產品型號：MB25

材質：碳鋼車

用途：山地車

尺寸規格：16 英寸

車架結構：其它

是否折疊：否

開發生產碳纖維自行車是當今自行車工業領域致力研究的課題,本文在介紹國內外碳纖維自行車研制的過程和現狀取得成果的基礎上,著重對整體車架從形態設計、有限元受力分析、成型工藝三個方而進行的研究開發進行了分析。關鍵詞:　碳纖維　自行車　設計　工藝　　自行車是人們日常生活中不可缺少的代步工具,其造價低廉,維修簡單,使用方便,深受世界各國人民喜愛,形成了巨大的自行車消費市場,隨著現代社會的飛快發展,自行車已不僅僅是交通和運輸工具,已具有集健身、旅游、競賽等多種功能。因此迫切需要有新形態、新材料的自行車出現,以使自行車外觀更具美感,重量進一步下降,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合材料,它有重量輕、比強度高、比剛度大的優點,而且具有可設計性和易成型性,從而使設計的結構有更高的結構效率。目前,世界各國都對研制新形態、新材料的自行車投入了巨大的人力、物力、財力。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、英國和我國臺灣等都已開發生產出碳纖維自行車車架。1　碳纖維自行車的研制過程與現狀1.1　國外現狀80年代中期,意大利、法國、英國和美國利用他們在復合材料和工程塑料方面的技術優勢,相繼開發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,強度、剛度卻比鉻鉬鋼車架高,因此一經研制成功,便被用作專門的比賽用車。歐美等國的自行車廠商與研究部門密切合作,對自行車進行了計算機輔助受力分析和強度計算,使自行車外形更符合人機工程學的要求。他們先用纖維編織機將碳纖維編成車架狀的“骨架”,再放置在模腔內,注入樹脂后進行加溫加壓固化,再對其表面進行光整處理。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,碳纖維自行車在歐洲市場的地位不斷上升,年銷售輛已達幾萬輛。傳統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,國外廠商將粘接型和整體型進行了“混合”技術。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,外部看起來似整體成型,以確保自行車的強度。1.2　我國臺灣碳纖維自行車發展現狀80年代初期,臺灣是世界上最大的自行車出口基地,然而到了80年代中期,臺灣自行車工業由于其高科技含量低,失去了在國際市場上的競爭力。于是便開始著手研制碳纖維自行車。1985年,臺灣最大的自行車廠商之一捷安特(Ｇｉａｎｔ)公司與臺灣材料研究室(ＭＲＬ)共同開發碳纖維自行車,他們在不長的時間內取得了一系列科研成果,成功地開發了一種新穎的鋁合金金屬壓注接頭膠接碳纖維自行車構架。1988年,捷安特公司開始批量生產聯合開發的碳纖維自行車構架,并組裝整車上市,在島內外自行車市場引起了極大的反響,獲得了每年一百萬輛的市場份額,這種高科技自行車的成功開發,使捷安特一舉成為世界著名商標,捷安特自行車得以順利地暢銷美國、日本、澳大利亞和歐洲共同體國家,捷安特公司的碳纖維
自行車得以占領全球的60%市場份額。繼鋁合金壓注接頭碳纖維自行車研制生產取得巨大成功之后,ＭＲＬ和ＡＣＤ公司又瞄準了新的目標,于1993年聯合開發出整體碳纖維自行車構架,使臺灣自行車工業發展上了一個新臺階。1.3　國內現狀1993年,我國天津飛鴿自行車(集團)公司和北京環航復合材料公司聯合投資開發粘接型碳纖維自行車。深圳中華自行車公司自籌資金在1993年底建成一個生產廠,生產自行車用碳纖維管,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內目前還是空白,因此研制開發包括輕便車、賽車等先進復合材料自行車系列產品,不僅可以填補國內空白,而且還可取代進口,節約大量外匯。2　自由形態整體車架研制與開發2.1　車架形態設計由于膠接碳纖維自行車架的造型仍然沿用傳統自行車的菱型,Ｕ型等框架式結構,缺少變化和現代美感,已不能滿足現代社會人們對新奇美的追求。我們結合仿生學及人機工程學,設計出具有自由形態的賽車(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,以投消費者審美之好,刺激其消費欲望。(ａ)　　　　　　　　　　　　　　(ｂ)　　　　　　　　　　　　　　(ｃ)圖1　幾種自行車形態方案　　賽車采用羚羊造型,它最大的特點視覺效果好,速度感強烈;山地車采用游泳運動員劃水造型,它粗獷大方,集旅游、運動及代步于一體,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。上述幾種車架形態從外形看,屬流線形結構,線條流暢,給人以一種簡潔明快之感。2.2　用有限元對車架進行力學分析在復合材料可供利用的各種優異性能中,力學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,各部分受力情況分析非常復雜,難于列出偏微分方程,因此也就無法用解析法進行力學行為分析,必須采用有限元素法進行計算。有限元法是將車架視作由若干單元組成,各個單元與單元之間由結點連結,整個車架的變形狀態用這些結點的位移和結點力來表示。我們利用美國ＡＬ ＧＯＲ公司的ＳｕｐｅｒＦＥＡ軟件包,對碳纖維整體車架進行了力學行為分析。其中最危險鋪層上第一主方向的最大拉伸應力為332ＭＰａ,最大壓縮應力為227ＭＰａ,最大剪應力為15.7ＭＰａ,采用Ｔｓａｉ-Ｈｕ失效準則,最危險處的失效因子僅為0.1,可見車架具有足夠的強度儲備,對車架進行剛度分析,鞍座處的最大相對變形為2.7ｍｍ,中軸處最大相對變形為0.9ｍｍ,車架側向基本無變形,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鍵環節,成型工藝的選擇取決于制品的形狀、物理性能要求和用途。我們設計的自行車架的結構特點是:自由形態的三維曲面、非等徑結構、截面變化比較大,因此在反復實驗的基礎上,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1)工藝過程簡單,避免了預浸料這一中間環節;(2)低壓注膠,節約了附加設備的費用;(3)封閉式模具操作,作業環境清潔;(4)易于實現自動化;(5)制件表面質量好。
本項科研成果,車架造型新穎,用有限元法對自由形態的結構進行了力學分析,給碳纖維制品的鋪層設計提供了堅實的基礎,開發出自由形態的自行車整體車架成型工藝,實驗表明,用這種工藝成型的車架性能良好,纖維體積含量較高,已研制出樣車數量,車架重量(包括預埋件)小于1.2ｋｇ,整車重量小于7.5公ｋｇ。