自行車車架分析報告(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上自行車車架分析報告 2014年11月4號一、自行車車架材料分析車架材料最早是使用鉻鉬鋼，然后進(jìn)化到使用鋁合金，再然后是復(fù)合材料的使用如碳纖維。廠商不斷的在研發(fā)新材料配方，提升管件和結(jié)構(gòu)設(shè)計能力，并創(chuàng)新加工技術(shù)。為的就是讓車架更輕、更強(qiáng)、更舒適和美觀。目前，制造自行車車架的材料主要有以下幾種：鋼，鋁合金，鈦合金，鎂合金，鈧合金，碳纖維等。一般市場上出現(xiàn)的車架主要有鋼，鋁合金，鈦合金，碳纖維。鉻鉬鋼（Fe-Cr-Mo）在自行車的100年歷史當(dāng)中，鐵素材是剛性與重量方面都均衡的理想素材。鐵制車架的最大特徵是可在各種成份，各種粗細(xì)厚薄的鐵管中，任意選擇所需要的鐵管進(jìn)行加快。因

2、此可以選擇最適合于的尺寸、剛性、騎感的車架，這對于數(shù)毫米的差異也敏感的老車手來說是很有好處的。它的最大的缺點是比起其他的素材重(過去)。但是最近的鐵素材車架經(jīng)過熱處理，把薄的管道做成粗的管來使用，其重量不會輸給輕的合金。鉻鉬鋼是鉻、鉬的合金。它的性能如下：淬火性好。對回火處理的抵抗性大?；鼗鸫嘈詢A向少。高溫加工性好，加工后美觀。熔接性好。鉻鉬鋼車架的優(yōu)點(1).加工性好鉻鉬鋼的車架是歷史最久的車架，因此對它的研究時間也最長?，F(xiàn)在能做到車架所需強(qiáng)度的極薄的管道。(2).沖擊的吸收性能好騎感極好，如像彈簧般的騎感。構(gòu)成車架的鉻鉬鋼管道有優(yōu)異的吸收沖擊的性能。(3).焊接容易鉻鉬鋼比起鈦、鋁焊接容易

3、?？梢栽O(shè)計成名種形狀。另外，焊接后也不需要熱處理，因此不需要大型的熱處理設(shè)備，成本低。(4).價格便宜雖然有些高擋次的鉻鉬鋼車架價格貴，但一般價格便宜。也可以說，用便宜的價格買到高擋次的車架。鉻鉬鋼車架的缺點(1).容易生銹車架用的鉻鉬鋼含有鉻，但是添加量少(不銹鋼含有12%的鉻)的鐵系合金。若沒有施有表面處理的話，有傷口時容易生銹。但是一般都有進(jìn)行防銹加工。自行車的場合，管道的肉壓薄，生銹后的影響將會非大。生銹肉壓減少強(qiáng)度下降(應(yīng)力集中)。(2).金屬的疲勞顯著(應(yīng)力集中引起的金屬疲勞).鋁合金（Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)）很久以前就有用鋁合金制作的車架。輕而價格低是它的優(yōu)

4、點。但是從輕來說，當(dāng)前與鐵素材比較相差并不大。老車手對它的反應(yīng)是雖輕但易彎曲 。雖然經(jīng)過多次改進(jìn)，但是始終克服不了楊氏彈性模量低的缺點。最近的鋁合金車架，為了提高楊氏彈性模量，加大管道外徑，使用扁平管，或者對鋁管進(jìn)行熱處理等，制造出輕而有剛性的車架，這種最新的鋁合金車架對車手來說，具有足夠的輕量與剛性。鋁合金是純鋁中加入Mg，Zn，Si，Cu等金屬的合金。鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點，加入其他金屬后顯著提高了機(jī)械性能。自行車所使用的鋁合金多數(shù)為6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu)兩種，經(jīng)過熱處理(鋁耐高溫，在高溫下能改變性質(zhì))可以制成名種各樣的材料。

5、6000系被認(rèn)為是耐腐蝕、強(qiáng)度好、焊接性也好的材料。7000系是鋁合金中最強(qiáng)的材料。尤其是7075是特超硬鋁(制造飛機(jī)的材料)，但是它的焊接難度大，耐腐蝕性差(會發(fā)白)等鋁合金車架的優(yōu)點 (1).可以制作重量輕的車架鋁的比重輕但不夠硬，為了增強(qiáng)強(qiáng)度把它制成合金并施予熱處理。熱處理采用時效析出增強(qiáng)法，簡單地說，在金屬內(nèi)形成一種妨礙金屬變形的物質(zhì)。在某種高溫下進(jìn)行熱處理時，會引起時效析出，若沒有經(jīng)過這個程序的車架，也會引起常溫時效。就是說把車架放置在房間內(nèi)也會逐漸變強(qiáng)。 許多鋁合金制車架用6061-T6材料來制造。T6標(biāo)志表示經(jīng)過熱處理、時效。若沒有熱處理的話強(qiáng)度只能達(dá)到1/2，或者1/5的程度。

6、 有7075標(biāo)志的自行車零件(如XTR曲柄等)，嚴(yán)格來講沒有經(jīng)過熱處理。也就是說因沒有時效，因此是常溫時效。7075合金本來就必要進(jìn)行熱處理，通過熱處理其強(qiáng)度可以增加5倍。 另外，7005合金也常用來制造車架，它的強(qiáng)度比不上7075，但是它在常溫下也能夠進(jìn)行足夠的時效的材料。這種材料也可用Padded加工制成薄料。但是材料本身的強(qiáng)度及楊氏彈性模量低，因此加粗管道直徑來提高剛性。通常被稱作鋁制粗管道的是這種類型。 (2)長時間使用外觀不怎么變化 鋁本身是很容易受腐蝕的金屬，在空氣中幾乎不存在沒有被氧化的鋁，放置在空氣中馬上被氧化而形成很薄的氧化膜。為什么不生銹呢？原因是該氧化膜達(dá)到一定的程度時防

7、止繼續(xù)生銹。該氧化膜幾乎是無色因此外觀上不容易發(fā)現(xiàn)變化(有時會發(fā)白)。 另一方面，騎這種材料制造的自行車時，騎的次數(shù)越多，應(yīng)力發(fā)生的次數(shù)也高，強(qiáng)度也顯著引起變化。近來為了謀求輕量，許多車架使用薄料來制作(薄的程度已達(dá)到極限)。這些都是使用沒有疲勞極限的鋁合金來制作車架，到底長時間使用后強(qiáng)度變化將是如何呢！Dedacciai公司制作的SC61-10A等是表面施有噴丸硬化加工(KET處理)的管道，這種加工的目的是延長疲勞的壽命。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，能提高140%。，KET處理是：疲勞破壞是在金屬表面上所發(fā)生的裂縫為起因，因此用硬化加工技術(shù)來提高金屬表面的硬度。 鋁合金車架的缺點 (1).鋁是彈性率及剛

8、性低的材料。因此采用粗的管道，或者改變形狀如cross-over管、padded管等。 (2).需要進(jìn)行熱處理 必需進(jìn)行熱處理，否則強(qiáng)度不夠。因此一般的規(guī)模不大的工廠無能力購買熱處理設(shè)備。尤其是6000系的鋁合金管，多數(shù)情況是管道廠家指定熱處理條件。 (3).剛性，強(qiáng)度較低。騎感不佳。. 鈦、鈦合金（Ti,Ti-Al-V)美國在60年代首次使用鈦合金來制作自行車車架。鈦合金給人的印象是輕而硬。早期的鈦合金車架，作為比賽用車，剛性不足，其車架不適合于長距離賽車，也不是適用于所有的比賽，只適合用在山岳，或者Big reces, Time traial等需要輕型車的特定的場合。開始時鈦合金使一些人著

9、迷，曾經(jīng)有些熱中于輕量化的騎手，把所有的螺絲都換成鈦合金制的才滿意。鈦金屬給一些人錯覺，貴而稀有，實際上鈦是地球上埋藏量豐富的元素之一。只是由于合金的制作成本高，價格才較貴。 金屬鈦比重輕、強(qiáng)度大，同時耐腐蝕性高的材料，一般用在特殊的環(huán)境里。在金屬鈦里添加鋁、釩(Li.V)時強(qiáng)度顯著提高，熱處理也和鋁合金一樣通過時效處理可以提高強(qiáng)度。鈦合金車架的優(yōu)點 (1).可以制作輕量而強(qiáng)度大的車架 純鈦金屬的強(qiáng)度更高。在鈦金屬中添加鋁和釩，彈性更高(和鋁比較)，也有利于設(shè)計。(2).不生銹鈦在一般的環(huán)境下幾乎不會被腐蝕。但是它有另一種腐蝕現(xiàn)象即異種金屬腐蝕。例如，不同種類的合金接合在一起時，成為電極狀態(tài)，

10、電位差使局部通電引起腐蝕。對此現(xiàn)象采取的措施是用脂膏等來絕緣(混有金屬粉末的脂膏，如商品名：Ti Plepu等)。這種金屬粉末防止脂膏流失，即使流失后也用來防止緊密接觸。這種金屬粉末有導(dǎo)電性也不要緊，接觸后被較小的荷重破壞掉。這種現(xiàn)象稱為粘住，它和烘焙是不同的。 粘住、咬合：金屬之間通過腐蝕來接合的現(xiàn)象。 烘焙接合：加工金屬時所產(chǎn)生的熱量來溶融接合(3).騎感好鈦也用在避震器的彈簧上。現(xiàn)在用鈦制成的車架適合于長時間的騎行。有些車手酷愛鈦制車架，認(rèn)為騎感極佳。但是個人各異，有人和鉻鉬鋼比較后認(rèn)為，鉻鉬鋼的車架沖擊吸收性比鈦車架好，騎感也比鈦車架好(這和鉻鉬鋼車架的形狀以及用薄的管的結(jié)果應(yīng)力得到增

11、大也有關(guān))。假若鈦管的加工技術(shù)得到進(jìn)一步改進(jìn)，也許會有和鉻鉬鋼同樣的騎感。 有些鈦制車架使人感到搖擺，這也許是使用plane管(沒有加padded的，厚薄不能變化的管)有關(guān)。或者雖使用高強(qiáng)度的鈦合金，但沒有用薄的管等也有關(guān)系。.碳纖維（CERP）自行車作為生活中常用的代步工具，以其造價低廉、維修簡單、使用方便等特點而深受人們的喜愛，形成了巨大的消費市場、隨著現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展，自行車已由原來單純的交通和運輸工具而演變成為集健身、旅游、競賽等多種功能的運動器械，這就要求其外觀更美，重量更輕，騎乘也更為舒適自行車檔次的高低取決于車體材料的選擇和做工，典型的低、中、高檔自行車構(gòu)架分別由碳鋼、鉻鉬臺金

12、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、比剛度太等優(yōu)點，而且具有可設(shè)計性和易成型性，從而得產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)構(gòu)有更高的效率目前，世界各國都對研制新形態(tài)、新材料的自行車投入了巨大的人力、物力、財力美、英等國家都已開發(fā)生產(chǎn)出碳纖維自行車整體車架整體式碳維行車擺脫了傳統(tǒng)的菱形模式，造型更流暢和活潑多變，車架裝飾更豐富多彩、鮮艷別致。碳纖維車架的特征是輕、不彎曲、沖擊吸收性好，但是，充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異性能，在技術(shù)上看起來不是那么容易，各碳纖維材料廠家之間的品質(zhì)差異也較大。自行車廠家考慮到成本問題，不大可能使用高等級的碳纖維來制作車架。雖然存在上述的現(xiàn)實問題，但是碳纖維車架還是

13、具有其它素材所沒有的優(yōu)點，可以制造8、9kg左右的輕量自行車，這種碳纖維輕量自行車，登坡時最能體現(xiàn)其優(yōu)點，登坡順利而爽快。而不會像一些輕的鋁合金車架，登坡時感到有一種向后拉的力量。 碳纖維是把碳纖維用樹脂凝固成形的東西。非常輕，但它是具有方向性的材料(拉伸強(qiáng)但容易斷)，因此采用把薄料層層重疊的方法來解決缺點。碳纖維車架的優(yōu)點 (1).可以制作重量輕的車架 碳纖維車架是把碳纖維對著發(fā)生應(yīng)力的方向?qū)訉盈B而得到強(qiáng)度。碳纖維車架非常輕，這是它的密度和強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度構(gòu)成的。 (2).沖擊吸收性好 碳纖維用來制作殘疾者運動時用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領(lǐng)域。利用它的吸收沖擊力優(yōu)異的性能，制作不用避震器

14、的自行車。如SCOTT廠的ELEVATED車架是著名的。但是各個廠家之間的品質(zhì)差異較大，有的很硬，因此這種車架乘騎后才能知道好或者不好。(3).可以制造各種形狀的車架 碳纖維的基本成型方法是，在模具上鋪上纖維片然后流入樹脂并燒固。可以制成各種形狀的車架。如TREK的Y車架是著名的。 碳纖維車架的缺點 (1).復(fù)雜的應(yīng)力計算 構(gòu)成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點是拉伸強(qiáng)度強(qiáng)，但剪斷強(qiáng)度弱，加工時需要進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力計算(縱剛性、橫剛性)，根據(jù)計算把碳纖維片重疊成型。加工技術(shù)各廠家各異，應(yīng)選擇有經(jīng)驗而可*廠家的制品是很重要的。(2).難于更改尺寸 由于作好模具后成型，難于更改尺寸。無法相應(yīng)多尺寸多款式

15、的訂單。 (3).老化碳纖維含有樹脂因此也可以說耐酸。但是對碳纖維來說應(yīng)多考慮內(nèi)在因素，它用樹脂因此樹脂老化的可能性是存在的。碳纖維制自行車不使用時應(yīng)該避開陽光，日光和環(huán)境的溫度對它的影響最大.鎂合金鎂合金作為目前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料!廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)&汽車工業(yè)&通訊電子業(yè)等領(lǐng)域鎂合金突出的優(yōu)異性能受到了自行車生產(chǎn)廠家與客戶的青睞!逐漸被各大公司應(yīng)用于自行車的零部件生產(chǎn)#近年來!國內(nèi)外的許多公司紛紛開始了鎂合金自行車架的研發(fā)!許多知名廠商已經(jīng)成功地生產(chǎn)出性能優(yōu)越的鎂合金車架自行車并投入使用!取得了很好的效果 鎂合金車架的優(yōu)點(1).高的比強(qiáng)度、比剛度應(yīng)用于自行車架的材料中，鋼的強(qiáng)度和剛

16、度是最好的。同時，鎂合金的抗拉強(qiáng)度、彈性模量也明顯低于鋁合金和鋼。但是，鎂合金的比剛度與鋼、鋁合金幾乎相同，比強(qiáng)度更是優(yōu)于鋁合金。幾乎是鋼的5倍。因此，鎂合金在進(jìn)行自行車架設(shè)計時，通過截面變化及表面處理等手段?？梢詼p輕鎂合金性能低的不利因素!改善鎂合金的使用性能。(2). 優(yōu)異的減振性能許多鎂合金都具有優(yōu)異的減振性能，能吸收沖擊與振動。鎂合金的單位減振性能比硬鋁高100倍，比合金鋼高20倍，比鈦合金高300500倍.這一特點使以鎂合金為車架的自行車具有更好的騎行舒適性(3).其他主要優(yōu)點 鎂合金的優(yōu)點還有：疲勞無記憶性能突出；密度低，很大程度上減輕了車身質(zhì)量；接觸性、生物相容性好，鎂合金在生物

17、領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，舒適的接觸性，使其非常適合用于與人體緊密接觸的零部件；易于回收，環(huán)境負(fù)荷小，被稱為綠色材料。 鎂合金車架的缺點1. 耐腐蝕性差2. 焊接性能較差綜上所術(shù)：從外觀上我們可以很容易的把這幾種材料的車架區(qū)別開來。風(fēng)格粗獷，造型狂野的是鋁架。管體纖細(xì)，骨感十足的是鋼架。而那沒有任何涂裝，渾身散發(fā)著金屬光澤的就是鈦架。碳纖維的表面則覆蓋著各種3D布的表層，極具現(xiàn)代感。二、碳纖維車架成型工藝分析1 常見復(fù)合材料成型工藝復(fù)合材料構(gòu)件的成型完全不同于傳統(tǒng)金屬零件的翻造它是材料形成與構(gòu)件成型同時完成的，構(gòu)件性能與翻造工藝緊密相關(guān)，構(gòu)件質(zhì)量在很大程度上依賴于制造技術(shù)碳纖維制品的成型，是指將碳纖

18、維按不同方向、不同層數(shù)鋪設(shè)出制品形狀，在一定壓力和溫度下固化成型而復(fù)合材料成型工藝，較常見的有以下5種11 裱糊成型工藝它是用手工將預(yù)浸料裱糊在模具上，然后固化成型此法最大的優(yōu)點是工藝裝備簡單，靠手工完成比較復(fù)雜的操作，能加工出形狀復(fù)雜的零件，適用于小批量生產(chǎn)；缺點是生產(chǎn)效率低，勞動條件差，勞動強(qiáng)度大筆者采用該工藝試制出的碳纖維整體車架樣件，表觀質(zhì)量尚可，但尺寸精度較差，工藝穩(wěn)定性差12 纖維纏繞成型工藝它是開發(fā)最早的連續(xù)成型工藝，即纖維通過樹脂膠槽浸上樹脂后按照一定的規(guī)律纏繞在轉(zhuǎn)動的芯模上，然后經(jīng)加熱使膠液固化成型它的一個突出特點是能夠按照制品的受力情況，將纖維按一定規(guī)律排布，從而充分發(fā)揮纖

19、維的強(qiáng)度，獲得輕質(zhì)高強(qiáng)的制品；在工藝上能實現(xiàn)連續(xù)化、機(jī)械化生產(chǎn)，并且生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，勞動強(qiáng)度小，適用于制造圓柱體、球體及某些正曲率回轉(zhuǎn)體或筒形制品13 拉擠工藝它是發(fā)展速度較快的一種成型工藝，即纖維通過樹脂槽浸漬樹脂后進(jìn)人加熱模具固化，制成各種各樣不同形狀的型材其優(yōu)點是能一次壓制出形狀復(fù)雜、尺寸準(zhǔn)確的零件，生產(chǎn)率高，但工藝裝備復(fù)雜，不適于制備批量小、尺寸大的產(chǎn)品14 樹脂傳遞模壓工藝(RTM)RTM(resin transfer moulding)工藝是9o年代最熱門的一種成型工藝，即先將增強(qiáng)材料做成預(yù)成型件放人封閉模具中，在真空和壓力的條件下，樹脂被注人模具而固化成型其特點是：1)工

20、藝過程簡單，避免了預(yù)浸料這一中闊環(huán)節(jié)；2)低壓注膠，節(jié)約了附加設(shè)備的費用3)封閉式模具操作，作業(yè)環(huán)境清潔；4)易于實現(xiàn)自動化和計算機(jī)控制；5)制件表面質(zhì)量好因此，RTM技術(shù)有很好的發(fā)展前景15 編織成型工藝三維編織的過程是參加編織的所有纖維都沿同一方向排列，然后每根纖維束都沿自己的方向偏移一個角度互相交織形成織物的過程采用三維編織的復(fù)合材料具有整體性力學(xué)的合理性兩大特點，其在剪切強(qiáng)度、抗沖擊損傷特性等性能方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的層合復(fù)合材料，因此采用編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料發(fā)展迅速三維編織分圓機(jī)和方機(jī)兩種，用這兩種機(jī)器可以編織出許多復(fù)雜的編織物但這些復(fù)雜形狀大多來源于兩種基本形狀長方體和厚壁的圓管2 碳纖維

21、自行車整體車架成型工藝成型工藝是碳纖維車架制品的關(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筆者設(shè)計的有機(jī)形態(tài)自行車車架的結(jié)構(gòu)具有自由形態(tài)的三維曲面、非等徑結(jié)構(gòu)、截面變化比較大等特點，因而無法采用纏繞法和拉擠法；而編織成型工藝，在編織之前，必須使用計算機(jī)對制作零件的編織物進(jìn)行設(shè)計和計算，由于車架是三維自由曲面，難于構(gòu)造出數(shù)學(xué)模型，無法進(jìn)行編程計算，因此難以采用編織法 基于以上原因，在多方調(diào)研和分析比較的基礎(chǔ)上，決定采用RTM 的改進(jìn)工藝真空輔助RTM成型工藝21 工藝裝置真空輔助RTM工藝裝置(如圖1)主要由樹脂注射機(jī)、成型模具、抽真空設(shè)備三部分組成 圖1 RTM工藝裝置示意圖211 樹脂注射機(jī)由計量泵、注射頭組成計量泵含有樹脂泵、固化劑泵及計量裝置樹脂及固化劑經(jīng)計量泵按一定的比例加壓輸入注射頭中，經(jīng)注射頭混合后注入模具這種方法注射速度易于控制，樹脂和固化劑只在注射頭中混合，因而可長期存放，且注射結(jié)束后易于清洗212 成型模具采用鋁合金制造，鋁合金模具使用壽命長(25000次)，表面質(zhì)量庭好模具結(jié)構(gòu)為組合形式，有定位、鎖緊、開啟、密封裝置注射口位于模具最低點即車架前臉管附近，排出口在樹脂較難流到的車架后叉鉤處抽真空設(shè)備同排出口相連接，在注射機(jī)注射樹脂的同時抽真空這樣能增加樹脂傳遞