碳纤前叉断裂分析报告

扛着爱打天下

按照国家质检总局规定的检测标准进行型式试验，2005年以来出口碳纤维前叉和车架的型式试验不合格率较高。从不合格项分析统计表明(图1)，4批不合格车架全部都是落下冲击试验造成立管上部开裂(典型实物照片见图2)；9批不合格前叉全部都是能量吸收试验不合格，其中4批为立管下部粘接处开裂(典型实物照片见图3)，另5批为叉腿或叉肩处开裂(典型实物照片见图4)；而且这9批前叉中有3批的前叉腿对称度、1批的前叉开口处垂直度也不合格。
3、不合格原因分析及建议
碳纤维用于制造自行车及其零部件是近几年迅速流行起来的，深圳地区的生产厂家大多在2004年以后才投产。相对不太成熟的生产工艺和不太稳定的产品质量，是碳纤维车架和前叉型式试验首次送检不合格率相对较高的主要原因。
1)    碳纤维前叉结构设计不太合理，导致前叉局部受力不均
强度是自行车安全要求的最重要指标，而前叉吸收能量试验是前叉强度的一个重要考核指标，主要用于评价自行车骑行过程中其前叉能否经受住突然的撞击。目前，美国、日本、加拿大、澳大利亚以及我国的QB 1881标准均规定需要对前叉进行能量吸收试验，它们对该实验的技术要求大致相同。
有些工厂的前叉生产设计人员过多强调前叉的刚度，一些碳纤前叉的叉腿几乎呈扁平状，前叉在能量吸收试验中叉腿的刚性比前叉立管大，致使前叉整体受力不均，在立管与叉肩的粘接处成为相对薄弱、应力比较集中之处，当应力集中超过立管的屈服强度时，立管产生永久塑性变形，甚至断裂(见图3)。因此，前叉立管粘接处是容易开裂的薄弱部位，生产和检验时都应重点关注。
2)    车架座管接头处理不当，成薄弱环节
车架前叉组合件落下冲击试验是车架强度的重要考核指标。目前，ISO、日本、英国、法国以及我国国标和轻工部标准对此均有规定，其技术要求大致相同。
车架在进行该项落下冲击试验时，不合格的主要原因在于车架立管部位处理不当成薄弱环节。某些CFRP车架生产设计人员没有在车架座管处镶嵌金属衬，或因结构问题镶嵌的金属衬太薄，在进行此项试验时碳纤维车架很容易在座管处开裂；有些车架的立管内壁凹凸不平，凹陷处的立管壁厚显然偏薄，受力冲击时成为容易开裂的薄弱环节；另外，车架立管上部偏长也是容易导致车架进行组合件落下冲击试验开裂的原因之一。因此，车架立管部位的生产和设计值得注意。
3) 碳纤维原材料的品质问题
碳纤维长期以来被视为战略物资，发达国家一直对外实行封锁。目前我国碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4％左右，用量的90％以上靠进口，几乎供不应求。
不同品级的碳纤维原材料其质量和成本相差较大，自行车生产厂家考虑到成本因素，大多采用标准级或高模量级碳纤维(两者的成本相差30~40%)，很少使用优质的超高模量的碳纤维。因此，在优质碳纤维原料供不应求的状况下，难免有些不法商人以次充好，使自行车生产厂进口的原材料品质不稳定，加上生产工艺的不稳定，容易造成碳纤维自行车产品的质量问题。
4)       建议
a) 改进碳纤前叉叉腿的端面结构，使其端面略呈椭圆型，避免出现“扁平型”，以便降低叉腿的局部刚性，提高前叉整体的弹性变形能力，降低或消除应力集中；
b) CFRP性能的各向异性非常明显。建议生产厂家结合产品结构造型，采用先进的复合材料设计和制造模拟软件，尽可能准确算出实际使用时的受力分布，同时给出生产时碳纤维层叠、热成型等生产工艺的最佳参数，使碳纤产品的整体强度达到最高；
c) 选用优质的粘接剂，改进和提高粘接工艺，减少粘合处的应力集中，加强粘合处的强度；
d) 研究碳纤维自行车产品整体成型新技术和新工艺，发展整体成型碳纤新产品，从根本上解决前叉、车架粘接处的薄弱问题；
e) 重视产品质量，加强质量管理和在线产品质量控制，特别应加强对原材料的进料质量控制，确保在线质量监督切实有效，实现产品质量的相对稳定。
f) 碳纤自行车产品本是高成本高产出的高端产品，生产厂家更应以战略的眼光树立和培养自主品牌，开发并生产真正世界一流的碳纤自行车产品。