碳纖前叉斷裂分析報(bào)告

扛著愛(ài)打天下

按照國(guó)家質(zhì)檢總局規(guī)定的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行型式試驗(yàn)，2005年以來(lái)出口碳纖維前叉和車(chē)架的型式試驗(yàn)不合格率較高。從不合格項(xiàng)分析統(tǒng)計(jì)表明(圖1)，4批不合格車(chē)架全部都是落下沖擊試驗(yàn)造成立管上部開(kāi)裂(典型實(shí)物照片見(jiàn)圖2)；9批不合格前叉全部都是能量吸收試驗(yàn)不合格，其中4批為立管下部粘接處開(kāi)裂(典型實(shí)物照片見(jiàn)圖3)，另5批為叉腿或叉肩處開(kāi)裂(典型實(shí)物照片見(jiàn)圖4)；而且這9批前叉中有3批的前叉腿對(duì)稱(chēng)度、1批的前叉開(kāi)口處垂直度也不合格。
3、不合格原因分析及建議
碳纖維用于制造自行車(chē)及其零部件是近幾年迅速流行起來(lái)的，深圳地區(qū)的生產(chǎn)廠(chǎng)家大多在2004年以后才投產(chǎn)。相對(duì)不太成熟的生產(chǎn)工藝和不太穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，是碳纖維車(chē)架和前叉型式試驗(yàn)首次送檢不合格率相對(duì)較高的主要原因。
1)    碳纖維前叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太合理，導(dǎo)致前叉局部受力不均
強(qiáng)度是自行車(chē)安全要求的最重要指標(biāo)，而前叉吸收能量試驗(yàn)是前叉強(qiáng)度的一個(gè)重要考核指標(biāo)，主要用于評(píng)價(jià)自行車(chē)騎行過(guò)程中其前叉能否經(jīng)受住突然的撞擊。目前，美國(guó)、日本、加拿大、澳大利亞以及我國(guó)的QB 1881標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定需要對(duì)前叉進(jìn)行能量吸收試驗(yàn)，它們對(duì)該實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要求大致相同。
有些工廠(chǎng)的前叉生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員過(guò)多強(qiáng)調(diào)前叉的剛度，一些碳纖前叉的叉腿幾乎呈扁平狀，前叉在能量吸收試驗(yàn)中叉腿的剛性比前叉立管大，致使前叉整體受力不均，在立管與叉肩的粘接處成為相對(duì)薄弱、應(yīng)力比較集中之處，當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)立管的屈服強(qiáng)度時(shí)，立管產(chǎn)生永久塑性變形，甚至斷裂(見(jiàn)圖3)。因此，前叉立管粘接處是容易開(kāi)裂的薄弱部位，生產(chǎn)和檢驗(yàn)時(shí)都應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
2)    車(chē)架座管接頭處理不當(dāng)，成薄弱環(huán)節(jié)
車(chē)架前叉組合件落下沖擊試驗(yàn)是車(chē)架強(qiáng)度的重要考核指標(biāo)。目前，ISO、日本、英國(guó)、法國(guó)以及我國(guó)國(guó)標(biāo)和輕工部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此均有規(guī)定，其技術(shù)要求大致相同。
車(chē)架在進(jìn)行該項(xiàng)落下沖擊試驗(yàn)時(shí)，不合格的主要原因在于車(chē)架立管部位處理不當(dāng)成薄弱環(huán)節(jié)。某些CFRP車(chē)架生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員沒(méi)有在車(chē)架座管處鑲嵌金屬襯，或因結(jié)構(gòu)問(wèn)題鑲嵌的金屬襯太薄，在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)碳纖維車(chē)架很容易在座管處開(kāi)裂；有些車(chē)架的立管內(nèi)壁凹凸不平，凹陷處的立管壁厚顯然偏薄，受力沖擊時(shí)成為容易開(kāi)裂的薄弱環(huán)節(jié)；另外，車(chē)架立管上部偏長(zhǎng)也是容易導(dǎo)致車(chē)架進(jìn)行組合件落下沖擊試驗(yàn)開(kāi)裂的原因之一。因此，車(chē)架立管部位的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)值得注意。
3) 碳纖維原材料的品質(zhì)問(wèn)題
碳纖維長(zhǎng)期以來(lái)被視為戰(zhàn)略物資，發(fā)達(dá)國(guó)家一直對(duì)外實(shí)行封鎖。目前我國(guó)碳纖維生產(chǎn)能力僅占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的0.4％左右，用量的90％以上靠進(jìn)口，幾乎供不應(yīng)求。
不同品級(jí)的碳纖維原材料其質(zhì)量和成本相差較大，自行車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家考慮到成本因素，大多采用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)或高模量級(jí)碳纖維(兩者的成本相差30~40%)，很少使用優(yōu)質(zhì)的超高模量的碳纖維。因此，在優(yōu)質(zhì)碳纖維原料供不應(yīng)求的狀況下，難免有些不法商人以次充好，使自行車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)進(jìn)口的原材料品質(zhì)不穩(wěn)定，加上生產(chǎn)工藝的不穩(wěn)定，容易造成碳纖維自行車(chē)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題。
4)       建議
a) 改進(jìn)碳纖前叉叉腿的端面結(jié)構(gòu)，使其端面略呈橢圓型，避免出現(xiàn)“扁平型”，以便降低叉腿的局部剛性，提高前叉整體的彈性變形能力，降低或消除應(yīng)力集中；
b) CFRP性能的各向異性非常明顯。建議生產(chǎn)廠(chǎng)家結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造型，采用先進(jìn)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造模擬軟件，盡可能準(zhǔn)確算出實(shí)際使用時(shí)的受力分布，同時(shí)給出生產(chǎn)時(shí)碳纖維層疊、熱成型等生產(chǎn)工藝的最佳參數(shù)，使碳纖產(chǎn)品的整體強(qiáng)度達(dá)到最高；
c) 選用優(yōu)質(zhì)的粘接劑，改進(jìn)和提高粘接工藝，減少粘合處的應(yīng)力集中，加強(qiáng)粘合處的強(qiáng)度；
d) 研究碳纖維自行車(chē)產(chǎn)品整體成型新技術(shù)和新工藝，發(fā)展整體成型碳纖新產(chǎn)品，從根本上解決前叉、車(chē)架粘接處的薄弱問(wèn)題；
e) 重視產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)質(zhì)量管理和在線(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制，特別應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原材料的進(jìn)料質(zhì)量控制，確保在線(xiàn)質(zhì)量監(jiān)督切實(shí)有效，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的相對(duì)穩(wěn)定。
f) 碳纖自行車(chē)產(chǎn)品本是高成本高產(chǎn)出的高端產(chǎn)品，生產(chǎn)廠(chǎng)家更應(yīng)以戰(zhàn)略的眼光樹(shù)立和培養(yǎng)自主品牌，開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)真正世界一流的碳纖自行車(chē)產(chǎn)品。