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突破极限

技术分类： 工程材料    来源：设计创新  发表时间：2005-05-22
　　工程师们开始采用轻型材料，力求进一步提高自行车性能。

　　一人，一车，以及六件黄色运动衫：这在专业自行车运动员眼里是荣誉的象征。Lance Armstrong，自1999年起连续六次在环法自行车比赛中获胜；Trek，是具有25年自行车制造历史的公司，位于美国威斯康星州滑铁卢，因为它创造性地采用了碳素纤维零件和先进的制造工艺，从而在自行车制造方面独树一帜。
    Trek公司的高级研发工程师Doug Cusack说，“早在一个世纪之前，自行车就以其高效的动力传输而著称。与自行车相比，若汽车的燃油效率能够达到人以15英里的时速骑自行车时的效率，那么消耗一加仑汽油，汽车就可以行驶900英里。”
　　尽管自行车的效率很高，近年来工程师们仍在为改进自行车性能而不懈努力。为了使其能够更好的满足公路竞赛和业余竞技者的需求，材料和结构设计是主要的改进方向。目前自行车车架的大部分材料为合金钢，工程师们正在不断尝试采用金属铝、钛和碳素纤维零件，使自行车更轻、更坚固，使更多动力通过传动机构传递到后轮。
小心地放置碳素纤维上管，使工程师可在某处根据需要，给纤维定向
小心地放置碳素纤维上管，使工程师可在某处根据需要
，给纤维定向，从而实现一定的强度和硬度。

　　虽然Armstrong和他的队友们所骑的公路自行车设计必须符合UCI（International Cycling Union, 国际自行车联盟）颁布的一系列标准——UCI是管理全球自行车竞赛的联盟机构，位于瑞士，——但这些标准为创新留有足够的空间。对于Trek来说，这意味着采用碳素纤维这种轻型材料是符合竞赛规则的。
　　Trek采用一种称为低空隙度最佳压实技术（Optimum Compaction Low Void, OCLV）的专利工艺制造自行车的碳素纤维车架，其中就包括为Armstrong制造的连续六届环法自行车大赛中获胜的自行车。据制造工程师Scott Nielson分析，这种工艺可使车架的间隙率小于0.5％，产品质量甚至能够满足航空标准。
　　Micheal Sagan，Trek的高级设计师说，“由于设计时使用了碳素纤维材料，我就可以尝试采用各种金属材料不能实现的形状和结构，不断挑战重量、空气动力学、舒适度和性能的极限。”
　　在制造碳素纤维车架时控制间隙率是至关重要的，因为间隙会衍生为裂纹，而裂纹将会导致灾难性的后果。
　　Nielson说，“零件必须具有一定的延展性，这也是OCLV工艺被采用的原因，OCLV工艺是利用一个可膨胀的气囊将环氧树脂层和碳素纤维材料向内模的边壁挤压，通过强烈的挤压排出材料中的空气。这样加工过的构件，在锯断后横截面进行抛光处理，可以看到内部没有空隙。”
　　这一自行车综合了经典的圆管和托架风格。圆管是滚动卷压制成，手工设置的托架可使工程师加厚某些应力较大的区域。
　　与制造车架时所用的各向同性合金不同，碳素纤维是各向异性的，它的强度随受力方向不同而变化，从设计角度看，这正是它的优势所在。Nielson说，“各层材料要按照工艺规定的顺序放入模具中。”不同于Neilson曾经涉足过的航空制造业，使用碳素纤维制造车架的过程不能完全实现自动化。为此，Trek的工程师们必须努力消除工艺中的不确定性，保证质量的稳定。
Kestrel三项全能赛车的车头
Kestrel三项全能赛车的车头顶端圆管充分显示了碳素纤维成形的潜力

　　关于碳素纤维的最新应用成果应该要数将曾专门用于卫星的材料用于公路交通上的应用了，这种碳素纤维的面积密度为55gsm，其中一半是普通碳素纤维织物。这种应用意义重大，因为碳素纤维的面积密度越低，其可延展强度和拉力系数就越大，这种优越的性能引起了Trek公司的注意，并率先将该材料应用于运动器牡纳杓浦小Ｏ衷赥rek公司碳素纤维零件的年产量已达50万件，足够装配50,000辆自行车，但是Trek目前正避开55gsm材料引起的热潮，转而开始关注最新的超轻型车架了。这并不容易，因为采用低密度的材料就不得不使用更多的纤维，加大了加工的难度。
显然座圆管（左）和底部托架圆管（右）
由其纵剖面可以看到管材厚度的变化，显然座圆管（左）和底部托架圆管（右）内部没有空隙，这归功于Trek使用的OCLV工艺，主要是利用一个可膨胀的气囊将环氧树脂层和碳素纤维材料向内模边壁挤压，从而除去了内部的空气。

　　更多应用碳素纤维的创新
　　Trek不是唯一通过使用碳素纤维而使自行车性能得到改进的公司。位于加州的Kestrel公司从1986年起就开始出售碳素纤维车架了，该公司也将此材料用于公路自行车，而且它的工程师们对三角形的车架也进行了创新性改造，并将其应用于三项全能比赛用车和山地用车等这些不易精密调控的车种。
　　例如，Kestrel的最新三项全能比赛用车，设计




















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