WIEL碳纤维自行车的基础知识

目录一、 公司简介1.1公司简介2研发团队与专利二、 自行车简介1自行车定义2-2自行车组成三、碳纤维自行车产品的趋势3-1碳纤维的来源3.2碳纤维的定义及分类3-3碳纤维的制造及性能四、碳纤维自行的制造流程四、4-1碳纤维产品生产流程4-2车架设计与制作工艺4-3轮圈轮组设计技术和生产工艺4-4物性测试能量4-5整车装配五、五、六、获奖情况一、公司简介1.1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”的健康骑行理念和“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符合亚洲人群的需求特点。我们以对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理念，扎根国内市场， 满怀热忱的希望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3.1碳纤维的来源1897年爱迪生通过纤维素的炭化，在不破坏纤维素结构的情况下，第一次制造出碳丝，并把其用作电灯泡的炽热灯丝。由于碳纤维有一定的缺点，限于当时技术条件的限制，未能制造出体现碳纤维更多优良特性的产品，致使碳纤维冷落一时。碳纤维的研制并实现工业化生产始于20世纪50年代，1996年全世界碳纤维总产量已达到1700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料，其生产工艺比较简单，产品力学性能优良，因此得到了大力发展；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。3.2碳纤维的定义与分类一、 碳纤维的定义碳纤维是由含碳量较高，在热处理过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（炭化温度在800~1600度时得到的碳纤维）、石墨纤维（炭化温度在2000~3000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 。通用型碳纤维强度为1000兆帕白（MPa、模量为100GP左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa模量250GPa和高模型（模量300GP以上）。强度大于4000MPa勺又称为超高强型；模量大于450GP的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。根据产品规格的不同，碳纤维目前被划分为宇航级和工业级两类，亦称为小丝束碳纤维和大丝束碳纤维。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K,60K,120K,360K,480K等。小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和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。K数越大，每股的单丝数就越高。K其实就是千的英文缩写。1K的碳纤维丝含有1000根单丝。同理，3K就是3000根。碳纤维的K数目前有1K,3K，6K,12K,24K,48K这几种。1K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等等，型号越高，抗拉强度越高，T300抗拉强度达到3.5Gpa.T700抗拉强度应达到4.9Gpa,这是一个国际通用的指标，T300可以包括K，3K,6K,12K,24K,T700这个规格的碳丝目前一般只有12K的，碳丝型号一样的话，12K总根数多，它当然就比3K的抗拉强度高，同样K数的，T700〉T300〉T200。3.3碳纤维的制造及性能一、 碳纤维的制造：碳纤维可通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睛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睛纤维的固相碳化制得的。将聚丙烯睛细丝置于500C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1200-1600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，剩下的几乎是纯的碳元素；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过程中，碳原子以非常强大的力结合在一起，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对比：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倍多。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下，疲劳极限仅为静荷强度的30%-40%由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%-80%并在破坏前有变形显著的征兆。重量：碳纤维只比一般塑料大一点。碳纤维密度是铝合金的1/2，还不到钢铁的1/4,由于碳纤维比强度和比弹性模量特别高，所以对那些要求全面减轻自重的物体，如宇航用品、交通用品、体育比赛用品就有更大的意义。(比强度比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。)碳纤维具有一般碳素材料的特性，与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、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)，一般仅约为0.6克；拉力高达300KG/MM2还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎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，优点是很明显的，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，再加上重量轻，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，因为它符合自行车车架的重要原则：轻、耐用、有弹性。3.4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：1极轻的重量：900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1.6克/立方厘米，所以制作800g左右的车架已经不在是梦想。2吸收冲击性能好。碳纤维可以有效的吸收震动，并且保持很好的刚性。这种特点使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过程不一样，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。这种制作过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，就是说你横摔翌拍都不要紧。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。因为要使所有零件发挥他们强大的战斗力，就必须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，骨感十足的是钢架。而那没有任何涂装，浑身散发着金属光泽的就是钛架。碳纤维的表面则覆盖着各种 3D布的表层，极具现代感。二、自行车简介2.1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（不包含具备电力辅助或电力驱动的自行车），并符合下列各规定：具有足够强度的车架结构。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。2.2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（Headset）（10） 前叉（FrontFork）（17） 座垫（Saddle）（18） 座管（SeatPost）（21）中轴（BottomBracketSet） （27）座管束（SeatClamp）,等车轮组件（11） 花鼓（Hub（12） 外胎、内胎（Tire）（13） 车圈（Rim）（15） 辐条（Spoke）（16） 气嘴（Valve）,等传动组件（4）变速控制杆（ShiftLever）（19） 曲柄（Crank）（20） 脚踏（Pedal）（22） 齿盘（ChainWheel）（23） 链条（Chain）（24） 飞轮（Sprockets）（25） 前变速器（FrontDerailleur）（26） 后变速器（RearDerailleur）,等操纵零件（1） 手把（Handlebar）（2） 握把（Grip）（3） 刹车握把（BrakeLever）把立(Stem)变速夕卜管(CableHousing)前夹器(FrontBrake)后夹器(RearBrake),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 。基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对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破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发设计的要求。在开发过程中碳纤维强度是以期望值的100%来计算的。轮圈传统开发过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。我们使用了数控机台设备包纱，改善了传统工艺的缺陷，强度达到了开发期望值的90冲上。因为采用了保丽龙工艺，芯轴保证轮圈凹槽内碳纤维的接头平均，平顺，所以包纱和成型后的尺寸是一致的（如图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对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解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期望值的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，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。3.5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，来克服此缺点。二、 碳纤维成型重量很轻，并且强度很好，但是在其受力后，没有明显的塑性变形过程就突然断了，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。三、 由于自行车轮组在制作以及组配过程中轮组整体各部分的质量分布不可能非常均匀，当车轮高速旋转起来后，就有可能形成动不平衡状态，造成车辆在行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，车轮在动态情况下通过增加配重的方法，使车轮校正各边缘部分的平衡。三点平衡法有以下优点：1） 使轮圈各处受力更加均衡，延长使用寿命。2） 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。3） 提高骑行的安全性及舒适度。四、碳纤维自行车的制造流程4.1碳纤维产品生产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个流程，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，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，成型外观更精致。?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，碳纤维层间结合的更紧密，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全视频水标作业采用全视频作业，显示作业标准，特制工作桌，降低作业难度，使贴标作业更精准、提高生产效率。9、喷漆全自动喷漆线，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，脚踏对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：25HZJ测试次数：100000次标准:在一定的变形区域内，以对应的拉力测试对应的次数，无裂纹.2五通水平疲劳测试测试原理：模拟在实际骑程中，车架头管反复承受施加的作用力，验证其耐疲劳强度。厂内标准：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.CEN标准：拉力值:公路车+600N/-600N山地车+1200N/-600N频率：25HZJ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，以对应的拉力测试对应的次数，无裂痕。车架刚性测试测试原理：模拟车手在实际骑程中，对车架头管.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:17.8kg判定标准：头管刚性:80N/mmf五通刚性：100N/mmf勾爪双边刚性:32N/mmf头管落锤冲击测试测试原理：模拟在实际骑程中，跳跃时有可能对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:测试后无断裂现象车架摔落测试测试原理：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）兄。厂内标准：砝码荷重：山地车：座管处30KG,头管10KG，五通50KG公路车：座管处70KG标准：从300mm高度自由落下两次无裂痕CEN标准：砝码荷重：山地车：座管处30KG,头管10KG，五通50KG公路车：座管处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无破损情形发生刹车荷重：70kg 速度40km/hr刹停距离6M判定标准：刹停3000次不可有异常破坏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破坏力厂内标准: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，验证其承受的破坏力厂内标准：速度：25.4mm/min判定标准：以施力点负荷110kgf轮圈无任何裂痕车圈辐条孔拉力测试测试原理：确认组装辐条孔时所可能出现的最大力量，观察其孔位最大强度厂内标准：速度：10mm/min负荷：300kgf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 150-170C,可保证连续急速刹车后刹车边变形量最小。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ZL200810070790.5一种便于用碳素纤维成型异性壳体产品的制作方法 ZL200610043390.6一种碳素纤维产品成型方法（成型台内部加热） 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