CN102887199B - 一种碳纤维自行车曲柄及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维自行车曲柄及其制造工艺，其中，该碳纤维自行车曲柄包括碳纤维曲柄本体及设置于碳纤维曲柄本体两端的两个金属连接件；所述碳纤维曲柄本体包括上侧连续性长碳纤维层、下侧连续性长碳纤维层及非连续性短切碳纤维内芯夹层；所述碳纤维曲柄本体的杆部横截面呈“C”型。本发明碳纤维自行车曲柄不仅重量轻，而且刚性高、强度高、耐用性高。
Description
技术领域
本发明涉及自行车曲柄结构及曲柄制造技术领域，特别涉及一种碳纤维自行车曲柄及其制造工艺。
背景技术
传统自行车曲柄，主要以金属材料制成，由于金属曲柄的重量较重，且强度不够，越来越不符合自行车轻量化、高强度化的要求。
随着技术的进步，人们设计了碳纤维自行车曲柄，由于碳纤维加工难度大，常见的碳纤维自行车曲柄，是以金属材料表面包裹碳纤维布的形式，再经过表面整修、加工等工序完成的曲柄，由于其整体还是以金属实心结构为主，所以在曲柄的重量上无法达到轻量化的要求，其强度仍然不理想，且无法一体成型而成，难以保证整体上的结合紧密度。
承上，经过对生产工艺的改进，人们又设计了以下三种碳纤维曲柄：其一、以中空碳纤维管为主杆的曲柄；其二、以碳纤维作为主芯部，其外包覆结合部的曲柄；其三、以碳纤维作为筋骨的曲柄。然而，以上碳纤维曲柄，其曲柄主体刚性和强度虽然有所提高，但在实际测试中，其静负荷能力仍未达到国际标准（负重980N，经1min后，永久变形不能超过1mm），同时，以上碳纤维曲柄在加工过程中一般分多次成型，各部件之间的紧密性不够，在疲劳试验中，经施加1400N的力，50000次的试验周期后，曲柄各结合部位之间易出现松弛、开裂问题，因而其刚性、强度及耐用性仍不够理想。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种轻量、高刚性、高强度、高耐用性的碳纤维自行车曲柄；与此同时，本发明还要提供一种该碳纤维自行车曲柄的一体成型制造工艺。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种碳纤维自行车曲柄，包括碳纤维曲柄本体，所述碳纤维曲柄本体的两端分别设置有金属连接件；所述碳纤维曲柄本体包括上侧连续性长碳纤维层、下侧连续性长碳纤维层、以及设置于上侧连续性长碳纤维层与下侧连续性长碳纤维层之间的非连续性短切碳纤维内芯夹层；所述碳纤维曲柄本体的杆部横截面呈“C”型。
作为对本发明碳纤维自行车曲柄的进一步阐述：
所述碳纤维曲柄本体的杆部为不等厚壁结构，从杆部左端至右端依次包括厚度平滑过渡的第一薄壁部、第一厚壁部、第二薄壁部、第二厚壁部、第三薄壁部、第三厚壁部及第四薄壁部。
所述两个金属连接件为镁铝合金金属连接件，包括第一连接件及第二连接件，其中第一连接件的外周具有凹槽及台阶，第二连接件的外周具有凹槽，以便增加两个金属连接件与曲柄本体的附着面积而紧密结合。
所述碳纤维自行车曲柄包括左曲柄和右曲柄，其中右曲柄的一端具有与曲柄本体一体成型的五爪，且每一爪的杆部横截面也呈“C”型。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：上述碳纤维自行车曲柄的制造工艺，包括以下工艺步骤：
a.预制第一金属连接件及第二金属连接件；预制碳纤维料，包括将连续性长碳纤维浸渍在环氧树脂基体中制成连续性长碳纤维预浸料，将非连续性短切碳纤维与环氧树脂均匀搅拌制成非连续性短切碳纤维填料；
b.将连续性长碳纤维预浸料，制作成为一连续性长碳纤维层置入模具中；
c.将第一金属连接件及第二金属连接件置于b步骤中连续性长碳纤维预浸料的两端之上；
d.在c步骤中连续性长碳纤维预浸料之上，填入非连续性短切碳纤维填料，用以成型为非连续性短切碳纤维内芯夹层；
e.再覆盖一层连续性长碳纤维预浸料，制作成为另一连续性长碳纤维层；
f.合上模具，在140～160℃温度下，施压25～35分钟，一体成型而成。
作为对本发明制造工艺的进一步阐述：
所述第一金属连接件及第二金属连接件采用铝镁合金作为加工原料，通过锻造的金属加工方式制造而成。
所述连续性长碳纤维预浸料中环氧树脂的含量占35%～42%，优选为40%；所述非连续性短切碳纤维填料中环氧树脂的含量占45%～52%，优选为50%。
所述一体成型的成型温度优选为150℃，成型时间优选为30分钟。
本发明的有益效果是：其一、本发明的碳纤维曲柄本体包括上侧连续性长碳纤维层、下侧连续性长碳纤维层及非连续性短切碳纤维内芯夹层，这种外部连续性长碳纤维包裹内部非连续性短切碳纤维的夹心式设计，使曲柄的碳纤维含量达到最高，重量最轻，同时保证曲柄的高刚性、高强度；其二、内芯夹层部分的非连续性短切碳纤维填料在整体结构制作时能均匀流动填充在曲柄主体内部，保证曲柄主体的杆部结构在制作时两侧长纤维的连续性，避免曲柄主体内部出现空洞，进一步增加了曲柄主体的杆部结构的整体强度；其三、C型杆部结构能保证在扭转和脚踏板施力的情况下，曲柄杆部具有的最优秀的刚性和强度；其四、两个金属连接件在曲柄制造过程中，完全埋入连续性长碳纤维中，可使两个金属连接件与连续性长碳纤维紧密结合，且非连续性短切碳纤维填料分布均匀，能更好的舒展连续性长碳纤维，再结合在140～160℃温度下施压25～35分钟的一体成型工艺，能使曲柄的各结合部分结构最为紧密，避免在长期使用过程中，出现松弛、开裂问题，保证其耐用性，而且结合C型长杆体的设计，使自行车曲柄的重量、刚性、强度和耐用性达到最优。
附图说明
图1为本发明右曲柄的立体结构图。
图2为本发明右曲柄的纵剖视结构图。
图3为图1中沿A-A线的横剖视结构图。
图4为本发明左曲柄的立体结构图。
图5为本发明左曲柄的纵剖视结构图。
图6为图4中沿B-B线的横剖视结构图。
图7为本发明第一金属连接件的立体结构图。
图8为本发明第二金属连接件的立体结构图。
图中：100.右曲柄；200.左曲柄；1.碳纤维曲柄本体；11.连续性长碳纤维层；12.连续性长碳纤维层；13.非连续性短切碳纤维内芯夹层；14.五爪；21.第一连接件；211.凹槽；212.台阶；22.第二连接件；221.凹槽；a.第一薄壁部；b.第一厚壁部；c.第二薄壁部；d.第二厚壁部；e.第三薄壁部；f.第三厚壁部；g.第四薄壁部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～图6所示，本发明碳纤维自行车曲柄，包括碳纤维曲柄本体1及设置于碳纤维曲柄本体1两端的两个金属连接件21、22；所述碳纤维曲柄本体1包括上侧连续性长碳纤维层11、下侧连续性长碳纤维层12及非连续性短切碳纤维内芯夹层13（参照图2、图5）；所述碳纤维曲柄本体1的杆部横截面呈“C”型（参照图3、图6）。
如图3和图6所示，分别为本发明右曲柄和左曲柄的横剖视结构图，图中，该横剖视结构图的左端为碳纤维曲柄本体1的杆部左端，该横剖视结构图的右端为碳纤维曲柄本体1的杆部右端；如图3和图6所示，所述碳纤维曲柄本体1的杆部为不等厚壁结构，从杆部左端至右端依次包括厚度平滑过渡的第一薄壁部a、第一厚壁部b、第二薄壁部c、第二厚壁部d、第三薄壁部e、第三厚壁部f及第四薄壁部g。通过设置不等厚壁结构，使曲柄本体1杆部的主要受力部位的刚性和强度通过三个厚壁b、d、f部得到加强（类似于筋骨），而次要受力部位则由四个薄壁部a、c、e、g承担，这样不仅使曲柄的刚性和强度最佳化，而且使曲柄的整体重量降到最低，并有效节省了碳纤维材料。
如图2、图5、图7和图8所示，所述两个金属连接件21、22为镁铝合金金属连接件，包括第一连接件21及第二连接件22，其中第一连接件21的外周具有凹槽211及台阶212，第二连接件22的外周具有凹槽221，以便增加两个金属连接件21、22与曲柄本体1的附着面积而紧密结合。
如图1和图4所示，所述碳纤维自行车曲柄包括左曲柄200和右曲柄100，其中右曲柄100的一端具有与曲柄本体1一体成型的五爪14，且每一爪的杆部横截面也呈“C”型，该五爪14用于与自行车链轮（图中未示出）组装。
该碳纤维自行车曲柄的制造工艺，包括以下工艺步骤：
a.预制第一金属连接件及第二金属连接件；预制碳纤维料，包括将连续性长碳纤维(Carbon Fiber)浸渍在环氧树脂基体（Epoxy resin Matrix）中制成连续性长碳纤维预浸料，将非连续性短切碳纤维与环氧树脂均匀搅拌制成非连续性短切碳纤维填料；
b.将连续性长碳纤维预浸料，制作成为一连续性长碳纤维层置入模具中；
c.将第一金属连接件及第二金属连接件置于b步骤中连续性长碳纤维预浸料的两端之上；
d.在c步骤中连续性长碳纤维预浸料之上，填入非连续性短切碳纤维填料，用以成型为非连续性短切碳纤维内芯夹层；
e.再覆盖一层连续性长碳纤维预浸料，制作成为另一连续性长碳纤维层；
f.合上模具，在140～160℃温度下，施压25～35分钟，一体成型而成。
在上述制造工艺步骤中，所述第一金属连接件及第二金属连接件采用铝镁合金作为加工原料，通过锻造的金属加工方式制造而成。
在上述制造工艺步骤中，所述连续性长碳纤维预浸料中环氧树脂的含量占35%～42%，优选为40%；所述非连续性短切碳纤维填料中环氧树脂的含量占45%～52%，优选为50%；这样可保证连续性长碳纤维预浸料与非连续性短切碳纤维填料在成型操作上具有以下优点：其一、能防止环氧树脂从模具内溢出，特别是防止从连续性长碳纤维预浸料中溢出；其二、保证了非连续性短切碳纤维填料在成型时能均匀流动填充至曲柄本体内部，避免出现空洞；其三、保证成型的结合粘度最佳，成型后结合最紧密。另外，在模具内一体成型的成型温度优选为150℃，成型时间优选为30分钟；通过一次成型的方式，可保证曲柄各结合部分结构最为紧密，避免在长期使用过程中，出现松弛、开裂问题，保证其耐用性。
本发明碳纤维自行车曲柄的强度和疲劳试验数据如下：
第一部分：强度
（1）右曲柄与链轮钦命后强度：承受1960N，经1min后，铆合处不转动；
（2）左曲柄静负荷能力：负重980N，经1min后，永久变形量小于1mm；
（3）E型曲柄静负荷能力：负重1470N，经1min后，永久变形量小于2mm；
第二部分：曲柄组合件的疲劳试验
曲柄组合件安装在试验台上，对左、右曲柄的脚蹬在离曲柄外侧面65 mm处反复施加垂直动态力，对每个曲柄施加1400N的力，试验周期50000次，试验后两曲柄均未出现断裂，也未出现肉眼可见之裂纹。
以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种碳纤维自行车曲柄，其特征在于：包括碳纤维曲柄本体，所述碳纤维曲柄本体的两端分别设置有金属连接件；所述碳纤维曲柄本体包括上侧连续性长碳纤维层、下侧连续性长碳纤维层、以及设置于上侧连续性长碳纤维层与下侧连续性长碳纤维层之间的非连续性短切碳纤维内芯夹层；所述碳纤维曲柄本体的杆部横截面呈“C”型。
2.根据权利要求1所述的碳纤维自行车曲柄，其特征在于：所述碳纤维曲柄本体的杆部为不等厚壁结构，从杆部左端至右端依次包括厚度平滑过渡的第一薄壁部、第一厚壁部、第二薄壁部、第二厚壁部、第三薄壁部、第三厚壁部及第四薄壁部。
3.根据权利要求1所述的碳纤维自行车曲柄，其特征在于：所述金属连接件为镁铝合金金属连接件，包括第一连接件及第二连接件，其中第一连接件的外周具有凹槽及台阶，第二连接件的外周具有凹槽，以便增加两个金属连接件与曲柄本体的附着面积而紧密结合。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的碳纤维自行车曲柄，其特征在于：该碳纤维自行车曲柄包括左曲柄和右曲柄，其中右曲柄的一端具有与曲柄本体一体成型的五爪，且每一爪的杆部横截面也呈“C”型。
5.权利要求1所述碳纤维自行车曲柄的制造工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：
a.预制第一金属连接件及第二金属连接件；预制碳纤维料，包括将连续性长碳纤维浸渍在环氧树脂基体中制成连续性长碳纤维预浸料，将非连续性短切碳纤维与环氧树脂均匀搅拌制成非连续性短切碳纤维填料；
b.将连续性长碳纤维预浸料，制作成为一连续性长碳纤维层置入模具中；
c.将第一金属连接件及第二金属连接件置于b步骤中连续性长碳纤维预浸料的两端之上；
d.在c步骤中连续性长碳纤维预浸料之上，填入非连续性短切碳纤维填料，用以成型为非连续性短切碳纤维内芯夹层；
e.再覆盖一层连续性长碳纤维预浸料，制作成为另一连续性长碳纤维层；
f.合上模具，在140～160℃温度下，施压25～35分钟，一体成型而成。
6.根据权利要求5所述碳纤维自行车曲柄的制造工艺，其特征在于：所述第一金属连接件及第二金属连接件采用铝镁合金作为加工原料，通过锻造的金属加工方式制造而成。
7.根据权利要求5所述碳纤维自行车曲柄的制造工艺，其特征在于：所述连续性长碳纤维预浸料中环氧树脂的含量占35%～42%，所述非连续性短切碳纤维填料中环氧树脂的含量占45%～52%。
8.根据权利要求7所述碳纤维自行车曲柄的制造工艺，其特征在于：所述连续性长碳纤维预浸料中环氧树脂的含量占40%，所述非连续性短切碳纤维填料中环氧树脂的含量占50%。
9.根据权利要求5所述碳纤维自行车曲柄的制造工艺，其特征在于：所述一体成型的成型温度为150℃，成型时间为30分钟。
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