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      竹鋼自行車架可行性研究

      2015-04-29 00:00:00高艷芹
      設(shè)計(jì) 2015年13期

      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。

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