Tootjatele meeldib kiidelda süsinikkiust mahapanemisega, mistõttu otsustas jalgrattur uurida, mida see tähendab ja kuidas see toimivust mõjutab
Jalgratas on ütlematagi selge, et kõigi aegade parim jõulukink, kuid kui kutsikas välja arvata, on seda ka kõige keerulisem pakkida. Nii kahju vaesest raamidisainerist, kes peab oma keeruliste kõverate ümber süsinikku mähkima ja katma nii, et küpsetamisel ja viimistlemisel pakuks raam soovitud sõidutunnet. Süsinikkiust raami konstruktsioon on keeruline 3D-mõistatus, mis varjutab Rubiku kuubiku.
Süsiniku ilu seisneb selles, et erinev alt metallist saab mitu tükki kihistada erineva ristumis- ja kattumisastmega, et anda väga range kontroll rattaraami mis tahes punktis nõutavate jõudlusomaduste ja tugevuse üle. Negatiivne külg on see, et süsinik on anisotroopne – see on ühes suunas tugevam kui teises sarnaselt puiduga – mis tähendab, et tugevus sõltub kiudude suunast. Selleks, et süsinik kannaks olulisi koormusi, peavad jõud olema suunatud piki selle kiude, mis muudab kiu suuna ülioluliseks. Jalgrattaraami koostisosad mõjutavad jõudu mitmes suunas, mis tähendab, et ka süsinikkiud peavad liikuma mitmes suunas. Seetõttu on erinevatel kihtidel kiud erinevate nurkade all, tavaliselt 0° (joonis), +45°, -45°, +90° ja -90° ning disainerite valitud mis tahes nurk, kui see loob soovitud atribuudid..
Sügavuses
Nii on see kõigi süsinikraamidega. Säravate välispindade all on palju kihte süsinikkiust tükke, mille jäikus, tugevus, kuju, suurused, asendid ja orientatsioonid on hoolik alt planeeritud, tavaliselt arvutitarkvarapakettide ja inseneride teadmiste kombinatsiooni abil. Seda tuntakse mahapaneku ajakavana või lihts alt mahapanekuna. Kui süsinik-pusle on valmis, peab jalgratas olema kerge, tundlik, kulutõhus ja taluma rattasõidu kõige ekstreemsemaid jõude.
Professor Dan Adams, S alt Lake Citys asuva Utahi ülikooli komposiitmehaanika labori direktor, kes on ise innukas jalgrattur ja oli seotud Treki esimeste süsinikraamide väljatöötamisega, ütleb, et süsinikust on kõik võimalik ehitada. õige mahapaneku ajakava kohta. "See täpsustab üksikute süsinik-/epoksüprepreg-kihtide või kihtide orientatsiooni, mis on virnastatud lõpliku osa paksuseks, " ütleb ta. "Mõnda raami osi on lihtsam kokku panna kui teisi. Torud on suhteliselt lihtsad, kuid nendevahelised ristmikud on ühed kõige keerukamad kihtide paigutused, mida näete tootmisosades mis tahes tööstusharus, mis kasutab süsinikku struktuuriliselt, sealhulgas lennunduses ja autotööstuses.’
Süsiniku anisotroopse olemuse tõttu on õige süsiniku valimine ülioluline. Lihtsam alt öeldes on süsiniku tarnimiseks kaks võimalust. Unidirectional (UD) on kõik süsinikkiud, mis jooksevad ühes suunas, üksteisega paralleelselt. UD alternatiiviks on kootud kangas ehk "riie". Sellel on kahes suunas kulgevad kiud, mis lähevad üksteise alla ja üle risti, et anda süsinikkiu klassikaline välimus. Lihtsaimas kangas, mida nimetatakse harilikuks kudumiseks, nöörivad kiud igal ristumisel alt ja üle (nimetatakse 1/1), et saada ruudustikutaoline muster. Võimalikud on ka paljud teised kudumismustrid. Twill (2/2) on veidi lõdvem, nii et seda on kergem üle kanda ja selle diagonaalse mustri järgi, mis näeb välja nagu võllid, kergesti äratuntav.
Kiu moodul (elastsuse mõõt) on samuti antud paigutuse jaoks ülioluline. Moodul määrab, kui jäik on kiud. Standardne moodulkiud, mille nimiväärtus on 265 gigapaskalit (GPa), on vähem jäik kui keskmise mooduliga kiud, mille nimiväärtus on 320 GPa. Sama jäikusega komponentide valmistamiseks on vaja vähem kõrgema mooduliga süsinikku, mille tulemuseks on kergem toode. Kõrgema mooduliga kiud võivad seetõttu tunduda eelistatavam valik, kuid sellel on konks. Analoogia võib teha kummipaela ja spagettide tükiga. Kummipael on väga elastne (madala mooduliga) ja seda saab väga väikese jõuga painutada, kuid see ei purune, lisaks taastub see pärast painutamist oma esialgse kuju. Spagetid seevastu on väga jäigad (kõrge mooduliga), nii et peavad vastu deformatsioonile kuni punktini ja lähevad siis lihts alt katki. Turundusosakonnad kiidavad sageli teatud kiudmooduli lisamisega uusimasse raami konstruktsiooni, kuid enamikul juhtudel on jalgrattaraam mitut tüüpi moodulite hoolikas tasakaal konstruktsioonis, et pakkuda soovitud jäikuse, vastupidavuse ja painduvuse kombinatsiooni..
Arvestada tuleb veel ühe muutujaga. Üks süsinikkiudude kiud on äärmiselt õhuke – palju õhem kui juuksekarvad, nii et need on kokku pandud, moodustades nn puksiiri. Jalgrataste puhul võib puksiir sisaldada kõike vahemikus 1 000 kuni 12 000, kuigi kõige tavalisem on 3 000 (kirjutatud kui 3K).
Fiber this, fiber that
Need on põhitõed, kuid paigutuse loomine muutub keeruliseks. "Puhta tugevuse ja jäikuse seisukohast oleks ideaalsel komposiidil võimalikult suur kiu ja vaigu osakaal ning kiud oleks kõige vähem painduvad," ütleb Bristoli riikliku komposiitmaterjalide keskuse uurimisinsener dr Peter Giddings. töötas jalgratastega ja sõitis nendega palju aastaid. „Ühesuunalised kiud on vähem alt teoreetiliselt selleks parim valik. UD-materjalidel on kiu suunas suurem jäikuse ja kaalu suhe. Kahjuks on UD-komposiidid kahjustustele vastuvõtlikumad ja kui need on kahjustatud, lähevad need suurema tõenäosusega rikki kui kootud kangad.’
Ainult UD-süsinikukihtidest raami ehitamine tekitaks ratta, mis oleks ohtlikult rabe, rääkimata materjali- ja töötunnikulude tõttu ülikallist. Seetõttu domineerib kootud süsinik ja see on ilmselge valik igas piirkonnas, kus on kitsad kõverad ja keerulised liigendivormid. Veelgi enam, inimestele meeldib selle välimus. "Esteetiliselt peetakse kootud materjale paremateks kui ühesuunalisi materjale ja üldsuse arusaam komposiidist on kootud kangas, " ütleb Giddings. „Tegelikult värvivad paljud tootjad [seega varjates] kohti, kus raami konstruktsioon takistab siledat kootud välimust.”
Tööjõukulude arvessevõtmiseks tuleb paigaldusgraafikus arvesse võtta ka valmistamise lihtsust. Keeruliste ühenduste ja kujundite puhul võtab UD-kiududega ideaalse paigutuse loomine palju kauem aega. See on veel üks põhjus, miks kootud kangad on enamiku süsinikjalgrattatootjate eelistatud valik. "Kootud riidega on lihtsam töötada kui UD-ga ja selle sobitamiseks on vaja vähem oskusi," ütleb Giddings. „UD-l on kalduvus keeruliste kujundite ümber lõheneda või murduda. Lahti kootud kangad sobivad kergemini kokku ja konstruktsiooni üldist tugevust mõjutavad väiksemad tootmisdefektid vähem.'
Tõenäoliselt valivad tootjad kõige keerulisemates piirkondades, nagu alumine kronstein ja esitoru ühenduskohad, kootud süsiniku kasutamise, kuid see pole siiski nii lihtne, kui see kõlab, sest arvestada tuleb veel ühe teguriga. "Soovite säilitada kiudude orientatsiooni järjepidevust mitte ainult ristmikel, vaid ka läbi nende ja väljaspool," ütleb Scott Sportsi rattainsener Paul Remy. „Ristmikul, näiteks alumisel sulgul, võib esineda keerulisi kumerusi, nii et peate välja mõtlema viisi, kuidas jätkata kiudude orientatsiooni, et kanda koormust üle nende vahel.”
Just siin on raamiinsenerid, nagu Remy, tänulikud arvutiteaduse abi eest. Varem oli ainus viis teada saada, kuidas erinevad paigutusgraafiku muudatused võivad lõpptulemust mõjutada, koostada ja testida mitut prototüüpi, kuid nüüd saab paigutusgraafikut väga suure täpsusega testida arvutitega enne üks kiud on raami vormis kokku puutunud.
„Varem oli tõesti raske teada, millist mõju avaldab kaadri jõudlusele vaid ühe paigutuse osa muutmine,“ütleb Remy.
Bob Parlee, Massachusettsis asuva Parlee Cyclesi asutaja, meenutab neid vanu aegu, enne kui arvutid numbreid krõbistasid, üsna heldimusega: "Kui mõistate sõrestike (nt raami) koormust, on paigutus lihtne., nii et algul sain need oma peas ise välja töötada.” Parlee on sellest ajast peale möönnud, et arvuti lõplikel elementide analüüsil (FEA) on oma koht. "Algselt ei pannud ma raami torudesse [kaabli sisendpunktide või pudelipuuride kinnituskohtade jaoks] auke, kuna need olid potentsiaalsed nõrgad kohad, kuid nüüd ütleb FEA meile, mida teha selle augu tugevdamiseks," ütleb ta.
Arvutusvõimsuse suurenemine koos üha keerukama tarkvaraga võimaldab inseneridel analüüsida paljusid virtuaalseid mudeleid lühikese aja jooksul ning nihutada disaini ja materjalide piire. Spetsialiseerunud disainiinseneri Chris Meertensi sõnul on "Iteratsioon mängu nimi". FEA tööriistad loovad raami esindusliku mudeli ja eesmärk on arvestada iga kiuduga. Tarkvara võimaldab mul kujundada iga kihi, tuginedes optimeerimismudelile 17 koormusjuhtumi jaoks, mis meil on mudeliraami jaoks.’
See tähendab, et tarkvara annab Meertensile juhised, kui palju süsinikku peaks raami igas piirkonnas olema, ja kiudude optimaalset orientatsiooni. Oskus seisneb aga teadmises, mis on süsiniku paigutusega võimalik ja mis mitte. Mõnikord sülitab arvuti välja ideaale, mis pole ideaalist kaugel. "Enamasti vaatan seda ja ütlen: "Me ei saa seda kuidagi teha," ütleb Meertens. "Nii et ma tegelen laminaadiga drapeerimise tarkvaraga, et lõigata virtuaalseid kihte ja kanda need virtuaalsele tornile, võttes aluseks tootmise teostatavuse ja laminaadi optimeerimise."
Isegi arvutitarkvara kasutamisel võib selle dešifreerimiseks kuluda päevi ja selle lõpliku määratlemiseni on veel pikk tee minna. Üks aspekt, kus inimlik element on oluline, on tagada, et õiget kiudu kasutatakse õiges kohas. Meertens ütleb: "0° kiud on väga jäik, kuid sellel pole head löögitugevust, nii et selleks, et hoida komposiit kahjustusi taluvana, peame vältima liiga palju asetamist sellistesse kohtadesse nagu toru põhja. Ma tean selleks etapiks, milliseid kihti ma vajan, kuid nüüd tahan teada, mitu kihti igast kihist on. Nii et ma käivitan teise optimeerimisprogrammi, mis ütleb mulle, kui paksuks ma peaksin need tegema – sisuliselt kihtide arvu. See analüüsib 30 kuni 50 kihi kombinatsiooni. Läbime virtuaalse drapeeringu ja optimeerimise tsükli neli või viis korda, kihte iga kord veidi peenhäälestades. Kuid mingil hetkel peame vajutama "Go" ja saatma selle ära.’
Lõplik juhend
Paigutamise ajakava on nagu 3D-kaart, kus on üksikasjalikult kirjeldatud iga vormitud süsinikutükki igas kihis. "Raam on jagatud üheksaks tsooniks: kaks istmetugi, kaks ketitalust, alumine kronstein, iste, ülemine osa, pea- ja alumised torud, " ütleb Meertens."Me määrame iga tsooni nullpunkti, mis on telg. Seejärel seostatakse iga süsinikutüki orientatsioon tsoonis selle nullpunktiga. Alumisel torul võivad olla 45°, 30° ja 0° nurgad kohaliku nullpunkti suhtes. Üldiselt kasutatakse suurema tugevusega materjali väljaspool telge, nurga all. Kõrgema mooduliga materjal, mida kasutame aksiaalselt, 0° juures.’
Saadud faili suurus võib olla kuni 100 Mb ja see edastatakse lõpuks tehasekorrusele. Iga tehase töötaja saab ainult selle osa, mis on seotud raami selle osaga, mille loomise eest nad vastutavad. See pole ikka veel lõplik tootmisseanss. Ehitatud raam on praeguses etapis prototüüp ja seda tuleb katsetada, et digitaalselt kujundatud paigutus tagaks praktikas toimiva raami. Ultraheli, röntgenülevaatus ja füüsiline dissektsioon paljastavad laminaadi paksused. Mujal põletatakse vaigumaatriks ära, et paljastada lamineerimise kvaliteet ja see, kas materjal või kiud on migreerunud. Painutustestid peaksid näitama samu tulemusi kui FEA analüüs. Lõpuks viib selle teele siiski inimene.
„Jalgrattaga sõitmine on ainus viis, kuidas saame seda tõeliselt mõõta,“ütleb Bob Parlee. "Me saame teha painde- ja koormusteste, kuid me peame välja tulema ja sellega sõitma, et näha, kas see töötab nii, nagu me tahame." Kui mudel läbib kontrolli, antakse tootmisele lõpuks roheline tuli.
Enamik jalgrataste tootmist toimub Kaug-Idas ja see annab mahapaneku ajakavale veelgi suurema tähtsuse. Täpselt üksikasjalik plaan peaks tagama, et nendest suurtest tehastest väljuvad tooted on testitud ja prototüübi viimases etapis läbitud identsed kaksikud. Loomulikult katsetab enamik kaubamärke pidev alt tootmisraame ja katsetab neid uuesti, et tagada järjepidevus, et poodi jõudvad jalgrattad vastaksid klientide ootustele. Enamikul juhtudel saavad tootjad jälgida ka kogu raami teekonda, kuni kõige esimeste kiudude päritoluni. Millele peaksite mõtlema järgmisel korral, kui seisate ja imetlete oma uhkust ja rõõmu.
