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碳纖維自行車車架的研制與開發(fā)
摘要: 開發(fā)生產(chǎn)碳纖維自行車是當(dāng)今自行車工業(yè)領(lǐng)域致力研究的課題,本文在介紹國(guó)內(nèi)外碳纖維自行車研制的過程和現(xiàn)狀取得成果的基礎(chǔ)上,著重對(duì)整體車架從形態(tài)設(shè)計(jì)、有限元受力分析、成型工藝三個(gè)方而進(jìn)行的研究開發(fā)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞: 碳纖維 自行車 設(shè)計(jì) 工藝 自行車是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇焦ぞ?其造價(jià)低廉,維修簡(jiǎn)單,使用方便,深受世界各國(guó)人民喜愛,形成了巨大的自行車消費(fèi)市場(chǎng),隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛快發(fā)展,自行車已不僅僅是交通和運(yùn)輸工具,已具有集健身、旅游、競(jìng)賽等多種功能。因此迫切需要有新形態(tài)、新材料的自行車出現(xiàn),以使自行車外觀更具美感,重量進(jìn)一步下降,騎乘舒適性更好。自行車檔次的高低取決于材料的選擇和做工。典型的低、中、高檔自行車構(gòu)架分別由碳鋼、鉻鉬合金及鋁合金和碳纖維制造。碳纖維是一種新型的復(fù)合材料,它有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度大的優(yōu)點(diǎn),而且具有可設(shè)計(jì)性和易成型性,從而使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有更高的結(jié)構(gòu)效率。目前,世界各國(guó)都對(duì)研制新形態(tài)、新材料的自行車投入了巨大的人力、物力、財(cái)力。車架是自行車的骨架,它在很大程度上決定了自行車的造型和使用性能。美國(guó)、英國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣等都已開發(fā)生產(chǎn)出碳纖維自行車車架。1 碳纖維自行車的研制過程與現(xiàn)狀1.1 國(guó)外現(xiàn)狀80年代中期,意大利、法國(guó)、英國(guó)和美國(guó)利用他們?cè)趶?fù)合材料和工程塑料方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì),相繼開發(fā)成功了用碳纖維管和鋁合金接頭粘接成車架的碳纖維自行車。其車架重量較鉻鉬鋼車架輕,強(qiáng)度、剛度卻比鉻鉬鋼車架高,因此一經(jīng)研制成功,便被用作專門的比賽用車。歐美等國(guó)的自行車廠商與研究部門密切合作,對(duì)自行車進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助受力分析和強(qiáng)度計(jì)算,使自行車外形更符合人機(jī)工程學(xué)的要求。他們先用纖維編織機(jī)將碳纖維編成車架狀的“骨架”,再放置在模腔內(nèi),注入樹脂后進(jìn)行加溫加壓固化,再對(duì)其表面進(jìn)行光整處理。由此研究出重量輕、剛度大的碳纖維整體車架,隨著碳纖維整體車架成型工藝的研制開發(fā),碳纖維自行車在歐洲市場(chǎng)的地位不斷上升,年銷售輛已達(dá)幾萬(wàn)輛。傳統(tǒng)型的碳纖維管和鋁合金接頭的粘接式車架也讓位于整體車架。這其中具有代表性的是法國(guó)Ｌｏｏｋ公司的ＫＧ-196和ＤＯＮＮＡＹ公司的ＰＲＯ9000整體式車架及ＫＥＳＴＲＥＬ車架。到了90年代,國(guó)外廠商將粘接型和整體型進(jìn)行了“混合”技術(shù)。即用碳纖維管和多通接頭作“底”外敷纏繞碳纖維層,使多通接管掩埋在里面,外部看起來(lái)似整體成型,以確保自行車的強(qiáng)度。1.2 我國(guó)臺(tái)灣碳纖維自行車發(fā)展現(xiàn)狀80年代初期,臺(tái)灣是世界上最大的自行車出口基地,然而到了80年代中期,臺(tái)灣自行車工業(yè)由于其高科技含量低,失去了在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。于是便開始著手研制碳纖維自行車。1985年,臺(tái)灣最大的自行車廠商之一捷安特(Ｇｉａｎｔ)公司與臺(tái)灣材料研究室(ＭＲＬ)共同開發(fā)碳纖維自行車,他們?cè)诓婚L(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)取得了一系列科研成果,成功地開發(fā)了一種新穎的鋁合金金屬壓注接頭膠接碳纖維自行車構(gòu)架。1988年,捷安特公司開始批量生產(chǎn)聯(lián)合開發(fā)的碳纖維自行車構(gòu)架,并組裝整車上市,在島內(nèi)外自行車市場(chǎng)引起了極大的反響,獲得了每年一百萬(wàn)輛的市場(chǎng)份額,這種高科技自行車的成功開發(fā),使捷安特一舉成為世界著名商標(biāo),捷安特自行車得以順利地暢銷美國(guó)、日本、澳大利亞和歐洲共同體國(guó)家,捷安特公司的碳纖維
自行車得以占領(lǐng)全球的60%市場(chǎng)份額。繼鋁合金壓注接頭碳纖維自行車研制生產(chǎn)取得巨大成功之后,ＭＲＬ和ＡＣＤ公司又瞄準(zhǔn)了新的目標(biāo),于1993年聯(lián)合開發(fā)出整體碳纖維自行車構(gòu)架,使臺(tái)灣自行車工業(yè)發(fā)展上了一個(gè)新臺(tái)階。1.3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀1993年,我國(guó)天津飛鴿自行車(集團(tuán))公司和北京環(huán)航復(fù)合材料公司聯(lián)合投資開發(fā)粘接型碳纖維自行車。深圳中華自行車公司自籌資金在1993年底建成一個(gè)生產(chǎn)廠,生產(chǎn)自行車用碳纖維管,目前已研制出可焊接碳纖維管自行車。整體成型碳纖維車架國(guó)內(nèi)目前還是空白,因此研制開發(fā)包括輕便車、賽車等先進(jìn)復(fù)合材料自行車系列產(chǎn)品,不僅可以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白,而且還可取代進(jìn)口,節(jié)約大量外匯。2 自由形態(tài)整體車架研制與開發(fā)2.1 車架形態(tài)設(shè)計(jì)由于膠接碳纖維自行車架的造型仍然沿用傳統(tǒng)自行車的菱型,Ｕ型等框架式結(jié)構(gòu),缺少變化和現(xiàn)代美感,已不能滿足現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)新奇美的追求。我們結(jié)合仿生學(xué)及人機(jī)工程學(xué),設(shè)計(jì)出具有自由形態(tài)的賽車(圖1-ｃ)、山地車(圖1-ｂ)和女式輕便車(圖1-ａ)碳纖維整體車架,以投消費(fèi)者審美之好,刺激其消費(fèi)欲望。(ａ) (ｂ) (ｃ)圖1 幾種自行車形態(tài)方案 賽車采用羚羊造型,它最大的特點(diǎn)視覺效果好,速度感強(qiáng)烈;山地車采用游泳運(yùn)動(dòng)員劃水造型,它粗獷大方,集旅游、運(yùn)動(dòng)及代步于一體,有回歸大自然的感覺。女式輕便車采用白天鵝造型,它短小精悍,外形漂亮、美觀。上述幾種車架形態(tài)從外形看,屬流線形結(jié)構(gòu),線條流暢,給人以一種簡(jiǎn)潔明快之感。2.2 用有限元對(duì)車架進(jìn)行力學(xué)分析在復(fù)合材料可供利用的各種優(yōu)異性能中,力學(xué)性能處于最重要的地位。它決定了碳纖維制品的綜合性能。由于車架為自由形態(tài),各部分受力情況分析非常復(fù)雜,難于列出偏微分方程,因此也就無(wú)法用解析法進(jìn)行力學(xué)行為分析,必須采用有限元素法進(jìn)行計(jì)算。有限元法是將車架視作由若干單元組成,各個(gè)單元與單元之間由結(jié)點(diǎn)連結(jié),整個(gè)車架的變形狀態(tài)用這些結(jié)點(diǎn)的位移和結(jié)點(diǎn)力來(lái)表示。我們利用美國(guó)ＡＬ ＧＯＲ公司的ＳｕｐｅｒＦＥＡ軟件包,對(duì)碳纖維整體車架進(jìn)行了力學(xué)行為分析。其中最危險(xiǎn)鋪層上第一主方向的最大拉伸應(yīng)力為332ＭＰａ,最大壓縮應(yīng)力為227ＭＰａ,最大剪應(yīng)力為15.7ＭＰａ,采用Ｔｓａｉ-Ｈｕ失效準(zhǔn)則,最危險(xiǎn)處的失效因子僅為0.1,可見車架具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備,對(duì)車架進(jìn)行剛度分析,鞍座處的最大相對(duì)變形為2.7ｍｍ,中軸處最大相對(duì)變形為0.9ｍｍ,車架側(cè)向基本無(wú)變形,均為較滿意的值。2.3 碳纖維自行車整體車架成型工藝成型工藝是碳纖維制品的關(guān)鍵環(huán)節(jié),成型工藝的選擇取決于制品的形狀、物理性能要求和用途。我們?cè)O(shè)計(jì)的自行車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:自由形態(tài)的三維曲面、非等徑結(jié)構(gòu)、截面變化比較大,因此在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,決定采用樹脂傳遞模塑工藝(ＲＴＭ)。工藝流程圖如圖2所示。圖2 工藝流程圖ＲＴＭ工藝的特點(diǎn)1)工藝過程簡(jiǎn)單,避免了預(yù)浸料這一中間環(huán)節(jié);(2)低壓注膠,節(jié)約了附加設(shè)備的費(fèi)用;(3)封閉式模具操作,作業(yè)環(huán)境清潔;(4)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;(5)制件表面質(zhì)量好。
本項(xiàng)科研成果,車架造型新穎,用有限元法對(duì)自由形態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析,給碳纖維制品的鋪層設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),開發(fā)出自由形態(tài)的自行車整體車架成型工藝,實(shí)驗(yàn)表明,用這種工藝成型的車架性能良好,纖維體積含量較高,已研制出樣車數(shù)量,車架重量(包括預(yù)埋件)小于1.2ｋｇ,整車重量小于7.5公ｋｇ。參考文獻(xiàn)1 邢玉民譯.自行車實(shí)用手冊(cè).北京:輕工業(yè)出版社,19842 陳紹杰主編.復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:航空工業(yè)出版社,19903 楊向東等.碳纖維整體自行車車架造型設(shè)計(jì)的力學(xué)分析.鄭州輕工 業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).1995;(4)4 肖翠榮等.復(fù)合材料工藝學(xué).長(zhǎng)沙:國(guó)防科大出版社,1990ＥＸＰＬＯＴＡＴＩＯＮＯＦＴＨＥＦＲＡＭＥＯＦＣＡＲＢＯＮＦＩＢＥＲＢｌＣＹＣＬＥＴａｏＨａｏ?。模酰幔睿龋铮睿纾辏椋濉。伲幔睿纾兀椋幔睿纾洌铮睿?ＺｈｅｎｚｈｏｕＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｙ)Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｅｘｐｌｏｔｉｎｇｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｂｉｃｙｃｌｅｉｓａｓｕｂｊｅｃｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｂｉｃｙｃｌｅｉｎｄｕｓｔｙ.ｌｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ,ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ,ｐｒｅｓｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｉｓ,ａｎｄｒｅｓｕｌｔｏｆｓｔｕｄｙｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｂｉｃｙｃｌｅｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄａｂｒｏａｄａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.ｌｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｂｉｃｙｃｌｅｗｉｔｈｆｒｅｅｓｈａｐｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔ,ｓｈａｐｅｄｅｓｉｇｎ,ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｈａｐｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:?。悖幔颍猓铮睿妫椋猓颍濉。猓椋悖悖欤濉。洌澹螅椋纾睢。簦澹悖瑁睿铮欤铮纾 ∈崭迦掌?1997-05-04(上接第16頁(yè)) (2)多次試驗(yàn)結(jié)果表明單層可剝布及單層或兩層吸膠氈單位面積吸樹脂量比較穩(wěn)定,而三層以上則偏差較大,層數(shù)越多,偏差越大。(3)在疊層塊的上面或下面放置吸膠氈,其單位面積吸樹脂量有時(shí)是不一樣的。這是因?yàn)樯?、下氣路不同所至。吸膠工藝組合的安排對(duì)吸膠材料上、下吸樹脂量有影響,有時(shí)影響較大。3 結(jié) 論(1)若單位面積吸樹脂量ｘ≤400ｇ/ｍ2時(shí),ＱＹ8911樹脂的吸樹脂量可以控制得比較準(zhǔn)確;若單位面積吸樹脂量>400ｇ/ｍ2時(shí),要看樹脂的流動(dòng)性是否很好。一般應(yīng)控制ｘ≤400ｇ/ｍ2。(2)吸膠氈單位面積吸樹脂量,兩層或兩層以上不是單層的倍數(shù),其吸樹脂量與樹脂流動(dòng)性及氣路有關(guān),應(yīng)分別測(cè)定。(3)在疊層塊上、下放置吸膠氈,因上、下氣路不一樣,有時(shí)上、下的吸樹脂量不同。(4)對(duì)每一批次的樹脂,使用前,首先按工藝規(guī)范測(cè)定其流動(dòng)性,測(cè)定選用吸膠材料的單位面積吸樹脂量(包括兩層、三層和四層),再設(shè)定吸膠系統(tǒng)?？傊?在流動(dòng)性好,并可控制預(yù)浸料樹脂含量的前提下,ＱＹ8911樹脂是可以控制吸樹脂量工藝性很好的基體材料。參考文獻(xiàn)1 梁憲珠.熱壓罐法復(fù)合材料成型吸膠系統(tǒng)吸樹脂量計(jì)算及預(yù)浸料樹脂含量選擇.航空工藝技術(shù),1996;(1)52 趙渠森,王京城.航空工業(yè)部第625研究所標(biāo)準(zhǔn)Ｑ/9Ｓ33 93.Ｔ300/ＱＹ8911預(yù)浸料3 劉善國(guó).碳/環(huán)氧復(fù)合材料工程中部分常用公式的推導(dǎo).航空部625所第5屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文選編. |
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發(fā)表于 2009-1-10 20:02:47
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