碳纤维自行车车架的研制与开发
摘要: 开发生产碳纤维自行车是当今自行车工业领域致力研究的课题,本文在介绍国内外碳纤维自行车研制的过程和现状取得成果的基础上,着重对整体车架从形态设计、有限元受力分析、成型工艺三个方而进行的研究开发进行了分析。关键词: 碳纤维 自行车 设计 工艺 自行车是人们日常生活中不可缺少的代步工具,其造价低廉,维修简单,使用方便,深受世界各国人民喜爱,形成了巨大的自行车消费市场,随着现代社会的飞快发展,自行车已不仅仅是交通和运输工具,已具有集健身、旅游、竞赛等多种功能。因此迫切需要有新形态、新材料的自行车出现,以使自行车外观更具美感,重量进一步下降,骑乘舒适性更好。自行车档次的高低取决于材料的选择和做工。典型的低、中、高档自行车构架分别由碳钢、铬钼合金及铝合金和碳纤维制造。碳纤维是一种新型的复合材料,它有重量轻、比强度高、比刚度大的优点,而且具有可设计性和易成型性,从而使设计的结构有更高的结构效率。目前,世界各国都对研制新形态、新材料的自行车投入了巨大的人力、物力、财力。车架是自行车的骨架,它在很大程度上决定了自行车的造型和使用性能。美国、英国和我国台湾等都已开发生产出碳纤维自行车车架。1 碳纤维自行车的研制过程与现状1.1 国外现状80年代中期,意大利、法国、英国和美国利用他们在复合材料和工程塑料方面的技术优势,相继开发成功了用碳纤维管和铝合金接头粘接成车架的碳纤维自行车。其车架重量较铬钼钢车架轻,强度、刚度却比铬钼钢车架高,因此一经研制成功,便被用作专门的比赛用车。欧美等国的自行车厂商与研究部门密切合作,对自行车进行了计算机辅助受力分析和强度计算,使自行车外形更符合人机工程学的要求。他们先用纤维编织机将碳纤维编成车架状的“骨架”,再放置在模腔内,注入树脂后进行加温加压固化,再对其表面进行光整处理。由此研究出重量轻、刚度大的碳纤维整体车架,随着碳纤维整体车架成型工艺的研制开发,碳纤维自行车在欧洲市场的地位不断上升,年销售辆已达几万辆。传统型的碳纤维管和铝合金接头的粘接式车架也让位于整体车架。这其中具有代表性的是法国Ｌｏｏｋ公司的ＫＧ-196和ＤＯＮＮＡＹ公司的ＰＲＯ9000整体式车架及ＫＥＳＴＲＥＬ车架。到了90年代,国外厂商将粘接型和整体型进行了“混合”技术。即用碳纤维管和多通接头作“底”外敷缠绕碳纤维层,使多通接管掩埋在里面,外部看起来似整体成型,以确保自行车的强度。1.2 我国台湾碳纤维自行车发展现状80年代初期,台湾是世界上最大的自行车出口基地,然而到了80年代中期,台湾自行车工业由于其高科技含量低,失去了在国际市场上的竞争力。于是便开始着手研制碳纤维自行车。1985年,台湾最大的自行车厂商之一捷安特(Ｇｉａｎｔ)公司与台湾材料研究室(ＭＲＬ)共同开发碳纤维自行车,他们在不长的时间内取得了一系列科研成果,成功地开发了一种新颖的铝合金金属压注接头胶接碳纤维自行车构架。1988年,捷安特公司开始批量生产联合开发的碳纤维自行车构架,并组装整车上市,在岛内外自行车市场引起了极大的反响,获得了每年一百万辆的市场份额,这种高科技自行车的成功开发,使捷安特一举成为世界著名商标,捷安特自行车得以顺利地畅销美国、日本、澳大利亚和欧洲共同体国家,捷安特公司的碳纤维
自行车得以占领全球的60%市场份额。继铝合金压注接头碳纤维自行车研制生产取得巨大成功之后,ＭＲＬ和ＡＣＤ公司又瞄准了新的目标,于1993年联合开发出整体碳纤维自行车构架,使台湾自行车工业发展上了一个新台阶。1.3 国内现状1993年,我国天津飞鸽自行车(集团)公司和北京环航复合材料公司联合投资开发粘接型碳纤维自行车。深圳中华自行车公司自筹资金在1993年底建成一个生产厂,生产自行车用碳纤维管,目前已研制出可焊接碳纤维管自行车。整体成型碳纤维车架国内目前还是空白,因此研制开发包括轻便车、赛车等先进复合材料自行车系列产品,不仅可以填补国内空白,而且还可取代进口,节约大量外汇。2 自由形态整体车架研制与开发2.1 车架形态设计由于胶接碳纤维自行车架的造型仍然沿用传统自行车的菱型,Ｕ型等框架式结构,缺少变化和现代美感,已不能满足现代社会人们对新奇美的追求。我们结合仿生学及人机工程学,设计出具有自由形态的赛车(图1-ｃ)、山地车(图1-ｂ)和女式轻便车(图1-ａ)碳纤维整体车架,以投消费者审美之好,刺激其消费欲望。(ａ) (ｂ) (ｃ)图1 几种自行车形态方案 赛车采用羚羊造型,它最大的特点视觉效果好,速度感强烈;山地车采用游泳运动员划水造型,它粗犷大方,集旅游、运动及代步于一体,有回归大自然的感觉。女式轻便车采用白天鹅造型,它短小精悍,外形漂亮、美观。上述几种车架形态从外形看,属流线形结构,线条流畅,给人以一种简洁明快之感。2.2 用有限元对车架进行力学分析在复合材料可供利用的各种优异性能中,力学性能处于最重要的地位。它决定了碳纤维制品的综合性能。由于车架为自由形态,各部分受力情况分析非常复杂,难于列出偏微分方程,因此也就无法用解析法进行力学行为分析,必须采用有限元素法进行计算。有限元法是将车架视作由若干单元组成,各个单元与单元之间由结点连结,整个车架的变形状态用这些结点的位移和结点力来表示。我们利用美国ＡＬ ＧＯＲ公司的ＳｕｐｅｒＦＥＡ软件包,对碳纤维整体车架进行了力学行为分析。其中最危险铺层上第一主方向的最大拉伸应力为332ＭＰａ,最大压缩应力为227ＭＰａ,最大剪应力为15.7ＭＰａ,采用Ｔｓａｉ-Ｈｕ失效准则,最危险处的失效因子仅为0.1,可见车架具有足够的强度储备,对车架进行刚度分析,鞍座处的最大相对变形为2.7ｍｍ,中轴处最大相对变形为0.9ｍｍ,车架侧向基本无变形,均为较满意的值。2.3 碳纤维自行车整体车架成型工艺成型工艺是碳纤维制品的关键环节,成型工艺的选择取决于制品的形状、物理性能要求和用途。我们设计的自行车架的结构特点是:自由形态的三维曲面、非等径结构、截面变化比较大,因此在反复实验的基础上,决定采用树脂传递模塑工艺(ＲＴＭ)。工艺流程图如图2所示。图2 工艺流程图ＲＴＭ工艺的特点1)工艺过程简单,避免了预浸料这一中间环节;(2)低压注胶,节约了附加设备的费用;(3)封闭式模具操作,作业环境清洁;(4)易于实现自动化;(5)制件表面质量好。
本项科研成果,车架造型新颖,用有限元法对自由形态的结构进行了力学分析,给碳纤维制品的铺层设计提供了坚实的基础,开发出自由形态的自行车整体车架成型工艺,实验表明,用这种工艺成型的车架性能良好,纤维体积含量较高,已研制出样车数量,车架重量(包括预埋件)小于1.2ｋｇ,整车重量小于7.5公ｋｇ。参考文献1 邢玉民译.自行车实用手册.北京:轻工业出版社,19842 陈绍杰主编.复合材料设计手册.北京:航空工业出版社,19903 杨向东等.碳纤维整体自行车车架造型设计的力学分析.郑州轻工 业学院学报.1995;(4)4 肖翠荣等.复合材料工艺学.长沙:国防科大出版社,1990ＥＸＰＬＯＴＡＴＩＯＮＯＦＴＨＥＦＲＡＭＥＯＦＣＡＲＢＯＮＦＩＢＥＲＢｌＣＹＣＬＥＴａｏＨａｏ ＤｕａｎＨｏｎｇｊｉｅ ＹａｎｇＸｉａｎｇｄｏｎｇ(ＺｈｅｎｚｈｏｕＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｙ)Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｅｘｐｌｏｔｉｎｇｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｂｉｃｙｃｌｅｉｓａｓｕｂｊｅｃｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｂｉｃｙｃｌｅｉｎｄｕｓｔｙ.ｌｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ,ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ,ｐｒｅｓｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｉｓ,ａｎｄｒｅｓｕｌｔｏｆｓｔｕｄｙｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｂｉｃｙｃｌｅｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄａｂｒｏａｄａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.ｌｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｂｉｃｙｃｌｅｗｉｔｈｆｒｅｅｓｈａｐｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔ,ｓｈａｐｅｄｅｓｉｇｎ,ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｈａｐｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅ ｂｉｃｙｃｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 收稿日期:1997-05-04(上接第16页) (2)多次试验结果表明单层可剥布及单层或两层吸胶毡单位面积吸树脂量比较稳定,而三层以上则偏差较大,层数越多,偏差越大。(3)在叠层块的上面或下面放置吸胶毡,其单位面积吸树脂量有时是不一样的。这是因为上、下气路不同所至。吸胶工艺组合的安排对吸胶材料上、下吸树脂量有影响,有时影响较大。3 结 论(1)若单位面积吸树脂量ｘ≤400ｇ/ｍ2时,ＱＹ8911树脂的吸树脂量可以控制得比较准确;若单位面积吸树脂量>400ｇ/ｍ2时,要看树脂的流动性是否很好。一般应控制ｘ≤400ｇ/ｍ2。(2)吸胶毡单位面积吸树脂量,两层或两层以上不是单层的倍数,其吸树脂量与树脂流动性及气路有关,应分别测定。(3)在叠层块上、下放置吸胶毡,因上、下气路不一样,有时上、下的吸树脂量不同。(4)对每一批次的树脂,使用前,首先按工艺规范测定其流动性,测定选用吸胶材料的单位面积吸树脂量(包括两层、三层和四层),再设定吸胶系统。总之,在流动性好,并可控制预浸料树脂含量的前提下,ＱＹ8911树脂是可以控制吸树脂量工艺性很好的基体材料。参考文献1 梁宪珠.热压罐法复合材料成型吸胶系统吸树脂量计算及预浸料树脂含量选择.航空工艺技术,1996;(1)52 赵渠森,王京城.航空工业部第625研究所标准Ｑ/9Ｓ33 93.Ｔ300/ＱＹ8911预浸料3 刘善国.碳/环氧复合材料工程中部分常用公式的推导.航空部625所第5届学术年会论文选编. |
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发表于 2009-1-10 20:02:47