產(chǎn)品型號(hào)：MB25

材質(zhì)：碳鋼車(chē)

用途：山地車(chē)

尺寸規(guī)格：16 英寸

車(chē)架結(jié)構(gòu)：其它

是否折疊：否

開(kāi)發(fā)生產(chǎn)碳纖維自行車(chē)是當(dāng)今自行車(chē)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(chē)研制的過(guò)程和現(xiàn)狀取得成果的基礎(chǔ)上,著重對(duì)整體車(chē)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(kāi)發(fā)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞:　碳纖維　自行車(chē)　設(shè)計(jì)　工藝　　自行車(chē)是人們?nèi)粘Ｉ�活中不可缺少的代步工�?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(ài),形成了巨大的自行車(chē)消費(fèi)市場(chǎng),隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛快發(fā)展,自行車(chē)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(chē)出現(xiàn),以使自行車(chē)外觀更具美感,重量進(jìn)一步下降,騎乘舒適性更好。自行車(chē)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(chē)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(chē)投入了巨大的人力、物力、財(cái)力。車(chē)架是自行車(chē)的骨架,它在很大程度上決定了自行車(chē)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(kāi)發(fā)生產(chǎn)出碳纖維自行車(chē)車(chē)架。1　碳纖維自行車(chē)的研制過(guò)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(kāi)發(fā)成功了用碳纖維管和鋁合金接頭粘接成車(chē)架的碳纖維自行車(chē)。其車(chē)架重量較鉻鉬鋼車(chē)架輕,強(qiáng)度、剛度卻比鉻鉬鋼車(chē)架高,因此一經(jīng)研制成功,便被用作專(zhuān)門(mén)的比賽用車(chē)。歐美等國(guó)的自行車(chē)廠商與研究部門(mén)密切合作,對(duì)自行車(chē)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(chē)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(chē)架狀的“骨架”,再放置在模腔內(nèi),注入樹(shù)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(chē)架,隨著碳纖維整體車(chē)架成型工藝的研制開(kāi)發(fā),碳纖維自行車(chē)在歐洲市場(chǎng)的地位不斷上升,年銷(xiāo)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(chē)架也讓位于整體車(chē)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(chē)架及ＫＥＳＴＲＥＬ車(chē)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(chē)的強(qiáng)度。1.2　我國(guó)臺(tái)灣碳纖維自行車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀80年代初期,臺(tái)灣是世界上最大的自行車(chē)出口基地,然而到了80年代中期,臺(tái)灣自行車(chē)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(kāi)始著手研制碳纖維自行車(chē)。1985年,臺(tái)灣最大的自行車(chē)廠商之一捷安特(Ｇｉａｎｔ)公司與臺(tái)灣材料研究室(ＭＲＬ)共同開(kāi)發(fā)碳纖維自行車(chē),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(kāi)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(chē)構(gòu)架。1988年,捷安特公司開(kāi)始批量生產(chǎn)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的碳纖維自行車(chē)構(gòu)架,并組裝整車(chē)上市,在島內(nèi)外自行車(chē)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(chē)的成功開(kāi)發(fā),使捷安特一舉成為世界著名商標(biāo),捷安特自行車(chē)得以順利地暢銷(xiāo)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(chē)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(chē)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(kāi)發(fā)出整體碳纖維自行車(chē)構(gòu)架,使臺(tái)灣自行車(chē)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(chē)(集團(tuán))公司和北京環(huán)航復(fù)合材料公司聯(lián)合投資開(kāi)發(fā)粘接型碳纖維自行車(chē)。深圳中華自行車(chē)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(chē)用碳纖維管,目前已研制出可焊接碳纖維管自行車(chē)。整體成型碳纖維車(chē)架?chē)?guó)內(nèi)目前還是空白,因此研制開(kāi)發(fā)包括輕便車(chē)、賽車(chē)等先進(jìn)復(fù)合材料自行車(chē)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(chē)架研制與開(kāi)發(fā)2.1　車(chē)架形態(tài)設(shè)計(jì)由于膠接碳纖維自行車(chē)架的造型仍然沿用傳統(tǒng)自行車(chē)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(mǎn)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(chē)(圖1-ｃ)、山地車(chē)(圖1-ｂ)和女式輕便車(chē)(圖1-ａ)碳纖維整體車(chē)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(chē)形態(tài)方案　　賽車(chē)采用羚羊造型,它最大的特點(diǎn)視覺(jué)效果好,速度感強(qiáng)烈;山地車(chē)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(jué)。女式輕便車(chē)采用白天鵝造型,它短小精悍,外形漂亮、美觀。上述幾種車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(jiàn)車(chē)架具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備,對(duì)車(chē)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(chē)架側(cè)向基本無(wú)變形,均為較滿(mǎn)意的值。2.3　碳纖維自行車(chē)整體車(chē)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(chē)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(shù)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(guò)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(chē)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(kāi)發(fā)出自由形態(tài)的自行車(chē)整體車(chē)架成型工藝,實(shí)驗(yàn)表明,用這種工藝成型的車(chē)架性能良好,纖維體積含量較高,已研制出樣車(chē)數(shù)量,車(chē)架重量(包括預(yù)埋件)小于1.2ｋｇ,整車(chē)重量小于7.5公ｋｇ。