp bảo hành trọn đời đối với các sản phẩm của họ.

Ưu điểm của tian: Sức mạnh, độ bền, không bị gỉ sét, trọng lượng nhẹ.

Nhược điểm của titan: Giá thành và vật liệu sản xuất cao.

Titanium được chế tạo tương tự như khung nhôm hoặc thép. Khi các ống titan được đo và cắt, sau đó chúng thường được hàn TIG lại với nhau. Quá trình hàn khác với thép và nhôm vì titan phản ứng kém với oxy. Khí argon thường được bơm vào để lọc hết oxy trong quá trình hàn. Một số nhà sản xuất tạo ra các buồng hàn hoàn toàn không có oxy, chứa đầy argon.

Bài viết tham khảo từ website Bike Exchange

https://www.bikeexchange.com/blog/bike-frame-materials-explained