电动自行车车架的研究和设计

轩建举

摘 要：以电动自行车的车架为研究对象，特别是着重在选材料方面、工艺方面、经济性方面进行阐述并对其进行力学方面的分析、结构设计。在使用性能方面、车的重量方面进行论述。特别是对碳纤维材料相对于钢的各方面优点并且能在满足自行车的使用要求的前提下进行说明。

关键词：碳纤维 高性能复合材料 电动自行车车架

WCF管

近年来电动自行车的出现为人们的日常生活带来了很大的方便，在市场上也获得了很大的经济效益和社会效益，但在车的结构上还不完善，特别是对自行车车架的选材方面还不完善。普遍采用钢材作为自行车车架的材料，这样既浪费材料又增加车的重量，为此选用一种既轻便又经济的且又能满足工作要求的材料。既WCF（Weldable Carbon Fiber）管，它是一种可焊接的碳纤维复合材料管。

1 WCF管的结构设计

WCF管的结构设计主要涉及碳纤维编织结构复合材料管、金属接头等结构的原材料选取、制作工艺等因素。

1.1 原材料选取

目前，在高新技术产业中使用的新材料按基体组分类，主要有新金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、先进复合材料等四大类；按材料性质分类，有结构材料和功能材料；按用途分类有能源材料、航空航天材料、信息材料、生物医学材料等，其中先进复合材料是由耐温性好的基体材料和高性能增强纤维复合而成的具有优异性能的新型材料，对于先进树脂基复合材料，不仅对增强纤维的品种，质量性能有较高的要求，而且树脂基体也从热固性中温性向热塑性高温性发展。

1.2 制作工艺的选取

传统的复合材料的加工方法已经发展到几十种，主要有手糊法、喷射法、压制法、树脂传递模塑法、缠绕成型法、离心成型法、袋压法、连续成型法等。它们之间各有特点和应用范围。至于传统的复合材料管大多是采用预浸料卷管工艺制作的，管子的疲劳性能和耐冲击性能存在较大问题。

对于自行车来讲主要是民用产品，所追求的方法是自动化程度高，性能价格比高的工艺方法。因此条件成熟的方法是最先进的树脂传递模塑（RTM）成型工艺是首先选择的方法。并且这种方法的工艺简单、模具造价低、作业环境干净、制品表面质量好等特点而著称。

2 WCF管的生产工艺

WCF管的制作工艺决定了自行车的生产成本，选取的工艺原则是成本低、效率高、工艺稳定、质量高、易控制。

2.1 备模

在制作泡沫芯之前，应该清洗残留于模具、芯杆和堵头部件上的泡沫等杂质，并用软布擦净它们的表面，保证其表面光滑，无毛刺、无油污及碎屑等杂物，并且在模具芯杆和堵头部件的工作表面上均匀地涂上好脱模蜡，以保证成品质量。

2.2 发泡

首先，应该根据所用发泡机的类型，将发泡机的工艺参数，如压力、温度、配比等预先设置好；然后，按配比将所使用的A料和B料两组分发泡剂在一定的压力下通过加热软管预热，随后送到混合头，经混合后由注射腔压入混合腔，并立即射入备好的模具中，接着迅速插入芯杆，塞上绪头并固定在模架上；待泡沫在模具内经熟化后松开夹具，卸掉模具两端堵头。并将泡沫连同芯杆一起顶出，制成泡沫芯。

2.3 泡沫芯检查

泡沫芯的质量，特别是它的外表面质量及其尺寸，决定了复合材料管的内表面的质量和尺寸。首先，在泡沫芯制作完毕后，应该检查泡沫芯外观情况，表面如有凹凸坑、直径大于2mm的透明气泡、开放性气孔及泡沫芯断裂等现象，则此泡沫芯应废弃，重新发泡；其次，如果泡沫芯直径误差超过0.1mm，也应废弃。

2.4 编织带制作

对于所设计的WCF管，编织机是其制作工序中重要的加工工具之一，主要用来制作复合材料预成型织物。编织带的制作主要是在编织机上。编织机的工作原理是将绕在纱筒上的纤维挂在一个线轴上，线轴在机器上排成圆筒，机器上的线轴分为两组，一组正时针方向运动，另一组反时针方向运动，线轴相遇时互相交错，所以两组线轴相向交错形成8字形的运动轨迹，于是纤维互相交织在芯模上形成预成型织物。编织带牵引机是制作编制带的专门机构，编织机将互相交织的纤维编织在编织头上形成套状编织物，编织带牵引机上的两个牵引轮相互挤压转动，将贬值头上的编织物牵引出来，形成编制带。

3 WCF管的设计特点

WCF管的设计思路即运用了结构动力学，先进复合材料力学等分析手段又考虑了粘接工艺、编织工艺以及自行车车架结构的制作工艺。与普通的金属材料管、复合材料管相比WCF管及其结构具有以下特点：

3.1 WCF管的设计思路建立于自行车的实际受力情况，使其结构更趋于合理；

3.2 WCF管结构设计的自行车，既解决了复合材料管与金属构件直接焊接技术问题，又不改变传统结构的制作工艺；

3.3 WCF管复合材料部分采用编织结构复合材料；

3.4 WCF自行车架以最少的高级碳纤维材料达到了最高的性能价格比；

3.5 WCF车架具有良好的吸振性，这是钢和铝合金车架所不具备的；

4 自行车车架的设计生产工艺及性能

上面讨论了WCF管才的优点、性能以及承载能力经济性所以用这种材料来制作自行车车架是非常合适的。用这种管材为自行车车架优点是：重量轻、具有钛合金、合金碳维自行车的基本性能，但价格远低于它们，市场前景广阔。下面就对这种自行车车架的设计思路进行讨论。

4.1 力学模型的建立

自行车双三角菱形車架是自行车产业长期发展的结果，目前仍然改变不了菱形车架的主导地位。用有限元法是工程结构进行力学行为研究的一种有效方法，图中描述了用梁单元对菱形车架进行有限元分析的情况，这个有限元模型中的梁单元是采用三个自由度的欧拉——贝努力（Euler—Bernoulli）梁。利用这些梁单元模型进行自行车车架的数值模拟可求出头管受扭、和下管的弯曲以及轴向和切向的变形、受力情况。下图是自行车车车架有限元分析模型图。

5 WCF自行车车架的刚度分析

WCF自行车车架结构的上管、下管、座管为WCF管，头管以及后三角平叉、立叉为铬钼管，各个构件之间的连接是通过氩弧焊来实现的，根据自行车车架在实际使用中的受载方式，对于整体自行车车架结构的刚性试验，采用头管受扭，无通受侧向力，座通受侧向力三种载荷形式。

对于自行车车架的头管扭转试验是固定自行车车架的后轴、中轴和座通让一静扭矩以垂直于车架对称面的法线方向和头管中心轴线方向施加在头管上，测量在规定扭矩M下的最大转角量；对于五通受测向负荷试验是，固定后轴和头管。让一静力垂直于车架对称面施加在中轴上测量在规定载荷P下的最大唯一量；对于座通受测向试验是，固定后轴和头管，让一静力垂直于车架对称面施加在座通上，测量在规定载荷下P下的最大位移量。

6 WCF自行车车架的疲劳特性

研究WCF自行车车架抵抗疲劳破坏的性能对于自行车的安全行驶、寿命估计具有重要意义，可以在专用疲劳试验机上，对自行车车架的五通两侧施加交变载荷，载荷稍大一点为85kg，频率稍多一点为250次/min，通过对测试看WCF自行车车架的疲劳循环次数是多少，在这么多次数之前若没有任何微裂出现，又没有其它破坏迹象现象发生，再与铬钼钢自行车的疲劳循环次数作比

7 WCF自行车车架的冲击试验

对于电动车而言，他不同于普通的自行车，试验方面主要有两项：落重试验和车架/前叉组合件冲击试验。这两种实验的方法都和普通自行车实验的方法一样。

8 结束语

通过对WCF管的力学性能分析可知WCF管的各项异性时期固有很浅的客舍机型，与传统金属材料相比，具有高的比强度，高的比模量以及较低的生产成本、工艺性好等优势。这些优势必将为WCF管向其他工程领域的推广奠定了堅实的基础。他不仅能满足人们对生活水平提高的舒适的要求。而且也显示了很高的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 复合材料结构设计.陆关兴、王耀先编著.华东化工学院出版社.1991年

[2] 复合材料力学.吕恩琳编著.重庆大学出版社.2014年.

[3] 合成胶粘剂的性质和性能测试.科学出版社.金士九、金晟娟编著.科学出版社.2006年.

[4] 自行车制造工艺学.轻工业出版社.自行车制造工艺学编写组编.2012年.

[5] 焊接工艺人员手册.上海科学技术出版社.俞尚知编著.2009年.