WIEL碳纤维自行车的基础知识

1、目录一、 公司简介公司简介自行车定义自行车组成三、碳纤维自行车产品的趋势碳纤维的来源碳纤维的定义及分类碳纤维产品生产流程车架设计与制作工艺轮圈轮组设计技术和生产工艺物性测试能量六、获奖情况1.1公司简介一、公司简介行升公司源于西班牙的运动自行车品牌 WIEL，2010 年进入国内市 场开始全面运作，同年成立行升公司负责 WIEL 品牌在亚洲区域的运营。行升公司暨 WIEL 运动品牌为国内的骑行人群带来“专业运动生活 化”的健康骑行观念和“专业装备生活化”的应用标准。我们提供的每台产品都在遵循技术、质量、功能三者并且重的前提下 努力寻找专业与生活休闲应用的契合点。行升公司（ WIEL ）联合大陆

2、 地区的顶尖专业厂商开发与制造产品， 应用诸多专利技术使产品更契合 亚洲人群的需求特点。我们以关于骑行运动和自行车 产品的深刻理解在国内 市场中稳步发 展，在带给消费者和运动市场更多新选择的同时也带动了商业伙伴逐步 发展壮大，不断为行业发展做出贡献。我们继承国际品牌的技术与观念，扎根国内市场，满怀热忱的希在国内骑行运动领域继续缔造辉煌。 成为专业骑行运动与器材向生活化转变的推动者。三、碳纤维自行车的趋势碳纤维的来源1897年爱迪生经过纤维素的炭化，在不损坏纤维素结构的情况下，第一次制造 出碳丝2050年代，19961700吨。其中聚丙烯氰基纤维占 85%其余是沥青基纤维，由于聚丙烯氰纤维作 原

3、料，其生产工艺比较简单，产品力学性能优良，因此得到了大举发展；沥青基纤 维由于原料丰富，价格便宜，在民用工业方面获得很好的推广使用。一、碳纤维的定义碳纤维是由含碳量较高，在热处理进程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧 化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的一种纤维状碳材料。二、碳纤维分类： 按制作原料分：、纤维素基（人造丝基）、聚丙烯氰基、沥青基（各向同性、各向导性中间）按制造方法和条件分：、碳纤维（8001600度时得到的碳纤维）、石墨纤维（20003000度时得到的碳纤维）、活性炭纤维、气象生长纤维按力学性能分为通用型和高性能型 。1000 兆帕白（MPa100GP 左右。高性能型碳纤维又

4、分为高强型（2000MPa 250GPa 和高模型（300GP 以上）。强度大于4000MPa 450GP 2%。48K48K,60K,120K,360K, 480K 1K、3K、6K 12K 24K。三、碳纤维的分类型号通常所说的K 数指的是碳纤维束里面单丝的根数，碳纤维单丝的直径是一样的。KK1K1000根单丝。同理，3K3000根。碳纤维的K1K,3K，6K,12K,24K,48K1K的碳丝目前市场价是最贵的，因为制作工艺很麻烦。下图为3K碳纤维布。一般意义上说的抗拉强度都是指单丝的抗拉强度， 与碳纤维丝的型号有关，比 如说T200,T300,T700 3.5Gpa.T700 抗拉强4.

5、9Gpa, 可以囊括K，3K, 6K, 12K, 24K, T700 12K 的，碳丝型号一样的话，12K 3K 的抗拉强度高，同样K数的，T700T300T200。一、碳纤维的制造：碳纤维可经过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。其产生的步骤为：A 预氧化：在空气中加热，维持在 200-300 度数十至数百分钟。预氧化的目的为 使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而 保持纤维状态。我们自行车行业使用的碳纤维都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得 的。将聚丙烯腈细丝置于500 C烤箱内烘烤，脱去氢，使碳原子排成链状。B 碳化：在惰性气氛中加热至 1

6、200-1600 度，维持数分至数十分钟，在此温度下， 其中的杂质(大部分是氮)被滤出，剩下的简直是纯的碳元素；所用的惰性气体可以 是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。C 石墨化：再在惰性气氛(一般为高纯氩气)加热至 2000-3000 度，维持数秒至 数十秒钟；这样就生成的碳纤维。其高强度的原因是在最后的热处理进程中，碳原 子以非常强大的力接合在一起，形成一系列像蜂窝或细铁丝网那样的六角体。二、碳纤维的性能碳纤维材料与其他加固材料关于比：抗拉强度：高强度的碳纤维的抗拉强度可达到3000-4000Mpa要比钢大4多。碳纤维是已知的具有最高抗拉强度的材料之一。即使在难以置信的高张力作用

7、下， 碳纤维也不会伸长或断裂。弹性模量：碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。疲劳强度：碳纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在交变应 力作用30%- 40%维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度70%80%并且在损坏前有变形显著的征兆。1/2，还不到钢 铁的1/416 倍，比铝合金大 12 倍。)异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤 维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维有极好的纤度(纤度的表示法之一是 9000米长的纤维的克数)，一 般仅约0.6300KG/MM2优异性能

8、。目前简直没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性 能。碳纤维材料制作的车架等自行车部件，优点是很鲜明的，其超强的硬度比等重下的钢材硬数十倍，也摆脱了以前用金属材质时无法避免的金属疲劳问题，再 加上重轻，碳纤维材料以前多应用于航天、F1 赛车和高精尖的工业中。它融入到自行车领域后，得到了很多专业人士的好评，因为它契合自行车车架的重要原则：轻、耐用、有弹性。碳纤维产品的优点碳纤维作为一种高科技材料使用在自行车上是最近十年的事情。 严格来说碳纤维布并且不是单纯的碳元素，而是碳元素经过编织加工后利用环氧树脂粘和加固的一 种混合物。一般来讲，碳纤维作为自行车的材料拥有以下几个特点：极轻的重量：900

9、克左右的碳纤维公路架已经到处可见了。由于碳的质量仅 有克/立方厘米，所以制作800g左右的车架已经不在是梦想。吸收冲击性能好。碳纤维可以有效的吸收震动，并且且保持很好的刚性。这种特点得它成为很好的竞赛级的材料。3可以制作各种形状的车架。和一般的金属车架的制造进程不一样，碳纤维车架一般是先制作模具，然后在模具上付上碳纤片，最后用环氧树脂进行粘固。这 种制作进程可以利用空气动力学作成风阻极小的车架。4复杂的应力计算。构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。 一般来讲，碳纤维抗面的冲击相当好，就是说你横摔竖拍都不要紧

10、。车架直接或间接的影响着车子的各个方面的性能。影响着车子的操纵性，决定着车子的稳定性，决定着车子的舒适程度。因为要使一切零件发挥他们强大的战斗 力，就必需奠定一个良好的基础一一车架。车架是整个车子的灵魂，碳纤维车架是 你最好的选择。从外观上我们可以很容易的把这几种材料的车架区别开来。风格粗犷，造型狂 野的是铝架。管体纤细，骨感实足的是钢架。而那没有任何涂装，浑身散发着金属 光泽的是钛架。碳纤维的表面则覆盖着各种3布的表层，极具现代感。二、自行车简介自行车定义与特性叙述自行车是指乘员以其本身的人力驱动行走的车辆（不包含具备电力扶助或电力 驱动的自行车），并且契合下列各规则：具有足够强度的车架结构

11、。 具有两个以上的轮子。具有乘员的座位。具有驱动、操纵、煞车等各种装置。自行车组成自行车的基本组件如下：车架零件（8）车架（Frame）：车架上下管、车架立管、车头管、大轴接头、后上下 支架、后铁车架组件（7）车头碗（Hea set）（10） 前叉（Fro nt Fork）座垫（Sale）座管（Seat Post）（21） 中轴（Bottom Bracket Set ） （27）座管束（Seat Clamp）,等车轮组件花鼓（Hub外胎、内胎（Tire）车圈（Rim）辐条（Spoke）气嘴（Valve）,等传动组件（4）变速控制杆（Shift Lever ）曲柄（Crank）脚踏（Peal）齿

12、盘（Chain Wheel）链条（Cha in）飞轮（Sprockets）前变速器（Front erailleur）后变速器（Rear erailleur ）,等操纵零件手把（Hanlebar）握把（Grip）(3) 剎车握把(Brake Lever )把立(Stem)变速外管(CableHousing)(9) 前夹器(Front Brake ) (14)后夹器(Rear Brake ),等上述基本组件于一般自行车产品中之重量百分比应已达百分之九十以上。本组件内容如下图标说明：4.3轮圈轮组设计技术和生产工艺轮圈生产核心技术一、轮圈三模成型方法1、力求自行车高速行进刹车时轮圈变形量最小2、避免

13、骑行中造成轮圈碳纤维脱层3、更好的保护轮圈的刹车边，减少刹车边变形4、提高安全性，延长轮圈的使用寿命四、三维编织法解剖及传统包纱关于比分析轮圈传统包纱，因为它的基准面不好，所以尺寸不准确，包纱尺寸不准确，包 纱尺寸和成型后的尺寸不一致，包纱时尺寸和成型后尺寸相差0.2-0.3mm。碳纤维 节头不平均、也不平顺、甚至内折。（如图1）这些原因导致成型时模具损坏纤维的 结构进而降低强度。为什么会这样呢？因为没有特定的模型（保丽龙），手工包纱 作业很难控制碳纤维分布。碳纤维的强度只能到达开发设定要求的60%左右，稳定性 和安全性就达不到开设计的要求。在开发进程中碳纤维强度是以期望值的 100%来计算的

14、。轮圈传统开发进程中碳 纤维的不平均，不平顺，从而造成强度下降。目前传统的碳纤维开口车圈强度只有开发期望值的 60 流右。90 成型后的尺寸是一致的 （2），这些优点充分发挥每根碳纤维的 性能，从而强度大为提高。骑行时稳定性高、使用安全、寿命长。五、三维编织受力分析图及与传统受力关于比轮圈传统包纱受力变形图解轮圈数控机台包纱受力变形图轮圈使用传统包纱的产品在骑行时：因为传统包纱的轮圈节点不平均，凹槽内碳纤维不平顺，轮圈的强度只有开发 设计期望值的 60%左右，同设计期望值相差太多。因为这些原因，轮圈的内胎气压强 度到达一定值时、高速行进刹车时、轮圈刹车边发热，这些情况在受力的作用下， 轮圈刹车

15、边就会变形（如上图）。变形值可以达到 0.2-0.3mm。所以它骑行很不稳定、 不安全、不舒适、使用寿命不长。轮圈使用数控机台包纱的产品在骑行时：因为数控机台包纱的轮圈节点平均、 凹槽内碳纤维平顺，轮圈的强度达到开发 设计望值的90%以上,轮圈在内胎充气达到比传统包纱的轮圈更高的高度值；即使它高速骑行刹车时，刹车边发热也能保证轮圈的变形量最小（如上图）。所以它骑 行稳定、舒适、安全、使用寿命长。二、碳纤维车架各种成型技术1、车架双模成型法让碳纤维更听话，充分发挥每根碳纤维的性能; 车架内壁更平顺，刚性更强；避免断纱，有更高的安全性； 延长车架的使用寿命。二、碳纤维折叠车此车折叠采用前叉装配结构

16、，原理应用于前后的折叠。新增了定位 定向快拆等结构，使其在使用时操作方便，简单。此结构比一般折叠车 有较高的刚性值，外形美观、折叠体形小、便于携带。碳纤维的应用难点一、 它具有各向异性的特性，但不易掌控其方向性，易发生乱纹， 内折。（拉伸强但容易断）。解决方法：我们采用特殊制作工艺，不同 的成型方法，采用多层不 同角度的碳纤维布层层重叠，来克服此缺陷。二、 碳纤维成型重量很轻，并且且强度很好，但是在其受力后，没有 鲜明的塑性变形进程就突然断了，没有缓冲时间。解决方法：铝合金虽然较重些，但是它的延展性能好，在将断裂 时会有一定的缓冲时间。我们相信自行车更需要的是延展性而不会希望 在骑行中发生脆性

17、断裂。因此，使用此材料的概念是使用一小部分的铝 合金来获得延展性但需使用大部分的碳纤维来增强车圈的强度和刚性。驶中车轮轻微抖动的现象。解决方法：我们采用三点平衡法来进行动平衡校正，车轮在动态 情况下经过增加配重的方法，使车轮校正各边缘部分的平衡。三点平衡法有以下优点：使轮圈各处受力越发均衡，延长使用寿命。避免方向轮的轻微振动，减轻头管内部碗组培林等部件的摩擦。提高骑行的安全性及舒适度。4.1 碳纤维产品生产流程四、碳纤维自行车的制造流程碳纤维产品生产主要有：备料，卷制，成型，机加，精细，涂装六大部门， 35 290 多个工序。传统碳纤维加工是全手工操作， 人工成品较高，我们采用先 进机台的设备

18、， 改善了传统工艺的不足。大大降低了人工成本。主要设备如下：1、织纱自动织纱机，更好地掌控尺寸，保证其性能的充分发挥。品质更 稳定，成型外观更精细。?2 、裁纱自动裁纱机台，可轻松将碳纤维布裁剪成各种形状复杂的碳纤维 布块，尺寸更精确，误差更小。?3、三维自动编织自动缠绕机台，提高制作效率，使缠绕的碳纱分布更均匀，碳纤 维层间接合的更紧密，刹车边不易变形，克服了碳纤维刹车易变 形的难题。4、卷料全视频作业5、三模成型 成型机台6、机加工7、自动钻孔机台电脑控制自动钻孔机台，保证轮圈每个辐条孔角度准确，穿孔效 率高。骑行更舒适、安全、耐用。 六轴转动。8全视频水标作业精准、提高生产效率。9、喷漆

19、全自动喷漆线，保证产品平整度，将公差控制在最小范围内。确 保每一支产品外观精确一致。 大大提高了品质，提高效率，降低 占用场地面积，减少人员操作。4.4 物性测试能量一、车架性能相关测试1.五通疲劳测试测试原理：模拟车手在实际骑程中，脚踏关于 BB 产生作用力，确认其耐久性 厂内标准： 拉力值:230kg 频率:1.5HZ 测试次数 100000 次标准:不可有裂痕产生CEN 标准：拉力值：公路车 1100N,山地车 1200N 频率：25HZ J测试次数：100000 次标准:在一定的变形区域内，以关于应的拉力测试关于应的次数，无裂纹.2 五通水平疲劳测试 测试原理：模拟在实际骑程中，车架头

20、管反复承受施加的作用力，验证其 耐疲劳强度。 厂内标准CEN标准:拉力/推力值:61.2kg 频率：1.5HZ 测试次数：100000 次标准:测试后未产生任何可见之裂纹.拉力值:公路车+600N/-600N山地车 +1200N/-600N频率：25HZ J测试次数：山地车；50000 次,公路车;100000 次 标准:在一定的变形区域内，以关于应的拉力测试关于应的次数，无 裂痕。车架刚性测试 测试原理：模拟车手在实际骑程中，关于车架头管.座管.五通等部位施加一定 的力， 从而产生相应的变形量，为车架之性能厂内标准：头管/座管/五通判定标准：头管刚性:80N/mm f 五通刚性：100N/m

21、m f勾爪双边刚性:32N/mm f测试原理：模拟在实际骑程中，跳跃时有可能关于车架进行的撞击或被撞击 时 的强度厂内标准：砝码重量:22.5kg测试条件：高度 360mm 标准:测试后无断裂现象CEN 标准:砝码重量:22.5kg测试条件：高度（山地车）360mm（公路车）212mm标准:测试后无断裂现象测试原理：模拟在实际骑程中，撞击时所出现的状况与确认各部位的强 度状况。厂内标准：30KG,10KG50KG 70KG标准：从 300mm 高度自由落下两次无裂痕CEN标准:30KG,10KG50KG 70KG标准：从 300mm 高度自由下落无裂痕二、车圈性能相关测试1.车圈行车与刹车测试

22、测试原理：模拟轮圈在荷重情况下所行使的公里数与模拟刹车时确认轮 圈所能承担的疲劳强度 厂内标准：行走荷重：70kg速 度 40km/hr 判定标准：行走1500km无破损情形发刹车荷重：70kg速度40km/hr刹停距离判定标准：刹停3000次不可有异常损坏2 车圈正向强度测试测试原理：模拟车圈在行使中所承担的力量，验证其最大能承受的损坏力 厂内标准：速度：25.4mm/min判定标准：以施力点负荷 300kg 不可产出任何裂痕车圈侧向扭力测试测试原理：模拟车圈在行使中侧向所承担的力量，验证其承受的损坏力 厂内标准： 速度：25.4mm/min判定标准：以施力点负荷 110kgf 轮圈无任何裂

23、痕测试原理：确认组装辐条孔时所可能出现的最大举量，观察其孔位最大强 度厂内标准：速度：10mm/mi n负荷：300kg f判定标准：测试后未产生任何可见之裂纹1.2 研发专利三种纤维、三种树脂解析图抗高温纤维树脂：采用耐高温纤维树脂，可耐高温速刹车后刹车边变形量最小。150-170 C,可保证连续急抗拉纤维树脂：辐条孔区域采用抗拉纤维树脂，在拉力 320kgf 条件下，辐条孔 无破裂。抗压纤维树脂：采用抗变形膨胀纤维树脂，充气 160-180PSI 时，仍可保持碳纤 维车圈变形量在 0.2mn 之内。六、获奖情况第二十一届国际自行车展览会创新产品选中，我司产品荣获金、银、铜三个奖 项。4.2

24、 车架设计与制作工艺一、车架专利统计车架车架与车轮的连接碳素纤维自行车车架与车轮的连接结构ZL200920136618.5其他专利 设备专利 保利龙 专利一种折叠自行车的折叠机构ZL201020165365.7新型多轴预侵织布机 ZL200820145805.5小轮自行车 ZL200930173986.2一种胶合成型方法 ZL200810070790.5一种碳素纤维产品成型方法（成型台内部加热）ZL200610043390.6 ZL200810070791.X自行车碳纤维止栓的成型结构（公路车车架止栓一体成型）ZL20072009193.2改进的自行车碳纤维车架线管结构（走内线）ZL20072009185.8一种新型的碳纤维车架结构（登山车车架止栓线管一体，走外线车架胶合 车架一体成型止栓一体成型车架线管ZL2007