碳纖前叉斷裂分析報告

扛著愛打天下

按照國家質檢總局規定的檢測標準進行型式試驗，2005年以來出口碳纖維前叉和車架的型式試驗不合格率較高。從不合格項分析統計表明(圖1)，4批不合格車架全部都是落下沖擊試驗造成立管上部開裂(典型實物照片見圖2)；9批不合格前叉全部都是能量吸收試驗不合格，其中4批為立管下部粘接處開裂(典型實物照片見圖3)，另5批為叉腿或叉肩處開裂(典型實物照片見圖4)；而且這9批前叉中有3批的前叉腿對稱度、1批的前叉開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及其零部件是近幾年迅速流行起來的，深圳地區的生產廠家大多在2004年以后才投產。相對不太成熟的生產工藝和不太穩定的產品質量，是碳纖維車架和前叉型式試驗首次送檢不合格率相對較高的主要原因。
1)    碳纖維前叉結構設計不太合理，導致前叉局部受力不均
強度是自行車安全要求的最重要指標，而前叉吸收能量試驗是前叉強度的一個重要考核指標，主要用于評價自行車騎行過程中其前叉能否經受住突然的撞擊。目前，美國、日本、加拿大、澳大利亞以及我國的QB 1881標準均規定需要對前叉進行能量吸收試驗，它們對該實驗的技術要求大致相同。
有些工廠的前叉生產設計人員過多強調前叉的剛度，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薄弱、應力比較集中之處，當應力集中超過立管的屈服強度時，立管產生永久塑性變形，甚至斷裂(見圖3)。因此，前叉立管粘接處是容易開裂的薄弱部位，生產和檢驗時都應重點關注。
2)    車架座管接頭處理不當，成薄弱環節
車架前叉組合件落下沖擊試驗是車架強度的重要考核指標。目前，ISO、日本、英國、法國以及我國國標和輕工部標準對此均有規定，其技術要求大致相同。
車架在進行該項落下沖擊試驗時，不合格的主要原因在于車架立管部位處理不當成薄弱環節。某些CFRP車架生產設計人員沒有在車架座管處鑲嵌金屬襯，或因結構問題鑲嵌的金屬襯太薄，在進行此項試驗時碳纖維車架很容易在座管處開裂；有些車架的立管內壁凹凸不平，凹陷處的立管壁厚顯然偏薄，受力沖擊時成為容易開裂的薄弱環節；另外，車架立管上部偏長也是容易導致車架進行組合件落下沖擊試驗開裂的原因之一。因此，車架立管部位的生產和設計值得注意。
3) 碳纖維原材料的品質問題
碳纖維長期以來被視為戰略物資，發達國家一直對外實行封鎖。目前我國碳纖維生產能力僅占世界高性能碳纖維總產量的0.4％左右，用量的90％以上靠進口，幾乎供不應求。
不同品級的碳纖維原材料其質量和成本相差較大，自行車生產廠家考慮到成本因素，大多采用標準級或高模量級碳纖維(兩者的成本相差30~40%)，很少使用優質的超高模量的碳纖維。因此，在優質碳纖維原料供不應求的狀況下，難免有些不法商人以次充好，使自行車生產廠進口的原材料品質不穩定，加上生產工藝的不穩定，容易造成碳纖維自行車產品的質量問題。
4)       建議
a) 改進碳纖前叉叉腿的端面結構，使其端面略呈橢圓型，避免出現“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，降低或消除應力集中；
b) CFRP性能的各向異性非常明顯。建議生產廠家結合產品結構造型，采用先進的復合材料設計和制造模擬軟件，盡可能準確算出實際使用時的受力分布，同時給出生產時碳纖維層疊、熱成型等生產工藝的最佳參數，使碳纖產品的整體強度達到最高；
c) 選用優質的粘接劑，改進和提高粘接工藝，減少粘合處的應力集中，加強粘合處的強度；
d) 研究碳纖維自行車產品整體成型新技術和新工藝，發展整體成型碳纖新產品，從根本上解決前叉、車架粘接處的薄弱問題；
e) 重視產品質量，加強質量管理和在線產品質量控制，特別應加強對原材料的進料質量控制，確保在線質量監督切實有效，實現產品質量的相對穩定。
f) 碳纖自行車產品本是高成本高產出的高端產品，生產廠家更應以戰略的眼光樹立和培養自主品牌，開發并生產真正世界一流的碳纖自行車產品。