Jak zamienić arkusze włókna węglowego w rowery

Spisu treści:

Jak zamienić arkusze włókna węglowego w rowery
Jak zamienić arkusze włókna węglowego w rowery

Wideo: Jak zamienić arkusze włókna węglowego w rowery

Wideo: Jak zamienić arkusze włókna węglowego w rowery
Wideo: How to Replace Inserts on Carbon Bikes - The correct way! 2024, Marsz
Anonim

Producenci uwielbiają chwalić się układaniem włókien węglowych, więc Kolarz postanowił zbadać, co to oznacza i jak wpływa na wydajność

Rower to bez wątpienia najlepszy prezent świąteczny w historii, ale może z wyjątkiem szczeniaka jest też najtrudniejszy do owinięcia. Szkoda więc biednego projektanta ramy, który musi owijać i układać karbon wokół jego skomplikowanych krzywizn, tak aby po upieczeniu i wykończeniu rama zapewniała pożądane wrażenia z jazdy. Konstrukcja ramy z włókna węglowego to skomplikowana łamigłówka 3D, która przyćmiewa kostkę Rubika.

Piękno włókna węglowego polega na tym, że w przeciwieństwie do metalu, wiele elementów może być ułożonych warstwowo w różnym stopniu przecięcia i zachodzenia na siebie, aby zapewnić bardzo ścisłą kontrolę nad atrybutami osiągów i wytrzymałością wymaganą w dowolnym punkcie ramy roweru. Minusem jest to, że węgiel jest anizotropowy – jest silniejszy w jednym kierunku niż w drugim, podobnie jak drewno – co oznacza, że wytrzymałość zależy od kierunku włókien. Aby węgiel mógł przenosić znaczne obciążenia, siły muszą być skierowane wzdłuż jego włókien, co sprawia, że kierunek włókien jest absolutnie kluczowy. Na części składowe ramy rowerowej działają siły działające w kilku kierunkach, co oznacza, że włókna węglowe również muszą biec w kilku kierunkach. Dlatego różne warstwy mają swoje włókna pod różnymi kątami, zwykle 0° (w linii), +45°, -45°, +90° i -90°, a nawet pod dowolnym kątem wybranym przez projektantów, jeśli stworzy to pożądane atrybuty.

W głębinach

Tak jest w przypadku wszystkich ram karbonowych. Pod lśniącymi powierzchniami zewnętrznymi znajduje się wiele warstw kawałków włókna węglowego, których sztywność, wytrzymałość, kształty, rozmiary, pozycje i orientacje zostały skrupulatnie zaplanowane, zwykle poprzez połączenie pakietów oprogramowania komputerowego i wiedzy inżynierów. Jest to znane jako harmonogram lay-upów lub po prostu lay-up. Gdy wyrzynarka z włókna węglowego jest gotowa, rower musi być lekki, responsywny, ekonomiczny i zdolny do wytrzymania najbardziej ekstremalnych sił jazdy na rowerze.

Profesor Dan Adams, dyrektor laboratorium mechaniki kompozytów na Uniwersytecie Utah w S alt Lake City, sam zapalony rowerzysta i który był zaangażowany w rozwój pierwszych ram karbonowych Treka, mówi, że konstruowanie czegokolwiek z karbonowych to wszystko o prawidłowym harmonogramie układania. „Określa orientację poszczególnych warstw lub warstw prepregu węglowo-epoksydowego, ułożonych w stos, aby uzyskać ostateczną grubość części”, mówi. „Niektóre części ramy są łatwiejsze do ułożenia niż inne. Rury są stosunkowo proste, ale połączenia między nimi to jedne z najbardziej skomplikowanych układów warstw, jakie można spotkać w produkcji części w każdej branży, która strukturalnie wykorzystuje węgiel, w tym w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.”

Anizotropowy charakter węgla sprawia również, że wybór odpowiedniego węgla jest kluczowy. Najprościej mówiąc, węgiel dostarczany jest na dwa sposoby. Jednokierunkowy (UD) ma wszystkie włókna węglowe biegnące w jednym kierunku, równolegle do siebie. Alternatywą dla UD jest tkanina lub „tkanina”. Posiada włókna, które biegną w dwóch kierunkach, przechodząc pod i nad sobą pod kątem prostym, aby nadać klasyczny wygląd włókna węglowego. W najprostszej tkaninie, znanej jako splot płócienny, włókna zaplatają się pod i nad każdym skrzyżowaniem (zwanym „1/1”), tworząc wzór przypominający siatkę. Istnieje wiele innych możliwych wzorów splotów. Twill (2/2) jest nieco luźniejszy, więc łatwiej się go układa i jest łatwo rozpoznawalny dzięki ukośnemu wzorowi, który wygląda jak szewrony.

Właściwości włókna węglowego
Właściwości włókna węglowego

Moduł (miara sprężystości) włókna ma również fundamentalne znaczenie dla danego ułożenia. Moduł określa sztywność włókna. Standardowe włókno modułowe o wartości 265 gigapaskali (GPa) jest mniej sztywne niż włókno o średnim module o wartości 320 GPa. Do wytworzenia elementów o tej samej sztywności potrzeba mniej węgla o wyższym module, co skutkuje lżejszym produktem. Włókna o wyższym module mogą zatem wydawać się lepszym wyborem, ale jest pewien haczyk. Można dokonać analogii z gumką do kawałka spaghetti. Gumka jest bardzo elastyczna (ma niski moduł) i można ją zginać przy użyciu bardzo małej siły, ale nie pęka, a po zgięciu powróci do swojego pierwotnego kształtu. Z drugiej strony spaghetti jest bardzo sztywne (wysoki moduł), więc wytrzyma do pewnego stopnia odkształcenie, a następnie po prostu pęknie. Działy marketingu często chwalą się włączeniem określonego modułu włókien do najnowszego projektu ramy, ale w większości przypadków rama rowerowa to ostrożna równowaga kilku typów modułów w układzie, aby zapewnić pożądaną kombinację sztywności, trwałości i elastyczności.

Jest jeszcze jedna zmienna do rozważenia. Pojedyncze pasmo włókna węglowego jest niezwykle cienkie – znacznie cieńsze niż ludzki włos, więc łączy się je razem, tworząc coś, co nazywa się „kalem”. W przypadku rowerów hol może zawierać od 1 000 do 12 000 splotek, chociaż 3000 (zapisane jako 3K) jest najczęściej używane.

Włókno to, włókno, które

To są podstawy, ale tworzenie lay-upów staje się skomplikowane. "Z punktu widzenia czystej wytrzymałości i sztywności, idealny kompozyt miałby najwyższy możliwy stosunek włókien do żywicy i najmniej wygięte włókna" - mówi dr Peter Giddings, inżynier ds. badań w National Composites Centre w Bristolu, który pracował z rowerami i ścigał się na nich przez wiele lat. „Włókna jednokierunkowe, przynajmniej teoretycznie, są do tego najlepszym wyborem. Materiały UD mają zwiększony stosunek sztywności do masy w kierunku włókien. Niestety kompozyty UD są bardziej podatne na uszkodzenia, a po uszkodzeniu są bardziej podatne na uszkodzenia niż tkaniny.”

Zbudowanie ramy wyłącznie z warstw karbonowych UD stworzyłoby rower, który byłby niebezpiecznie kruchy, nie wspominając już o nadmiernie drogim ze względu na koszty materiałów i roboczogodziny. Dlatego tkany węgiel dominuje i jest oczywistym wyborem dla wszystkich obszarów, w których występują ciasne krzywizny i złożone kształty połączeń. Co więcej, ludziom podoba się jego wygląd. „Uważa się, że pod względem estetycznym materiały tkane wyglądają lepiej niż materiały jednokierunkowe, a opinia publiczna postrzega kompozyt jako tkaninę” – mówi Giddings. „W rzeczywistości wielu producentów maluje [a tym samym ukrywa] obszary, w których konstrukcja ramy uniemożliwia uzyskanie gładkiego, tkanego wyglądu”.

Łatwość produkcji musi być również uwzględniona w harmonogramie układania, aby uwzględnić koszty pracy. W przypadku skomplikowanych połączeń i kształtów stworzenie idealnego ułożenia z włóknami UD zajmie znacznie więcej czasu. To kolejny powód, dla którego tkaniny są preferowanym wyborem większości producentów rowerów z włókna węglowego. „Tkanina tkana jest łatwiejsza w obróbce niż UD i wymaga mniejszych umiejętności, aby dopasować ją do wymaganego kształtu”, mówi Giddings. „UD ma tendencję do rozszczepiania się lub załamywania wokół skomplikowanych kształtów. Luźno tkane tkaniny łatwiej się dopasowują, a na ogólną wytrzymałość konstrukcji mniej wpływają drobne wady produkcyjne.„

Producenci prawdopodobnie zdecydują się na ułożenie z tkanego włókna węglowego w najbardziej złożonych obszarach, takich jak suport i połączenia rury czołowej, ale nadal nie jest to tak proste, jak się wydaje, ponieważ należy wziąć pod uwagę jeszcze jeden czynnik. „Chcesz zachować ciągłość orientacji włókien nie tylko wokół skrzyżowań, ale także poza nimi” – mówi Paul Remy, inżynier rowerowy w Scott Sports. „Na skrzyżowaniach, takich jak suport, mogą występować złożone krzywizny, więc musisz pomyśleć o sposobie kontynuowania orientacji włókien, aby przenieść na nie obciążenie”.

To właśnie tutaj inżynierowie ramek, tacy jak Remy, są wdzięczni za pomoc informatyki. W przeszłości jedynym sposobem, aby dowiedzieć się, jak różne zmiany harmonogramu ułożenia mogą wpłynąć na wynik końcowy, było zbudowanie i przetestowanie wielu prototypów, ale teraz harmonogram ułożenia może być testowany z bardzo dużą dokładnością przez komputery przed pojedyncze pasmo włókna wylądowało w formie ramy.

„Wcześniej naprawdę trudno było określić, jaki wpływ na wydajność ramy miałaby zmiana tylko jednej części układu”, mówi Remy.

Arkusze z włókna węglowego
Arkusze z włókna węglowego

Bob Parlee, założyciel firmy Parlee Cycles z siedzibą w Massachusetts, dość czule wspomina te dawne czasy, zanim komputery robiły wszystkie liczby: „Jeśli rozumiesz obciążenia konstrukcji kratownicowej, takiej jak rama, układy są proste, więc początkowo mogłem samodzielnie je rozpracować w mojej głowie.” Parlee od tego czasu przyznaje, że komputerowa analiza elementów skończonych (FEA) ma swoje miejsce. „Początkowo nie umieszczałbym otworów w rurkach ramy [na punkty wejścia kabli lub uchwyty do koszyków na bidon], ponieważ były to potencjalne słabe punkty, ale teraz MES mówi nam, co zrobić, aby wzmocnić ten otwór” – mówi.

Wzrost mocy obliczeniowej wraz z coraz bardziej zaawansowanym oprogramowaniem pozwala inżynierom analizować wiele wirtualnych modeli w krótkim czasie i przesuwać granice projektowania i materiałów. Według inżyniera projektu Specialized, Chrisa Meertensa, „Iteracja to nazwa gry. Narzędzia MES tworzą reprezentatywny model ramy, a celem jest uwzględnienie każdego włókna. Oprogramowanie pozwala mi zaprojektować każdą warstwę w oparciu o model optymalizacji dla 17 przypadków obciążeń, które mamy dla ramy modelu”.

Oznacza to, że oprogramowanie instruuje Meertensa, ile węgla powinno znajdować się w każdym obszarze ramy i jaka jest optymalna orientacja włókien. Umiejętność polega jednak na tym, aby wiedzieć, co jest, a co nie jest możliwe w przypadku ułożenia węgla. Czasami komputer wypluwa ideały, które są dalekie od ideału. „Przez większość czasu patrzę na to i mówię: „Nie ma mowy, abyśmy mogli tego zrobić” – mówi Meertens. „Więc zajmuję się oprogramowaniem do układania laminatów, aby wyciąć wirtualne warstwy i układać je na wirtualnym trzpieniu, opierając to na wykonalności produkcyjnej i optymalizacji laminatu”.

Nawet przy użyciu oprogramowania komputerowego rozszyfrowanie tego może zająć kilka dni, a przed ostatecznym zdefiniowaniem układu pozostaje jeszcze długa droga. Jednym z aspektów, w którym element ludzki jest niezbędny, jest upewnienie się, że odpowiedni gatunek włókna jest używany we właściwym miejscu. Meertens mówi: „Włókno 0 ° jest bardzo sztywne, ale nie ma dobrej udarności, więc aby zachować tolerancję na uszkodzenia kompozytu, musimy unikać umieszczania zbyt wielu miejsc, takich jak spód dolnej rury. Na tym etapie będę wiedział, jakich kształtów warstw potrzebuję, ale teraz chcę wiedzieć, ile z każdej warstwy. Uruchomiłem więc inny program do optymalizacji, który mówi mi, jak grube powinienem je zrobić – zasadniczo liczbę warstw. Przeanalizuje od 30 do 50 kombinacji warstw. Przejdziemy przez cykl wirtualnego drapowania i optymalizacji cztery lub pięć razy, za każdym razem dostosowując warstwy. Ale w pewnym momencie musimy nacisnąć „Go” i wysłać go.’

Ostateczny przewodnik

Harmonogram ułożenia jest jak mapa 3D z wyszczególnieniem każdego kawałka ukształtowanego węgla w każdej warstwie. „Rama podzielona jest na dziewięć stref: dwie podpory tylnego trójkąta, dwie podpory tylnego trójkąta, suport, siodełko, górna, czołowa i dolna rura”, mówi Meertens.„Określamy punkt odniesienia, który jest osią, dla każdej strefy. Orientacja każdego kawałka węgla w strefie jest następnie powiązana z tym punktem odniesienia. Dolna rura może mieć warstwy pod kątem 45°, 30° i 0° w stosunku do lokalnego punktu odniesienia. Ogólnie rzecz biorąc, materiał o większej wytrzymałości jest używany poza osią, pod kątem. Materiał o wyższym module stosujemy osiowo, przy 0°.’

Plik wynikowy może mieć rozmiar do 100 MB i jest ostatecznie przekazywany do hali produkcyjnej. Każdy pracownik w fabryce otrzymuje tylko część odpowiadającą części ramy, za którą jest odpowiedzialny. To wciąż nie jest ostateczna seria produkcyjna. Zbudowana rama jest prototypem na tym etapie i musi zostać przetestowana, aby zapewnić, że cyfrowo zaprojektowany układ zapewnia ramę, która sprawdza się w praktyce. Ultradźwięki, kontrola rentgenowska i fizyczne rozwarstwienie ujawniają grubość laminatu. W innym miejscu matryca żywicy zostanie spalona, aby odsłonić jakość laminowania i czy materiał lub włókna migrowały. Testy zginania powinny wykazywać takie same wyniki jak analiza MES. W końcu jednak to człowiek zabiera go w drogę.

„Jeżdżenie na rowerze to jedyny sposób, w jaki możemy to naprawdę określić ilościowo” – mówi Bob Parlee. „Możemy przeprowadzić testy zginania i obciążenia, ale musimy wyjść i przejechać się nim, aby sprawdzić, czy działa tak, jak chcemy”. Kiedy model przejdzie zbiórkę, produkcja w końcu dostaje zielone światło.

Większość produkcji rowerów odbywa się na Dalekim Wschodzie, a to nadaje jeszcze większe znaczenie harmonogramowi montażu. Drobno szczegółowy plan, jeśli będzie przestrzegany co do litery, powinien zapewnić, że produkty wychodzące z tych dużych fabryk są identycznymi bliźniakami tych testowanych i przeszły na końcowym etapie prototypu. Oczywiście większość marek nieustannie testuje i ponownie testuje ramy produkcyjne, aby zapewnić spójność, aby rowery trafiające do sklepów spełniały oczekiwania klientów. W większości przypadków producenci mogą również prześledzić całą drogę ramy, aż do początków pierwszych włókien. O czym należy pomyśleć następnym razem, gdy będziesz stał i podziwiał swoją dumę i radość.

Zalecana: