Valmistajat ylpeilevät mielellään hiilikuitujen levittämisestä, joten Cyclist päätti tutkia, mitä tämä tarkoittaa ja miten se vaikuttaa suorituskykyyn
Pyörä on sanomattakin selvää kaikkien aikojen paras joululahja, mutta ehkä pentua lukuun ottamatta se on myös vaikein kääriä. Sääli siis kehnoa kehäsuunnittelijaa, jonka täytyy kääriä ja levittää hiiltä monimutkaisten kaaremiensa ympärille niin, että paistettuna ja valmiina runko antaa halutun ajotuntuman. Hiilikuitukehyksen rakentaminen on monimutkainen 3D-pulma, joka peittää Rubikin kuution.
Hiilen kauneus on, että toisin kuin metallissa, useita kappaleita voidaan kerrostaa eriasteisiin leikkauspisteisiin ja päällekkäisyyksiin, mikä antaa erittäin tiukan hallinnan pyörän rungon missä tahansa pisteessä vaadituille suorituskykyominaisuuksille ja lujuudelle. Huono puoli on, että hiili on anisotrooppista – se on vahvempaa yhteen suuntaan kuin toiseen samalla tavalla kuin puu – mikä tarkoittaa, että lujuus riippuu kuitujen suunnasta. Jotta hiili kantaisi merkittäviä kuormia, voimat on suunnattava sen kuituja pitkin, mikä tekee kuidun suunnasta ehdottoman tärkeän. Polkupyörän rungon rakenneosat kokevat voimia useisiin suuntiin, eli hiilikuitujen täytyy kulkea myös useaan suuntaan. Tästä syystä eri kerrosten kuidut ovat eri kulmissa, yleensä 0° (linjassa), +45°, -45°, +90° ja -90°, ja itse asiassa mikä tahansa suunnittelijan valitsema kulma, jos se luo halutut attribuutit..
Syvyyksissä
Näin se on kaikissa hiilikuitukehyksissä. Kiiltävän ulkopinnan alla on useita kerroksia hiilikuitukappaleita, joiden jäykkyys, vahvuudet, muodot, koot, asennot ja suuntaukset on suunniteltu huolella, yleensä tietokoneohjelmistojen ja insinöörien asiantuntemuksella. Tätä kutsutaan lay-up-aikatauluksi tai vain lay-upiksi. Kun hiilipalapeli on valmis, pyörän on oltava kevyt, reagoiva, kustannustehokas ja kestettävä pyöräilyn äärimmäisetkin voimat.
Professori Dan Adams, komposiittimekaniikan laboratorion johtaja Utahin yliopistossa S alt Lake Cityssä, itsekin innokas pyöräilijä ja joka oli mukana Trekin ensimmäisten hiilirunkojen kehittämisessä, sanoo, että kaiken rakentaminen hiilestä on kaikki. oikeasta laskeutumisaikataulusta. "Se määrittelee yksittäisten hiili-/epoksiprepreg-kerrosten tai -kerrosten suunnan, jotka on pinottu yhteen lopullisen osan paksuuden saamiseksi", hän sanoo.”Jotkin rungon osat on helpompi koota kuin toiset. Putket ovat suhteellisen yksinkertaisia, mutta niiden väliset liitokset ovat joitain monimutkaisimmista kerroskokoonpanoista, joita voit nähdä tuotantoosissa kaikilla teollisuudenaloilla, jotka käyttävät rakenteellisesti hiiltä, mukaan lukien ilmailu- ja autoteollisuus.’
Hiilen anisotrooppinen luonne tekee myös oikean hiilen valitsemisesta ratkaisevan tärkeää. Yksinkertaisimmillaan hiiltä voidaan toimittaa kahdella tavalla. Unidirectional (UD) sisältää kaikki hiilikuidut yhteen suuntaan, yhdensuuntaisesti toistensa kanssa. Vaihtoehto UD:lle on kudottu kangas tai "kangas". Siinä on kuituja, jotka kulkevat kahteen suuntaan ja kulkevat toistensa alle ja päälle suorassa kulmassa luoden klassisen hiilikuidun ulkonäön. Yksinkertaisimmassa kankaassa, joka tunnetaan nimellä pelkkä kudos, kuidut nauhoitetaan jokaisen risteyksen kohdalla (kutsutaan "1/1"), jolloin muodostuu ruudukkomainen kuvio. On monia muita mahdollisia kudontakuvioita. Twill (2/2) on hieman löysempi, joten se on helpompi verhota ja se on helppo tunnistaa vinokuviostaan, joka näyttää chevroneilta.
Kuidun moduuli (joustomitta) on myös perustavanlaatuinen tietylle kokoonpanolle. Modulus määrittelee kuitujen jäykkyyden. Vakiomoduulikuitu, jonka nimellisarvo on 265 gigapascalia (GPa), on vähemmän jäykkä kuin 320 GPa:n moduulikuitu. Saman jäykkyyden omaavien komponenttien valmistamiseksi tarvitaan vähemmän korkeamman moduulin hiiltä, mikä johtaa kevyempään tuotteeseen. Korkeamman moduulin kuidut saattavat siksi tuntua paremm alta vaihtoehdolta, mutta siinä on saalis. Analogia voidaan tehdä kuminauhan ja spagetin palan kanssa. Kuminauha on erittäin joustava (alhainen moduuli) ja sitä voidaan taivuttaa hyvin pienellä voimalla, mutta se ei katkea, ja se palaa alkuperäiseen muotoonsa taivutuksen jälkeen. Spagetti on toisa alta erittäin jäykkä (korkea moduuli), joten se kestää muodonmuutoksia tiettyyn pisteeseen asti ja sitten yksinkertaisesti rikkoutuu. Markkinointiosastot ylpeilevät usein tietyn kuitumoduulin sisällyttämisestä uusimpaan runkosuunnitteluun, mutta useimmissa tapauksissa pyörän runko on useiden erityyppisten moduulien huolellinen tasapaino kokoonpanon sisällä, jotta saadaan haluttu yhdistelmä jäykkyyttä, kestävyyttä ja joustavuutta..
Yksi muu muuttuja on otettava huomioon. Yksi hiilikuitulanka on erittäin ohut – paljon ohuempi kuin ihmisen hiukset, joten ne niputetaan yhteen muodostaen niin sanotun "touvin". Pyörille hinaaja voi sisältää mitä tahansa 1 000 - 12 000 säiettä, vaikka 3 000 (kirjoitettuna 3K) on yleisin.
Kuitu tämä, kuitu tuo
Ne ovat perusasiat, mutta asettelun luominen tulee monimutkaista. "Puhtaan lujuuden ja jäykkyyden näkökulmasta ihanteellisen komposiitin kuitujen ja hartsin välinen suhde olisi mahdollisimman suuri ja kuidun taipuminen olisi vähiten", sanoo Bristolin kansallisen komposiittikeskuksen tutkimusinsinööri tohtori Peter Giddings. työskenteli pyörien parissa ja kilpaili niillä monta vuotta.”Yksisuuntaiset kuidut ovat ainakin teoriassa paras valinta tähän. UD-materiaalien jäykkyys-painosuhde on kasvanut kuidun suunnassa. Valitettavasti UD-komposiitit ovat herkempiä vaurioille, ja vaurioituneena ne hajoavat todennäköisemmin kuin kudotut kankaat.’
Yksinkertaisesti UD-hiilikerroksista rungon rakentaminen loisi vaarallisen hauraan pyörän, puhumattakaan materiaali- ja työtuntikustannuksista johtuen kohtuuttoman kalliista. Tästä syystä kudottu hiili hallitsee ja on ilmeinen valinta kaikille alueille, joilla on tiukkoja kaarteita ja monimutkaisia liitosmuotoja. Lisäksi ihmiset pitävät sen ulkonäöstä. "Esteettisesti kudottujen materiaalien katsotaan näyttävän paremm alta kuin yksisuuntaiset materiaalit, ja yleisön käsitys komposiitista on kudottu", Giddings sanoo. "Itse asiassa monet valmistajat maalaavat [täten peittäen] alueita, joissa runkorakenne estää sileän, kudotun ulkonäön."
Valmistuksen helppous on myös otettava huomioon asennusaikataulussa työvoimakustannusten huomioon ottamiseksi. Monimutkaisille liitoksille ja muodoille vie paljon kauemmin ideaaliasetelman luominen UD-kuiduilla. Se on toinen syy, miksi kudotut kankaat ovat useimpien hiilipyöränvalmistajien suosima valinta. "Kudottua kangasta on helpompi työstää kuin UD:tä, ja sen sovittaminen vaadittuun muotoon vaatii vähemmän taitoa", Giddings sanoo. "UD:lla on taipumus halkeilla tai kiertyä monimutkaisten muotojen ympärille. Löysästi kudotut kankaat mukautuvat helpommin ja pienet valmistusvirheet eivät vaikuta rakenteen kokonaislujuuteen.'
Valmistajat valitsevat todennäköisesti kudotun hiilen asennuksen monimutkaisimmilla alueilla, kuten alatuen ja pääputken liitoskohdissa, mutta se ei silti ole niin yksinkertaista kuin miltä se kuulostaa, koska on otettava huomioon toinenkin tekijä. "Haluat säilyttää kuitusuuntauksen jatkuvuuden paitsi risteyksissä, myös niiden läpi ja niiden ulkopuolella", sanoo Paul Remy, Scott Sportsin pyöräinsinööri. 'Risteyksessä, kuten alakiinnitteessä, voi olla monimutkaisia kaarevia, joten sinun on mietittävä tapa jatkaa kuitujen suuntaa ja siirtää kuormitusta niiden läpi.'
Tässä kehysinsinöörit, kuten Remy, ovat kiitollisia tietojenkäsittelytieteen avusta. Aiemmin ainoa tapa saada selville, kuinka erilaiset lay-up-aikataulun muutokset voivat vaikuttaa lopputulokseen, oli rakentaa ja testata useita prototyyppejä, mutta nyt lay-up-aikataulu voidaan testata erittäin tarkasti tietokoneilla ennen kuin yksi kuitulanka on koskettanut runkomuottiin.
’Aiemmin oli todella vaikeaa tietää, mikä vaikutus vain yhden lay-up-osan muuttamisella olisi kehyksen suorituskykyyn, Remy sanoo.
Bob Parlee, Massachusettsissa toimivan Parlee Cyclesin perustaja, muistelee niitä vanhoja aikoja, ennen kuin tietokoneet murskasivat numeroita melko hellästi: "Jos ymmärrät ristikkorakenteen, kuten rungon, kuormitukset, asennukset ovat yksinkertaisia, joten aluksi saatoin tehdä ne itse päässäni.” Parlee on sittemmin myöntänyt, että tietokoneella suoritettavalla elementtianalyysillä (FEA) on paikkansa. "Alun perin en laittaisi reikiä runkoputkiin [kaapelin sisääntulokohtiin tai pullohäkkien kiinnikkeisiin], koska ne olivat mahdollisia heikkoja kohtia, mutta nyt FEA kertoo meille, mitä tehdä reiän vahvistamiseksi", hän sanoo.
Laskennan tehon lisääminen yhdessä yhä kehittyneempien ohjelmistojen kanssa antaa insinööreille mahdollisuuden analysoida monia virtuaalisia malleja lyhyessä ajassa ja rikkoa suunnittelun ja materiaalien rajoja. Specialized-suunnitteluinsinöörin Chris Meertensin mukaan "Iteraatio on pelin nimi". FEA-työkalut luovat edustavan mallin rungosta ja tavoitteena on saada jokainen kuitu huomioon. Ohjelmiston avulla voin suunnitella jokaisen kerroksen optimointimallin perusteella niille 17 kuormitustilanteelle, jotka meillä on mallikehykselle.’
Se tarkoittaa, että ohjelmisto antaa Meertensille ohjeen, kuinka paljon hiiltä tulee olla kullakin kehyksen alueella ja kuinka optimaalinen suunta on kuituille. Taito on kuitenkin tietää, mikä on ja mikä ei ole mahdollista hiilen avulla. Joskus tietokone sylkee ihanteita, jotka ovat kaukana ihanteellisista. "Suurin osa ajasta katson sitä ja sanon: "Emme voi tehdä niin", Meertens sanoo. 'Joten sitten minulla on kiire laminaatin verhoiluohjelmiston parissa leikatakseni virtuaalisia kerroksia ja levittääkseni ne virtuaaliselle karalle, mikä perustuu valmistuksen toteutettavuuteen ja laminaatin optimointiin.'
Jopa tietokoneohjelmistoa käytettäessä tämän tulkitseminen voi kestää päiviä, ja vielä on pitkä matka ennen kuin kokoonpano on lopullisesti määritelty. Yksi näkökohta, jossa inhimillinen elementti on olennainen, on varmistaa, että oikeaa kuitulaatua käytetään oikeassa paikassa. Meertens sanoo: "0°-kuitu on erittäin jäykkää, mutta sillä ei ole hyvää iskunkestävyyttä, joten pitääksemme komposiittivaurion sietävänä meidän on vältettävä laittamista liikaa paikkoihin, kuten untuvaputken pohjaan. Tiedän tässä vaiheessa, mitä kerrosmuotoja tarvitsen, mutta nyt haluan tietää kuinka monta kutakin kerrosta. Joten käytän toista optimointiohjelmaa, joka kertoo minulle, kuinka paksut minun pitäisi tehdä niistä - lähinnä kerrosten lukumäärän. Se analysoi missä tahansa 30–50 kerrosyhdistelmää. Käymme läpi virtuaalisen drappauksen ja optimoinnin neljä tai viisi kertaa ja hienosäädämme kerroksia hieman enemmän joka kerta. Mutta jossain vaiheessa meidän täytyy painaa "Go" ja lähettää se pois.’
Lopullinen opas
Asetteluaikataulu on kuin 3D-kartta, jossa on yksityiskohtaisesti kunkin kerroksen muotoiltu hiilen pala. "Runko on jaettu yhdeksään vyöhykkeeseen: kaksi istuintukea, kaksi ketjutankoa, alakiinnike, istuin, yläosa, pää- ja alaputket", Meertens sanoo."Määritämme peruspisteen, joka on akseli, jokaiselle vyöhykkeelle. Jokaisen hiilen suuntaus vyöhykkeellä on sitten suhteessa tuohon peruspisteeseen. Alaputkessa voi olla kerroksia 45°, 30° ja 0° suhteessa paikalliseen peruspisteeseen. Yleensä vahvempaa materiaalia käytetään akselin ulkopuolella, kulmassa. Korkeamman moduulin materiaalia käytämme aksiaalisesti, 0°:ssa.’
Tuloksena oleva tiedosto voi olla kooltaan jopa 100 Mt, ja se välitetään lopulta tehtaan lattialle. Jokainen tehtaan työntekijä saa vain sen osan, joka liittyy sen kehyksen osaan, jonka luomisesta hän on vastuussa. Tämä ei vielä ole lopullinen tuotantoajo. Rakennettu kehys on tässä vaiheessa prototyyppi ja sitä on testattava, jotta digitaalisesti suunniteltu lay-up johtaa käytännössä toimivaan kehykseen. Ultraääni, röntgentutkimus ja fyysinen leikkaus paljastavat laminaatin paksuudet. Muualla hartsimatriisi poltetaan pois laminoinnin laadun paljastamiseksi ja sen, onko materiaali tai kuidut siirtyneet. Taivutustestien tulee näyttää samat tulokset kuin FEA-analyysissä. Lopulta kuitenkin ihminen ottaa sen pois tieltä.
'Pyörällä ajaminen on ainoa tapa, jolla voimme todella mitata sen, sanoo Bob Parlee. "Voimme tehdä taivutus- ja kuormitustestit, mutta meidän on noustava ulos ja ajettava sillä nähdäksemme, toimiiko se haluamallamme tavalla." Kun malli läpäisee kokeen, tuotanto saa vihdoin vihreää valoa.
Suurin osa polkupyörien tuotannosta tapahtuu Kaukoidässä, ja tämä asettaa vieläkin tärkeämmän pyöräilyaikataulun. Tarkkaan yksityiskohtaisen suunnitelman, jos sitä noudatetaan kirjaimellisesti, pitäisi varmistaa, että näistä suurista tehtaista tulevat tuotteet ovat identtisiä kaksosia testattujen ja lopullisessa prototyyppivaiheessa läpäistyjen tuotteiden kanssa. Tietenkin useimmat merkit testaavat ja testaavat jatkuvasti tuotantorunkoja varmistaakseen yhdenmukaisuuden, jotta kauppoihin saapuvat pyörät vastaavat asiakkaiden odotuksia. Useimmissa tapauksissa valmistajat voivat myös jäljittää kehyksen koko matkan aina ensimmäisten kuitulankojen alkuperään asti. Mitä kannattaa ajatella seuraavan kerran, kun seisot ja ihailet ylpeyttäsi ja iloasi.
