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复合材料制备自行车避震器

不是所有的山地自行车和极限自行车骑手都熟悉“扭矩”内存这个词的含义，它指的是一股绕着轴旋转的力量。但是，所有的骑手都应该有过下面的经历：当你行驶在颠簸的地形上时，任凭你怎么用力控制自行车车把的方向，还是无法控制前轮。这种现象是由自行车的前轮悬挂系统（俗称前避震系统，因为它把力量分散到轮轴两侧了）无法有效地将扭矩力从前轮传送到把手上造成的，反之亦然。Cannondale自行车公司（Cannondale Bicycle Corp.，康s涅狄格州伯特利）悬挂系统研发经理史蒂夫 艾克坦斯说，这个问题反映了当悬挂系统市政府计划建设山东新材料10大创新服务平台、山东新材料产业技术研究院受到极端压力的情况时发生偏转的现象。他解释说：“试想当你骑进一个车辙并想骑出这个车辙时，一个灵活的避震器是不会阻碍你的驾驶的，更不会在轮胎试图爬出车辙的时候变得僵硬不堪。”

自行车工程师一直努力优化避震器设计，目的是想加强对扭矩力的控制和让驾驶变得更流畅更具操控性。Cannondale自行车公司提出的解决方案是启用左撇子（lefty）避震叉，这是一款独特的单臂避震系统，采用创新滚针轴承技术（needle-bearing technology）制备的碳/玻璃纤维复合材料制备而成。左撇子（lefty）避震叉是一种超越传统自行车套管悬挂系统的创新性设计。

图1. Cannondale左撇子（lefty）单臂前轮避震叉。来源：卡尔雷克

起初，左撇子（lefty）避震叉是采用铝合金制造，不过，由于Cannondale公司曾经使用碳纤维制造过车身框架，对其减重效果有所了解，因此开始探索如何将这种材料用在自行车的其他部件上。用碳纤维复合材料制造左撇子（lefty）避震叉的外管（避震器的最大结构件）可以减少百分之三十的重量，工程师在尝试测试各种管设计和成型工艺后，最终决定了三种方案：1. 手糊成型玻璃纤维预车载电话浸料和碳纤维预浸料的组合；2. 连续缠绕碳丝束预浸料；3.手糊成型单向碳纤维预浸料带。

图2. Cannondale公司的RZ One Twenty山地自行车是该公司23款采用左撇子（lefty）单臂前轮避震叉的车型之一，其中14款是采用碳纤维/玻璃纤维复合材料制备外管的左撇子避震器。来源：Cannondale

不过，Cannondale 公司将这个复合材料避震叉外管的制造外包给NAMMO复合材料解决方案公司（NAMMO Composites Solutions LLC，犹他州美利）。NAMMO和Cannondale密切合作，共同致力于该部件的优化和材料选择，以满足性能，减重和成本的多个目标。这个八边形内径的外管是由不同形式（预浸料，丝束和带）的材料层积而成（见图）。

图3. 左撇子（left使复合材料焊接性能得到优化y）单臂前轮避震叉的外管内径大约呈八角形。来源：Cannondale

<微耕机p>从最内层向外依次如下：120/L501无碱玻璃纤维布预浸料，由JD林肯公司（加利福尼亚州科斯塔梅萨市）提供；3K的平织碳纤维预浸料（单斜削层），由纽波特粘合剂和复合材料公司（Newport Adhesives and Composites，加利福尼亚州欧文）提供；纤维缠绕碳丝束预浸料，采用纽波特的Grafil 纤维和WDE环氧树脂体系制成；纽波特的NCT301/碳纤维单向带；外加一层纤维缠绕丝束层；还有两层靠外单独的斜削层，是采用JD林肯的7781/L530碳纤维预浸料制备。最外层采用碳丝束预浸料，是通过45 °螺旋缠绕而成的连续纤维预浸料。最后，该制件采用热压釜固化，在25 psi/1.72 bar的压力和275 ° F/135 ° C的温度下用两小时完成固化。

图4美国特殊合金公司据称从2013年开始策划建设1个ABS生产能力达600kt/a的企业. 汽车精品外管最内层是一层碳丝束层预浸料，该预浸料是通过45°连续纤维螺旋缠绕工艺制备。

来源：Cannondale

艾克坦斯说，选择缠绕工艺是由滚针轴承组件的公差决定的。他说：“滚针轴承组件被厚度达0.024英寸[0.61毫米]的滚珠轴承圈钢夹着，而为了保持滚珠轴承圈的位置不偏移，通常需要一个圈，而不论铝制或碳纤维制备都十分昂贵，并且工艺复杂。纤维缠绕工艺使我们能够把这些高公差的条件都直接靠芯棒满足。在该部件复杂而角度坡陡的角落和边缘部分采用玻璃纤维和碳纤维预浸料，能更好保持制件表面尽量圆滑。”

左撇子（lefty）单臂前轮避震叉一经推出就受到众多高端自行车制造商的追捧，现在已经有23款Cannondale自行车采用这种高端避震器。其中有14个型号采用质轻高强的玻璃纤维/碳纤维预浸料制备的外管的左撇子（lefty）前轮避震叉。(end)

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