Ražotājiem patīk lielīties ar oglekļa šķiedras klāšanu, tāpēc velosipēdists nolēma izpētīt, ko tas nozīmē un kā tas ietekmē veiktspēju
Velosipēds, pats par sevi saprotams, ir visu laiku labākā Ziemassvētku dāvana, taču, iespējams, izņemot kucēnu, to ir arī visgrūtāk iesaiņot. Tik žēl nabaga rāmja dizainera, kuram ir jāapvelk un jāapvelk ogleklis ap tā sarežģītajām līknēm tā, lai pēc cepšanas un pabeigšanas rāmis sniegtu vēlamo braukšanas sajūtu. Oglekļa šķiedras rāmja konstrukcija ir sarežģīta 3D mīkla, kas aizēno Rubika kubu.
Oglekļa skaistums ir tāds, ka, atšķirībā no metāla, vairākas detaļas var būt slāņotas dažādās krustošanās un pārklāšanās pakāpēs, lai nodrošinātu ļoti ciešu kontroli pār veiktspējas īpašībām un izturību, kas nepieciešama jebkurā velosipēda rāmja punktā. Negatīvā puse ir tāda, ka ogleklis ir anizotrops - tas ir stiprāks vienā virzienā nekā citā, līdzīgi kā koks, - tas nozīmē, ka izturība ir atkarīga no šķiedru virziena. Lai ogleklis varētu pārvadāt ievērojamas slodzes, spēkiem ir jābūt vērstiem gar tā šķiedrām, kas padara šķiedras virzienu ļoti svarīgu. Velosipēda rāmja daļas saskaras ar spēku vairākos virzienos, kas nozīmē, ka arī oglekļa šķiedrām ir jāvirzās vairākos virzienos. Tāpēc dažādiem slāņiem šķiedras ir dažādos leņķos, parasti 0° (līnijā), +45°, -45°, +90° un -90°, kā arī jebkurš dizaineru izvēlēts leņķis, ja tas radīs vēlamos atribūtus..
Dzīlēs
Tā tas ir visiem oglekļa rāmjiem. Zem spožajām ārpusēm ir daudz oglekļa šķiedras gabalu slāņu, kuru stingrība, stiprības, formas, izmēri, pozīcijas un orientācijas ir rūpīgi izplānotas, parasti izmantojot datoru programmatūras pakotnes un inženieru zināšanas. Tas ir pazīstams kā likšanas grafiks vai vienkārši izlikšanas grafiks. Kad oglekļa finierzāģis ir pabeigts, velosipēdam ir jābūt vieglam, atsaucīgam, rentablam un jāspēj izturēt vislielākos riteņbraukšanas spēkus.
Profesors Dens Adamss, kompozītmateriālu mehānikas laboratorijas direktors Jūtas Universitātē Soltleiksitijā, kurš pats ir dedzīgs velosipēdists un bija iesaistīts Trek pirmo oglekļa karkasu izstrādē, saka, ka konstruēt jebko no oglekļa ir viss. par pareizo izvietošanas grafiku. "Tas nosaka atsevišķu oglekļa/epoksīda prepreg slāņu vai slāņu orientāciju, kas ir sakrautas, lai iegūtu galīgās daļas biezumu," viņš saka. “Dažas rāmja daļas ir vieglāk salikt nekā citas. Caurules ir salīdzinoši vienkāršas, taču to savienojumi ir daži no vissarežģītākajiem slāņu izkārtojumiem, ko jūs redzēsiet ražošanas daļās jebkurā nozarē, kurā strukturāli izmanto oglekli, tostarp aviācijā un automobiļu rūpniecībā.’
Oglekļa anizotropā rakstura dēļ arī pareizā oglekļa izvēle ir ļoti svarīga. Vienkāršāk sakot, ogleklis tiek piegādāts divos veidos. Vienvirziena (UD) visas oglekļa šķiedras darbojas vienā virzienā, paralēli viena otrai. UD alternatīva ir audums jeb “audums”. Tam ir šķiedras, kas stiepjas divos virzienos, iet viena zem otras un pāri taisnā leņķī, lai piešķirtu klasisku oglekļa šķiedras izskatu. Vienkāršākajā audumā, ko sauc par vienkāršu aušanu, šķiedras tiek sašņorētas zem un pāri katrā krustojumā (saukta par “1/1”), lai izveidotu režģim līdzīgu rakstu. Ir daudzi citi iespējamie aušanas modeļi. Tvils (2/2) ir nedaudz brīvāks, tāpēc to ir vieglāk pārvilkt un viegli atpazīt pēc diagonālā raksta, kas izskatās kā ševroni.
Šķiedras modulis (elastības mērs) ir arī būtisks konkrētajam izvietojumam. Modulis nosaka, cik stingra ir šķiedra. Standarta moduļa šķiedra, kas novērtēta ar 265 gigapaskāliem (GPa), ir mazāk stingra nekā vidēja moduļa šķiedra ar 320 GPa. Lai izgatavotu tādas pašas stingrības sastāvdaļas, kas rada vieglāku produktu, ir nepieciešams mazāks oglekļa modulis. Tāpēc augstāka moduļa šķiedras varētu šķist vēlama izvēle, taču tajā ir kāds āķis. Analoģiju var veikt ar gumijas joslu pret spageti gabalu. Gumijas josla ir ļoti elastīga (ar zemu moduli), un to var saliekt ar ļoti mazu spēku, taču tā nesaplīst, turklāt pēc saliekšanas tā atgriezīsies sākotnējā formā. No otras puses, spageti ir ļoti stīvi (augsts modulis), tāpēc tie izturēs deformāciju līdz noteiktam punktam un pēc tam vienkārši salūzīs. Mārketinga nodaļas bieži lepojas ar noteiktas šķiedras moduļa iekļaušanu jaunākajā rāmja dizainā, taču vairumā gadījumu velosipēda rāmis ir rūpīgs vairāku veidu moduļu līdzsvars izkārtojuma ietvaros, lai nodrošinātu vēlamo stingrības, izturības un elastības kombināciju..
Ir vēl viens mainīgais, kas jāņem vērā. Viena oglekļa šķiedras šķipsna ir ārkārtīgi plāna - daudz plānāka nekā cilvēka mati, tāpēc tās ir saliktas kopā, veidojot tā saukto “pakuli”. Velosipēdiem tauvā var būt jebkas no 1 000 līdz 12 000 šķiedru, lai gan visizplatītākais ir 3 000 (rakstīts kā 3K).
Šo šķiedru, šo šķiedru
Tie ir pamati, taču izkārtojuma izveide kļūst sarežģīta. "No tīra stiprības un stingrības viedokļa ideālajam kompozītmateriālam būtu pēc iespējas lielāka šķiedru attiecība pret sveķiem un vismazāk šķiedru izliekums," saka Dr. Pīters Giddings, Bristoles Nacionālā kompozītmateriālu centra pētnieks. strādāja ar velosipēdiem un brauca ar tiem daudzus gadus. “Vienvirziena šķiedras, vismaz teorētiski, ir labākā izvēle šim nolūkam. UD materiāliem ir palielināta stingrības un svara attiecība šķiedras virzienā. Diemžēl UD kompozītmateriāli ir vairāk pakļauti bojājumiem, un, ja tie ir bojāti, tie biežāk sabojājas nekā audumi.’
Izveidojot rāmi tikai no UD oglekļa slāņiem, tiktu izveidots velosipēds, kas būtu bīstami trausls, nemaz nerunājot par pārmērīgi dārgu materiālu un cilvēka stundu izmaksu dēļ. Tādējādi dominē austais ogleklis, un tā ir acīmredzama izvēle jebkurām vietām, kur ir stingri izliekumi un sarežģītas savienojumu formas. Turklāt cilvēkiem patīk tā izskats. "Estētiski tiek uzskatīts, ka austi materiāli izskatās labāk nekā vienvirziena materiāli, un sabiedrības uztvere par kompozītmateriālu ir austs audums," saka Gidings. “Patiesībā daudzi ražotāji krāso [tādējādi slēpjot] vietas, kur rāmja konstrukcija novērš gludu, austu izskatu.”
Izklāšanas grafikā ir jāņem vērā arī izgatavošanas vieglums, lai ņemtu vērā darbaspēka izmaksas. Sarežģītām šuvēm un formām ideāla izkārtojuma izveide ar UD šķiedrām prasīs daudz ilgāku laiku. Tas ir vēl viens iemesls, kāpēc vairums oglekļa velosipēdu ražotāju izvēlas audumus. "Ar austu audumu ir vieglāk strādāt nekā ar UD, un, lai to pielāgotu vajadzīgajai formai, ir vajadzīgas mazāk prasmes," saka Gidings. “UD ir tendence sadalīties vai salocīties ap sarežģītām formām. Brīvi austi audumi vieglāk pielāgojas, un struktūras kopējo izturību mazāk ietekmē nelieli ražošanas defekti.'
Ražotāji visdrīzāk izvēlēsies austu oglekli vissarežģītākajās vietās, piemēram, apakšējā kronšteina un galvas cauruļu savienojumos, taču tas joprojām nav tik vienkārši, kā izklausās, jo ir jāņem vērā vēl viens faktors. "Jūs vēlaties saglabāt šķiedras orientācijas nepārtrauktību ne tikai krustojumos, bet arī caur tiem un aiz tiem," saka Pols Remijs, Scott Sports velosipēdu inženieris. "Savienojumā, piemēram, apakšējā kronšteinā, var būt sarežģīti izliekumi, tāpēc jums ir jāizdomā veids, kā turpināt šķiedru orientāciju, lai pārnestu slodzi pa tām."
Tieši šeit rāmju inženieri, piemēram, Remijs, ir pateicīgi par datorzinātņu palīdzību. Agrāk vienīgais veids, kā uzzināt, kā dažādas izkārtojuma grafika izmaiņas var ietekmēt gala rezultātu, bija izveidot un pārbaudīt vairākus prototipus, taču tagad izvietošanas grafiku datori var pārbaudīt ar ļoti augstu precizitātes pakāpi pirms viena šķiedras šķipsna ir pieskārusies rāmja veidnē.
‘Iepriekš bija ļoti grūti zināt, kādu ietekmi uz kadra veiktspēju atstās tikai vienas izkārtojuma daļas maiņa,” saka Remijs.
Bobs Pārlijs, Masačūsetsā bāzētās Parlee Cycles dibinātājs, diezgan mīļi atceras tos vecos laikus, kad datori visu laiku kraukšķēja: “Ja saprotat, kādas slodzes uz kopņu konstrukciju, piemēram, rāmi, ir vienkārši., tāpēc sākotnēji es varēju tos izstrādāt pats savā galvā.” Kopš tā laika Parlijs ir atzinis, ka datora galīgo elementu analīzei (FEA) ir sava vieta. “Sākotnēji es neliktu caurumus rāmja caurulēs [kabeļu ievades vietām vai pudeļu sprostu stiprinājumiem], jo tās bija potenciāli vājās vietas, taču tagad FEA mums norāda, kas jādara, lai nostiprinātu šo caurumu,” viņš saka.
Pieaugošā skaitļošanas jauda kopā ar arvien sarežģītāku programmatūru ļauj inženieriem īsā laikā analizēt daudzus virtuālos modeļus un paplašināt dizaina un materiālu robežas. Saskaņā ar specializētā dizaina inženiera Krisa Mērtensa teikto: “Iterācija ir spēles nosaukums. FEA rīki izveido reprezentatīvu rāmja modeli, un mērķis ir ņemt vērā katru šķiedru. Programmatūra ļauj man izveidot katru slāni, pamatojoties uz optimizācijas modeli 17 slodzes gadījumiem, kas mums ir modeļa rāmim.’
Tas nozīmē, ka programmatūra norāda Mērtensam, cik daudz oglekļa jābūt katrā rāmja apgabalā un optimālo šķiedru orientāciju. Tomēr prasme ir zināt, kas ir un kas nav iespējams ar oglekļa izkārtojumu. Dažreiz dators izspļauj ideālus, kas ir tālu no ideāla. "Lielāko daļu laika es uz to skatos un saku: "Mēs nekādā gadījumā nevaram to izdarīt," saka Mērtenss. “Tāpēc es esmu aizņemts ar lamināta pārklājuma programmatūru, lai sagrieztu virtuālās slāņus un uzliktu tās uz virtuālā serdeņa, balstoties uz ražošanas iespējamību un lamināta optimizāciju.”
Pat izmantojot datora programmatūru, var paiet vairākas dienas, lai to atšifrētu, un vēl tāls ceļš ejams, līdz beidzot tiks definēts izkārtojums. Viens no aspektiem, kur cilvēka elements ir būtisks, ir nodrošināt, lai pareizajā vietā tiktu izmantota pareizā šķiedra. Mērtenss saka: 0° šķiedra ir ļoti stingra, bet tai nav laba triecienizturība, tāpēc, lai saglabātu kompozītmateriāla izturību pret bojājumiem, mums ir jāizvairās no pārāk daudz ievietošanas tādās vietās kā dūnu caurules apakšdaļa. Šajā posmā es zināšu, kādas slāņu formas man ir vajadzīgas, bet tagad es vēlos uzzināt, cik no katras kārtas. Tāpēc es palaidu citu optimizācijas programmu, kas man norāda, cik biezi man tie jāsagatavo – būtībā slāņu skaits. Tas analizēs no 30 līdz 50 slāņu kombinācijām. Mēs četras vai piecas reizes veiksim virtuālās pārklājuma un optimizācijas ciklu, katru reizi nedaudz pielāgojot slāņus. Bet kādā brīdī mums jānospiež “Go” un jānosūta tas.’
Galīgais ceļvedis
Izklāšanas grafiks ir kā 3D karte, kurā katrā slānī ir detalizēti aprakstīts katrs formas oglekļa gabals. "Rāmis ir sadalīts deviņās zonās: divi sēdekļu balsti, divi ķēžu balsti, apakšējais kronšteins, sēdeklis, augšējais, galvas un leju caurules," saka Mērtenss.“Katrai zonai mēs norādām atskaites punktu, kas ir ass. Katra oglekļa gabala orientācija zonā ir saistīta ar šo atskaites punktu. Lejas caurulei var būt slāņi 45°, 30° un 0° leņķī attiecībā pret vietējo atskaites punktu. Parasti augstākas stiprības materiāls tiek izmantots ārpus ass, leņķī. Augstāka moduļa materiāls, ko mēs izmantojam aksiāli, pie 0°.’
Iegūtā faila lielums var būt līdz 100 Mb, un galu galā tas tiek nosūtīts uz rūpnīcas stāvu. Katrs strādnieks rūpnīcā saņem tikai to rāmja daļu, par kuru viņš ir atbildīgs. Šī joprojām nav pēdējā ražošanas sērija. Uzbūvētais rāmis šajā posmā ir prototips, un tas ir jātestē, lai nodrošinātu, ka digitāli izstrādātā izkārtojuma rezultāts ir rāmis, kas darbojas praksē. Ultraskaņa, rentgena pārbaude un fiziskā sadalīšana atklāj lamināta biezumu. Citur sveķu matrica tiks sadedzināta, lai atklātu laminēšanas kvalitāti un to, vai materiāls vai šķiedras ir migrējušas. Liekšanas testiem jāuzrāda tādi paši rezultāti kā FEA analīzei. Tomēr galu galā uz ceļa to izved cilvēks.
"Braukšana ar velosipēdu ir vienīgais veids, kā mēs varam to patiesi noteikt, " saka Bobs Pārlijs. "Mēs varam veikt lieces un slodzes testus, bet mums ir jāizkāpj un jābrauc, lai redzētu, vai tas darbojas tā, kā mēs vēlamies." Kad modelis izturēs pārbaudi, ražošanai beidzot tiek dota zaļā gaisma.
Lielākā daļa velosipēdu tiek ražoti Tālajos Austrumos, un tas piešķir vēl lielāku nozīmi novietošanas grafikam. Smalki detalizētam plānam, ja tas tiek ievērots burtiski, būtu jānodrošina, ka no šīm lielajām rūpnīcām ražotie produkti ir identiski dvīņi tiem, kas pārbaudīti un izturēti pēdējā prototipa stadijā. Protams, lielākā daļa zīmolu nepārtraukti pārbauda un atkārtoti testē ražošanas rāmjus, lai nodrošinātu konsekvenci, lai velosipēdi, kas nonāk veikalos, atbilstu klientu vēlmēm. Vairumā gadījumu ražotāji var arī izsekot visam rāmja ceļam, līdz pat pirmo šķiedru pavedienu izcelsmei. Par to ir jādomā nākamreiz, kad stāvat un apbrīnojat savu lepnumu un prieku.
