竹鋼自行車架可行性研究

摘要：

本文從竹鋼材料的物理性能、力學(xué)性能入手，結(jié)合自行車設(shè)計(jì)要素，基于自行車車架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從外觀、材料、結(jié)構(gòu)等方面探討竹鋼材料在自行車架設(shè)計(jì)上的可行性、可靠性，為自行車架在低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展上提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

竹鋼 自行車架 材料 設(shè)計(jì)

中國分類號：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）07-0030-02

我國的竹資源十分豐富，竹林面積和竹產(chǎn)量居世界首位。竹鋼是以竹材料為原料的高性能竹基纖維復(fù)合材料。隨著低碳、環(huán)保理念的深入人心及全球木材資源的緊缺，竹鋼的出現(xiàn)，更能有效地保護(hù)人類的生存環(huán)境。

自行車架是自行車的靈魂，其材料的選用與自行車的使用性能息息相關(guān)，一直受到自行車設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者和使用者的重視。隨著自行車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，自行車對材料的要求越來越高，開展新材料車架的研究十分必要。

1 竹鋼的性能特點(diǎn)及用途

1.1 竹材的性能

竹材屬多年生禾本科植物，目前中國有竹種39個(gè)屬，500多種。自古至今，竹材被人們廣泛應(yīng)用于衣食住行、生活和生產(chǎn)用具當(dāng)中。從宏觀上來看竹子整體是空心厚壁圓筒竹節(jié)結(jié)構(gòu)，根部的竹節(jié)比頂部致密得多；從橫斷面來看，由竹青、竹肉和竹黃組成，竹青的質(zhì)地細(xì)密且韌性更好。竹材的微觀結(jié)構(gòu)見其SEM圖，由圖1可知，竹纖維的結(jié)構(gòu)由薄厚交替的多層構(gòu)成的，每層由更小的微纖絲構(gòu)成的，微纖絲排布方式為螺旋式，竹纖維的多層螺旋結(jié)構(gòu)提高了竹材剛度和穩(wěn)定性。

1.2 竹鋼的性能

竹鋼（見圖2）是以慈竹為原料，利用纖維制備技術(shù)、酚醛樹脂導(dǎo)入技術(shù)、干燥技術(shù)、大幅面板鋪裝技術(shù)、成型固化技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)集成，將竹材熱固樹脂高溫高壓成竹鋼。實(shí)現(xiàn)竹基纖維復(fù)合材料的高性能和可調(diào)控，最終制造成高性能多用途竹基纖維復(fù)合材。

該工藝節(jié)省了傳統(tǒng)的剖蔑工序，是竹材加工應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，使竹材的利用率從目前的20%-50%，可以提高到95%以上。其力學(xué)性能如下：抗彎強(qiáng)度>350MPa，抗拉強(qiáng)度>360MPa，抗壓強(qiáng)度>140MPa，彈性模量>30GPa，水煮膨脹率<5%，順紋壓縮強(qiáng)度>180MPa，順紋拉伸強(qiáng)度>300MPa，其強(qiáng)重比超過玻璃鋼纖維復(fù)合材料。

竹鋼性能優(yōu)異，無需特殊護(hù)理和保養(yǎng)。是負(fù)碳產(chǎn)業(yè)，十分綠色環(huán)保，對生態(tài)平衡十分有利。另外，竹鋼加工著色性能良好，可鋸切、可拼接、可連接、可砂刨、可上色、可著油漆，具有良好的耐久性、耐候性、耐腐蝕性及阻燃性等特點(diǎn)，對于沖擊荷載及周期性疲勞破壞有很強(qiáng)的抵抗力，具有最佳的抗震性，竹鋼結(jié)構(gòu)在各種條件下，均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的完整性，是“以竹代木、以竹代鋼”的最佳產(chǎn)品。

1.3 竹鋼的應(yīng)用

竹鋼因其良好的耐候、防火性能，且低碳環(huán)保、易于施工、可循環(huán)利用，已廣泛用于日常生產(chǎn)及生活中。建筑上，由于竹鋼力學(xué)性能穩(wěn)定性好，且強(qiáng)度遠(yuǎn)高于木材，耗能低，很多地方取代木材的應(yīng)用；室內(nèi)外裝飾及家具中，因竹鋼強(qiáng)度高、耐候性、加工性附著性好、紋理自然、甲醛釋放量低，廣泛應(yīng)用于地板、門窗、橋梁、棧道等，成為當(dāng)下最優(yōu)秀的室內(nèi)外裝飾材料之一。除此之外，竹鋼在電力設(shè)施、航空航天、高速公路、鐵路、化工、礦山冶金乃至軍事領(lǐng)域均有可觀的應(yīng)用前景。

2 自行車架設(shè)計(jì)

2.1 自行車架材料

自200多年前法國人西布拉克發(fā)明了自行車最原始的模型以來，自行車外觀及其材料的發(fā)展取得了很大的進(jìn)步，而自行車新材料的選用直接關(guān)乎自行車使用性能及制造工藝。所以，正確選材是保證自行車質(zhì)量和生產(chǎn)效率的必要條件。目前自行車車架制造的趨勢主要是朝著輕量化、高強(qiáng)度、舒適性以及低成本的綜合方面發(fā)展。當(dāng)今用于自行車的新材料主要有：鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金以及復(fù)合材料。

鋼是目前在自行車制造業(yè)當(dāng)中應(yīng)用范圍最為廣泛、應(yīng)用歷史最久的材料，其加工性能、焊接性能、沖擊吸收性能較好，工藝成熟，價(jià)格較低，但是鋼自行車架易生銹、抗疲勞度差、不夠輕盈；合金類材料，強(qiáng)度較高、抗腐蝕性好、表面美觀大方，但是彈性模量及剛性普遍偏低、可焊性差、成本高；復(fù)合材料車架避震性好、騎行平穩(wěn)、輕盈美觀、強(qiáng)度較高且抗疲勞性好重量輕，是一種極有前途的材料。目前用于自行車的復(fù)合材料主要是碳纖維復(fù)合材料，但其應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜、樹脂基體易老化，且尺寸單一、成本較高。

2.2 自行車的設(shè)計(jì)要素

自行車的主要部件有：車架、前叉、車把、前軸、后軸、中軸、腳蹬、飛輪、變速器、前后輪、鞍座、擋泥板、前后閘。其中車架是構(gòu)成自行車的基體聯(lián)接著自行車的其余各個(gè)部件，并承受騎者的體重及自行車在行駛時(shí)經(jīng)受各種震動和沖擊力量，因此除了強(qiáng)度以外還應(yīng)有足夠的剛度，這是為了在各種行駛條件下，使固定在車架上的各機(jī)構(gòu)的相對位置應(yīng)保持不變，充分發(fā)揮各部位的功能。

自行車的設(shè)計(jì)首先結(jié)構(gòu)上要合理，同時(shí)滿足：使用壽命長、行駛安全、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、工藝合理外形美觀，滿足強(qiáng)度和最大容許負(fù)荷、正常使用的前提下，重量越輕越好、騎行輕快舒適的要求。

2.3 自行車架設(shè)計(jì)要求

自行車車架作為自行車的骨架和主體，其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、重量及外觀將直接影響整輛自行車的承載能力、輕便及舒適程度甚至銷量。車架設(shè)計(jì)一般要滿足復(fù)雜工況、復(fù)雜受力和疲勞強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)的安全性，確保結(jié)構(gòu)具備足夠的強(qiáng)度，其次具備足夠的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

3 竹鋼在自行車架上應(yīng)用的可行性

3.1 竹鋼自行車架材料上的可行性

2008年，歐洲已有竹子制作成自行車的報(bào)道。國內(nèi)近幾年也出現(xiàn)了竹材自行車。為竹鋼材料的應(yīng)用，提供了鋪墊。竹鋼加工后，各方面的性能都優(yōu)于竹材，是作為自行車車架材料的較好的設(shè)計(jì)選材。

除此之外，竹鋼可以著色，能滿足外觀設(shè)計(jì)上的各項(xiàng)要求。而且竹鋼自行車耗能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他材料的自行車，基于此，在價(jià)格上會有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。另外，竹鋼由竹材熱固樹脂高溫高壓而成，因此可以整體成型，提高了車架之間的連接。

3.2 竹鋼自行車架結(jié)構(gòu)上的可行性

車架是自行車最主要、最重要的部件。車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到自行車的舒適度及使用壽命及使用性能。一個(gè)好的車架應(yīng)具有重量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞及抗震性好、較高的承載力、抗負(fù)荷能力、抗震能力等特點(diǎn)。所以對于車架的設(shè)計(jì)，要求車架材料的穩(wěn)定性好、質(zhì)量輕、耐騎；車架幾何外形能夠隨自行車的用途、功能靈活多變；車架尺寸能夠滿足人體工程學(xué)的各項(xiàng)要求。

竹鋼在制備過程中沒有打亂竹材纖維的排列方向，可以保持竹材原有的高強(qiáng)度的特點(diǎn)，且具有良好的耐久性、耐候性等特點(diǎn)，對于沖擊荷載及周期性疲勞破壞有很強(qiáng)的抵抗力，具有最佳的抗震性，滿足車架結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)要求。

3.3 外觀設(shè)計(jì)上的可行性

造型是自行車外在形象，其造型是消費(fèi)者十分關(guān)注的元素，它是我們關(guān)注自行車的基本點(diǎn)，出發(fā)點(diǎn)，會給人們最直接的反映。設(shè)計(jì)師們通過設(shè)計(jì)自行車的材料，造型，操作界面，色彩等，來引發(fā)消費(fèi)者積極的情感和心理感受，這就要求設(shè)計(jì)師在把握設(shè)計(jì)潮流時(shí)，能針對性地對受用群體進(jìn)行專門性的設(shè)計(jì)?；诖?，首先滿足人機(jī)工程學(xué)，騎行時(shí)候健康、安全、舒適，使騎行者的體力和精力的耗損最小嘲。其次，外觀設(shè)計(jì)上，滿足設(shè)計(jì)心理學(xué)和設(shè)計(jì)色彩學(xué)的要求。再次滿足仿生學(xué)的要求，即外觀造型設(shè)計(jì)模仿生物外形，將產(chǎn)品的審美功能和實(shí)用功能完美結(jié)合。比如模仿動物造型并配以色彩搭配，實(shí)現(xiàn)美與人性化的統(tǒng)一。

竹鋼自行車車架，在外觀設(shè)計(jì)上，能體現(xiàn)出低碳環(huán)保、親近自然、可持續(xù)的設(shè)計(jì)理念；本身的自然紋理、形態(tài)可表達(dá)竹子的原初自然的性情；依竹鋼的特性，可設(shè)計(jì)時(shí)尚、簡潔的造型，易于加工生產(chǎn)，易于為大眾所接受，同時(shí)也可在外觀上表達(dá)竹鋼的內(nèi)在特性，即與竹子輕柔飄逸的個(gè)性恰恰相反的鋼性，給人以穩(wěn)重感、安全感。

總之，竹鋼做自行車架，重量相對輕、韌性好、強(qiáng)度大，制作自行車減震效果好，所以騎起來較為舒適。鋼、鋁合金、碳纖維等材料自行車，材料不能再生，廢棄后也不能很快降解；竹子則恰好相反，是極好的速生可再生資源，具有極好的環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展的意義。

4 結(jié)語

本文介紹了竹鋼的物理性能、力學(xué)性能，結(jié)合自行車設(shè)計(jì)要素，從材料、結(jié)構(gòu)、外觀設(shè)計(jì)等方面探討竹鋼在自行車架設(shè)計(jì)上的可行性。結(jié)論如下：

①竹鋼材料自行車架性能優(yōu)異，可著色、耗能低、整體性好，車架之間有較好的連接性。

②竹鋼材料自行車架具有重量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞及抗震性好、較高的承載力，滿足車架結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)要求。

③竹鋼自行車車架，在外觀設(shè)計(jì)上低碳環(huán)保、親近自然，本身的自然紋理、形態(tài)可表達(dá)竹子的原初自然的性情，和諧美觀。