電動自行車車架的研究和設(shè)計

軒建舉

摘 要：以電動自行車的車架為研究對象，特別是著重在選材料方面、工藝方面、經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行闡述并對其進(jìn)行力學(xué)方面的分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計。在使用性能方面、車的重量方面進(jìn)行論述。特別是對碳纖維材料相對于鋼的各方面優(yōu)點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 電動自行車車架

WCF管

近年來電動自行車的出現(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)效益和社會效益，但在車的結(jié)構(gòu)上還不完善，特別是對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

WCF管的結(jié)構(gòu)設(shè)計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、無機非金屬材料、有機高分子材料、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纖維復(fù)合而成的具有優(yōu)異性能的新型材料，對于先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料，不僅對增強纖維的品種，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。

對于自行車來講主要是民用產(chǎn)品，所追求的方法是自動化程度高，性能價格比高的工藝方法。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、模具造價低、作業(yè)環(huán)境干凈、制品表面質(zhì)量好等特點而著稱。

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)泡機的類型，將發(fā)泡機的工藝參數(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

對于所設(shè)計的WCF管，編織機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上。編織機的工作原理是將繞在紗筒上的纖維掛在一個線軸上，線軸在機器上排成圓筒，機器上的線軸分為兩組，一組正時針方向運動，另一組反時針方向運動，線軸相遇時互相交錯，所以兩組線軸相向交錯形成8字形的運動軌跡，于是纖維互相交織在芯模上形成預(yù)成型織物。編織帶牽引機是制作編制帶的專門機構(gòu)，編織機將互相交織的纖維編織在編織頭上形成套狀編織物，編織帶牽引機上的兩個牽引輪相互擠壓轉(zhuǎn)動，將貶值頭上的編織物牽引出來，形成編制帶。

3 WCF管的設(shè)計特點

WCF管的設(shè)計思路即運用了結(jié)構(gòu)動力學(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：

3.1 WCF管的設(shè)計思路建立于自行車的實際受力情況，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碳纖維材料達(dá)到了最高的性能價格比；

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)計生產(chǎn)工藝及性能

上面討論了WCF管才的優(yōu)點、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)點是：重量輕、具有鈦合金、合金碳維自行車的基本性能，但價格遠(yuǎn)低于它們，市場前景廣闊。下面就對這種自行車車架的設(shè)計思路進(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菱形車架進(jìn)行有限元分析的情況，這個有限元模型中的梁單元是采用三個自由度的歐拉——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，各個構(gòu)件之間的連接是通過氬弧焊來實現(xiàn)的，根據(jù)自行車車架在實際使用中的受載方式，對于整體自行車車架結(jié)構(gòu)的剛性試驗，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。

對于自行車車架的頭管扭轉(zhuǎn)試驗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；對于五通受測向負(fù)荷試驗是，固定后軸和頭管。讓一靜力垂直于車架對稱面施加在中軸上測量在規(guī)定載荷P下的最大唯一量；對于座通受測向試驗是，固定后軸和頭管，讓一靜力垂直于車架對稱面施加在座通上，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于自行車的安全行駛、壽命估計具有重要意義，可以在專用疲勞試驗機上，對自行車車架的五通兩側(cè)施加交變載荷，載荷稍大一點為85kg，頻率稍多一點為250次/min，通過對測試看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

對于電動車而言，他不同于普通的自行車，試驗方面主要有兩項：落重試驗和車架/前叉組合件沖擊試驗。這兩種實驗的方法都和普通自行車實驗的方法一樣。

8 結(jié)束語

通過對WCF管的力學(xué)性能分析可知WCF管的各項異性時期固有很淺的客舍機型，與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有高的比強度，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)域的推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。他不僅能滿足人們對生活水平提高的舒適的要求。而且也顯示了很高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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