軒建舉

摘 要：以電動(dòng)自行車的車架為研究對(duì)象，特別是著重在選材料方面、工藝方面、經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行闡述并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)方面的分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在使用性能方面、車的重量方面進(jìn)行論述。特別是對(duì)碳纖維材料相對(duì)于鋼的各方面優(yōu)點(diǎn)并且能在滿足自行車的使用要求的前提下進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：碳纖維 高性能復(fù)合材料 電動(dòng)自行車車架

WCF管

近年來電動(dòng)自行車的出現(xiàn)為人們的日常生活帶來了很大的方便，在市場上也獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但在車的結(jié)構(gòu)上還不完善，特別是對(duì)自行車車架的選材方面還不完善。普遍采用鋼材作為自行車車架的材料，這樣既浪費(fèi)材料又增加車的重量，為此選用一種既輕便又經(jīng)濟(jì)的且又能滿足工作要求的材料。既WCF（Weldable Carbon Fiber）管，它是一種可焊接的碳纖維復(fù)合材料管。

1 WCF管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WCF管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及碳纖維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料管、金屬接頭等結(jié)構(gòu)的原材料選取、制作工藝等因素。

1.1 原材料選取

目前，在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中使用的新材料按基體組分類，主要有新金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料等四大類；按材料性質(zhì)分類，有結(jié)構(gòu)材料和功能材料；按用途分類有能源材料、航空航天材料、信息材料、生物醫(yī)學(xué)材料等，其中先進(jìn)復(fù)合材料是由耐溫性好的基體材料和高性能增強(qiáng)纖維復(fù)合而成的具有優(yōu)異性能的新型材料，對(duì)于先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料，不僅對(duì)增強(qiáng)纖維的品種，質(zhì)量性能有較高的要求，而且樹脂基體也從熱固性中溫性向熱塑性高溫性發(fā)展。

1.2 制作工藝的選取

傳統(tǒng)的復(fù)合材料的加工方法已經(jīng)發(fā)展到幾十種，主要有手糊法、噴射法、壓制法、樹脂傳遞模塑法、纏繞成型法、離心成型法、袋壓法、連續(xù)成型法等。它們之間各有特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。至于傳統(tǒng)的復(fù)合材料管大多是采用預(yù)浸料卷管工藝制作的，管子的疲勞性能和耐沖擊性能存在較大問題。

對(duì)于自行車來講主要是民用產(chǎn)品，所追求的方法是自動(dòng)化程度高，性能價(jià)格比高的工藝方法。因此條件成熟的方法是最先進(jìn)的樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝是首先選擇的方法。并且這種方法的工藝簡單、模具造價(jià)低、作業(yè)環(huán)境干凈、制品表面質(zhì)量好等特點(diǎn)而著稱。

2 WCF管的生產(chǎn)工藝

WCF管的制作工藝決定了自行車的生產(chǎn)成本，選取的工藝原則是成本低、效率高、工藝穩(wěn)定、質(zhì)量高、易控制。

2.1 備模

在制作泡沫芯之前，應(yīng)該清洗殘留于模具、芯桿和堵頭部件上的泡沫等雜質(zhì)，并用軟布擦凈它們的表面，保證其表面光滑，無毛刺、無油污及碎屑等雜物，并且在模具芯桿和堵頭部件的工作表面上均勻地涂上好脫模蠟，以保證成品質(zhì)量。

2.2 發(fā)泡

首先，應(yīng)該根據(jù)所用發(fā)泡機(jī)的類型，將發(fā)泡機(jī)的工藝參數(shù)，如壓力、溫度、配比等預(yù)先設(shè)置好；然后，按配比將所使用的A料和B料兩組分發(fā)泡劑在一定的壓力下通過加熱軟管預(yù)熱，隨后送到混合頭，經(jīng)混合后由注射腔壓入混合腔，并立即射入備好的模具中，接著迅速插入芯桿，塞上緒頭并固定在模架上；待泡沫在模具內(nèi)經(jīng)熟化后松開夾具，卸掉模具兩端堵頭。并將泡沫連同芯桿一起頂出，制成泡沫芯。

2.3 泡沫芯檢查

泡沫芯的質(zhì)量，特別是它的外表面質(zhì)量及其尺寸，決定了復(fù)合材料管的內(nèi)表面的質(zhì)量和尺寸。首先，在泡沫芯制作完畢后，應(yīng)該檢查泡沫芯外觀情況，表面如有凹凸坑、直徑大于2mm的透明氣泡、開放性氣孔及泡沫芯斷裂等現(xiàn)象，則此泡沫芯應(yīng)廢棄，重新發(fā)泡；其次，如果泡沫芯直徑誤差超過0.1mm，也應(yīng)廢棄。

2.4 編織帶制作

對(duì)于所設(shè)計(jì)的WCF管，編織機(jī)是其制作工序中重要的加工工具之一，主要用來制作復(fù)合材料預(yù)成型織物。編織帶的制作主要是在編織機(jī)上。編織機(jī)的工作原理是將繞在紗筒上的纖維掛在一個(gè)線軸上，線軸在機(jī)器上排成圓筒，機(jī)器上的線軸分為兩組，一組正時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，另一組反時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，線軸相遇時(shí)互相交錯(cuò)，所以兩組線軸相向交錯(cuò)形成8字形的運(yùn)動(dòng)軌跡，于是纖維互相交織在芯模上形成預(yù)成型織物。編織帶牽引機(jī)是制作編制帶的專門機(jī)構(gòu)，編織機(jī)將互相交織的纖維編織在編織頭上形成套狀編織物，編織帶牽引機(jī)上的兩個(gè)牽引輪相互擠壓轉(zhuǎn)動(dòng)，將貶值頭上的編織物牽引出來，形成編制帶。

3 WCF管的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

WCF管的設(shè)計(jì)思路即運(yùn)用了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，先進(jìn)復(fù)合材料力學(xué)等分析手段又考慮了粘接工藝、編織工藝以及自行車車架結(jié)構(gòu)的制作工藝。與普通的金屬材料管、復(fù)合材料管相比WCF管及其結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

3.1 WCF管的設(shè)計(jì)思路建立于自行車的實(shí)際受力情況，使其結(jié)構(gòu)更趨于合理；

3.2 WCF管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自行車，既解決了復(fù)合材料管與金屬構(gòu)件直接焊接技術(shù)問題，又不改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制作工藝；

3.3 WCF管復(fù)合材料部分采用編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；

3.4 WCF自行車架以最少的高級(jí)碳纖維材料達(dá)到了最高的性能價(jià)格比；

3.5 WCF車架具有良好的吸振性，這是鋼和鋁合金車架所不具備的；

4 自行車車架的設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝及性能

上面討論了WCF管才的優(yōu)點(diǎn)、性能以及承載能力經(jīng)濟(jì)性所以用這種材料來制作自行車車架是非常合適的。用這種管材為自行車車架優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、具有鈦合金、合金碳維自行車的基本性能，但價(jià)格遠(yuǎn)低于它們，市場前景廣闊。下面就對(duì)這種自行車車架的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行討論。

4.1 力學(xué)模型的建立

自行車雙三角菱形車架是自行車產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展的結(jié)果，目前仍然改變不了菱形車架的主導(dǎo)地位。用有限元法是工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)行為研究的一種有效方法，圖中描述了用梁單元對(duì)菱形車架進(jìn)行有限元分析的情況，這個(gè)有限元模型中的梁單元是采用三個(gè)自由度的歐拉——貝努力（Euler—Bernoulli）梁。利用這些梁單元模型進(jìn)行自行車車架的數(shù)值模擬可求出頭管受扭、和下管的彎曲以及軸向和切向的變形、受力情況。下圖是自行車車車架有限元分析模型圖。

5 WCF自行車車架的剛度分析

WCF自行車車架結(jié)構(gòu)的上管、下管、座管為WCF管，頭管以及后三角平叉、立叉為鉻鉬管，各個(gè)構(gòu)件之間的連接是通過氬弧焊來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)自行車車架在實(shí)際使用中的受載方式，對(duì)于整體自行車車架結(jié)構(gòu)的剛性試驗(yàn)，采用頭管受扭，無通受側(cè)向力，座通受側(cè)向力三種載荷形式。

對(duì)于自行車車架的頭管扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是固定自行車車架的后軸、中軸和座通讓一靜扭矩以垂直于車架對(duì)稱面的法線方向和頭管中心軸線方向施加在頭管上，測量在規(guī)定扭矩M下的最大轉(zhuǎn)角量；對(duì)于五通受測向負(fù)荷試驗(yàn)是，固定后軸和頭管。讓一靜力垂直于車架對(duì)稱面施加在中軸上測量在規(guī)定載荷P下的最大唯一量；對(duì)于座通受測向試驗(yàn)是，固定后軸和頭管，讓一靜力垂直于車架對(duì)稱面施加在座通上，測量在規(guī)定載荷下P下的最大位移量。

6 WCF自行車車架的疲勞特性

研究WCF自行車車架抵抗疲勞破壞的性能對(duì)于自行車的安全行駛、壽命估計(jì)具有重要意義，可以在專用疲勞試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)自行車車架的五通兩側(cè)施加交變載荷，載荷稍大一點(diǎn)為85kg，頻率稍多一點(diǎn)為250次/min，通過對(duì)測試看WCF自行車車架的疲勞循環(huán)次數(shù)是多少，在這么多次數(shù)之前若沒有任何微裂出現(xiàn)，又沒有其它破壞跡象現(xiàn)象發(fā)生，再與鉻鉬鋼自行車的疲勞循環(huán)次數(shù)作比

7 WCF自行車車架的沖擊試驗(yàn)

對(duì)于電動(dòng)車而言，他不同于普通的自行車，試驗(yàn)方面主要有兩項(xiàng)：落重試驗(yàn)和車架/前叉組合件沖擊試驗(yàn)。這兩種實(shí)驗(yàn)的方法都和普通自行車實(shí)驗(yàn)的方法一樣。

8 結(jié)束語

通過對(duì)WCF管的力學(xué)性能分析可知WCF管的各項(xiàng)異性時(shí)期固有很淺的客舍機(jī)型，與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有高的比強(qiáng)度，高的比模量以及較低的生產(chǎn)成本、工藝性好等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢必將為WCF管向其他工程領(lǐng)域的推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。他不僅能滿足人們對(duì)生活水平提高的舒適的要求。而且也顯示了很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).陸關(guān)興、王耀先編著.華東化工學(xué)院出版社.1991年

[2] 復(fù)合材料力學(xué).呂恩琳編著.重慶大學(xué)出版社.2014年.

[3] 合成膠粘劑的性質(zhì)和性能測試.科學(xué)出版社.金士九、金晟娟編著.科學(xué)出版社.2006年.

[4] 自行車制造工藝學(xué).輕工業(yè)出版社.自行車制造工藝學(xué)編寫組編.2012年.

[5] 焊接工藝人員手冊.上海科學(xué)技術(shù)出版社.俞尚知編著.2009年.