專利名稱：一種碳纖維自行車曲柄及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自行車曲柄結(jié)構(gòu)及曲柄制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種碳纖維自行車曲柄及其制造工藝。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)自行車曲柄，主要以金屬材料制成，由于金屬曲柄的重量較重，且強度不夠，越來越不符合自行車輕量化、高強度化的要求。隨著技術(shù)的進步，人們設(shè)計了碳纖維自行車曲柄，由于碳纖維加工難度大，常見的碳纖維自行車曲柄，是以金屬材料表面包裹碳纖維布的形式，再經(jīng)過表面整修、加工等工序完成的曲柄，由于其整體還是以金屬實心結(jié)構(gòu)為主，所以在曲柄的重量上無法達到輕量化·的要求，其強度仍然不理想，且無法一體成型而成，難以保證整體上的結(jié)合緊密度。承上，經(jīng)過對生產(chǎn)工藝的改進，人們又設(shè)計了以下三種碳纖維曲柄其一、以中空碳纖維管為主桿的曲柄；其二、以碳纖維作為主芯部，其外包覆結(jié)合部的曲柄；其三、以碳纖維作為筋骨的曲柄。然而，以上碳纖維曲柄，其曲柄主體剛性和強度雖然有所提高，但在實際測試中，其靜負荷能力仍未達到國際標(biāo)準(zhǔn)(負重980N，經(jīng)Imin后，永久變形不能超過Imm),同時，以上碳纖維曲柄在加工過程中一般分多次成型，各部件之間的緊密性不夠，在疲勞試驗中，經(jīng)施加1400N的力，50000次的試驗周期后，曲柄各結(jié)合部位之間易出現(xiàn)松弛、開裂問題，因而其剛性、強度及耐用性仍不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輕量、高剛性、高強度、高耐用性的碳纖維自行車曲柄；與此同時，本發(fā)明還要提供一種該碳纖維自行車曲柄的一體成型制造工藝。為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種碳纖維自行車曲柄，包括碳纖維曲柄本體及設(shè)置于碳纖維曲柄本體兩端的兩個金屬連接件；所述碳纖維曲柄本體包括上側(cè)連續(xù)性長碳纖維層、下側(cè)連續(xù)性長碳纖維層及非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層；所述碳纖維曲柄本體的桿部橫截面呈“C”型。作為對本發(fā)明碳纖維自行車曲柄的進一步闡述
所述碳纖維曲柄本體的桿部為不等厚壁結(jié)構(gòu)，從桿部左端至右端依次包括厚度平滑過渡的第一薄壁部、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。所述兩個金屬連接件為鎂鋁合金金屬連接件，包括第一連接件及第二連接件，其中第一連接件的外周具有凹槽及臺階，第二連接件的外周具有凹槽，以便增加兩個金屬連接件與曲柄本體的附著面積而緊密結(jié)合。所述碳纖維自行車曲柄包括左曲柄和右曲柄，其中右曲柄的一端具有與曲柄本體一體成型的五爪，且每一爪的桿部橫截面也呈“C”型。
為解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是上述碳纖維自行車曲柄的制造工藝，包括以下工藝步驟
a.預(yù)制第一金屬連接件及第二金屬連接件；預(yù)制碳纖維料，包括將連續(xù)性長碳纖維浸潰在環(huán)氧樹脂基體中制成連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，將非連續(xù)性短切碳纖維與環(huán)氧樹脂均勻攪拌制成非連續(xù)性短切碳纖維填料；
b.將連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，制作成為一連續(xù)性長碳纖維層置入模具中；
c.將第一金屬連接件及第二金屬連接件置于b步驟中連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料的兩端之上；
d.在C步驟中連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料之上，填入非連續(xù)性短切碳纖維填料，用以成型為非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層；
e.再覆蓋一層連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，制作成為另一連續(xù)性長碳纖維層；
f.合上模具，在140 160°C溫度下，施壓25 35分鐘，一體成型而成。作為對本發(fā)明制造工藝的進一步闡述
所述第一金屬連接件及第二金屬連接件采用鋁鎂合金作為加工原料，通過鍛造的金屬加工方式制造而成。所述連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料中環(huán)氧樹脂的含量占35% 42%，優(yōu)選為40% ;所述非連續(xù)性短切碳纖維填料中環(huán)氧樹脂的含量占45% 52%，優(yōu)選為50%。所述一體成型的成型溫度優(yōu)選為150°C，成型時間優(yōu)選為30分鐘。本發(fā)明的有益效果是其一、本發(fā)明的碳纖維曲柄本體包括上側(cè)連續(xù)性長碳纖維層、下側(cè)連續(xù)性長碳纖維層及非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層，這種外部連續(xù)性長碳纖維包裹內(nèi)部非連續(xù)性短切碳纖維的夾心式設(shè)計，使曲柄的碳纖維含量達到最高，重量最輕，同時保證曲柄的高剛性、高強度；其二、內(nèi)芯夾層部分的非連續(xù)性短切碳纖維填料在整體結(jié)構(gòu)制作時能均勻流動填充在曲柄主體內(nèi)部，保證曲柄主體的桿部結(jié)構(gòu)在制作時兩側(cè)長纖維的連續(xù)性，避免曲柄主體內(nèi)部出現(xiàn)空洞，進一步增加了曲柄主體的桿部結(jié)構(gòu)的整體強度；其三、C型桿部結(jié)構(gòu)能保證在扭轉(zhuǎn)和腳踏板施力的情況下，曲柄桿部具有的最優(yōu)秀的剛性和強度；其四、兩個金屬連接件在曲柄制造過程中，完全埋入連續(xù)性長碳纖維中，可使兩個金屬連接件與連續(xù)性長碳纖維緊密結(jié)合，且非連續(xù)性短切碳纖維填料分布均勻，能更好的舒展連續(xù)性長碳纖維，再結(jié)合在140 160°C溫度下施壓25 35分鐘的一體成型工藝,能使曲柄的各結(jié)合部分結(jié)構(gòu)最為緊密，避免在長期使用過程中，出現(xiàn)松弛、開裂問題，保證其耐用性，而且結(jié)合C型長桿體的設(shè)計，使自行車曲柄的重量、剛性、強度和耐用性達到最優(yōu)。


圖I為本發(fā)明右曲柄的立體結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明右曲柄的縱剖視結(jié)構(gòu)圖。圖3為圖I中沿A-A線的橫剖視結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明左曲柄的立體結(jié)構(gòu)圖。 圖5為本發(fā)明左曲柄的縱剖視結(jié)構(gòu)圖。圖6為圖4中沿B-B線的橫剖視結(jié)構(gòu)圖。圖7為本發(fā)明第一金屬連接件的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖8為本發(fā)明第二金屬連接件的立體結(jié)構(gòu)圖。圖中100.右曲柄；200.左曲柄；1.碳纖維曲柄本體；11.連續(xù)性長碳纖維層；12.連續(xù)性長碳纖維層；13.非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層；14.五爪；21.第一連接件；211.凹槽；212.臺階；22.第二連接件；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。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。如圖I 圖6所示，本發(fā)明碳纖維自行車曲柄，包括碳纖維曲柄本體I及設(shè)置于碳纖維曲柄本體I兩端的兩個金屬連接件21、22 ;所述碳纖維曲柄本體I包括上側(cè)連續(xù)性長碳纖維層11、下側(cè)連續(xù)性長碳纖維層12及非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層13 (參照圖2、圖 5);所述碳纖維曲柄本體I的桿部橫截面呈“C”型(參照圖3、圖6)。如圖3和圖6所示，所述碳纖維曲柄本體I的桿部為不等厚壁結(jié)構(gòu)，從桿部左端至右端依次包括厚度平滑過渡的第一薄壁部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。通過設(shè)置不等厚壁結(jié)構(gòu)，使曲柄本體I桿部的主要受力部位的剛性和強度通過三個厚壁b、d、f部得到加強(類似于筋骨)，而次要受力部位則由四個薄壁部a、C、e、g承擔(dān)，這樣不僅使曲柄的剛性和強度最佳化，而且使曲柄的整體重量降到最低，并有效節(jié)省了碳纖維材料。如圖2、圖5、圖7和圖8所示，所述兩個金屬連接件21、22為鎂鋁合金金屬連接件，包括第一連接件21及第二連接件22，其中第一連接件21的外周具有凹槽211及臺階212，第二連接件22的外周具有凹槽221，以便增加兩個金屬連接件21、22與曲柄本體I的附著面積而緊密結(jié)合。如圖I和圖4所示，所述碳纖維自行車曲柄包括左曲柄200和右曲柄100，其中右曲柄100的一端具有與曲柄本體I 一體成型的五爪14,且每一爪的桿部橫截面也呈“C”型，該五爪14用于與自行車鏈輪(圖中未示出)組裝。該碳纖維自行車曲柄的制造工藝，包括以下工藝步驟
a.預(yù)制第一金屬連接件及第二金屬連接件；預(yù)制碳纖維料，包括將連續(xù)性長碳纖維(Carbon Fiber)浸潰在環(huán)氧樹脂基體(Epoxy resin Matrix)中制成連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，將非連續(xù)性短切碳纖維與環(huán)氧樹脂均勻攪拌制成非連續(xù)性短切碳纖維填料；
b.將連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，制作成為一連續(xù)性長碳纖維層置入模具中；
c.將第一金屬連接件及第二金屬連接件置于b步驟中連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料的兩端之上；
d.在C步驟中連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料之上，填入非連續(xù)性短切碳纖維填料，用以成型為非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層；
e.再覆蓋一層連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，制作成為另一連續(xù)性長碳纖維層；
f.合上模具，在140 160°C溫度下，施壓25 35分鐘，一體成型而成。在上述制造工藝步驟中，所述第一金屬連接件及第二金屬連接件采用鋁鎂合金作為加工原料，通過鍛造的金屬加工方式制造而成。在上述制造工藝步驟中，所述連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料中環(huán)氧樹脂的含量占35% 42%，優(yōu)選為40% ;所述非連續(xù)性短切碳纖維填料中環(huán)氧樹脂的含量占45% 52%，優(yōu)選為50%;這樣可保證連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料與非連續(xù)性短切碳纖維填料在成型操作上具有以下優(yōu)點其一、能防止環(huán)氧樹脂從模具內(nèi)溢出，特別是防止從連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料中溢出；其二、保證了非連續(xù)性短切碳纖維填料在成型時能均勻流動填充至曲柄本體內(nèi)部，避免出現(xiàn)空洞；其三、保證成型的結(jié)合粘度最佳，成型后結(jié)合最緊密。另外，在模具內(nèi)一體成型的成型溫度優(yōu)選為150°C，成型時間優(yōu)選為30分鐘；通過一次成型的方式，可保證曲柄各結(jié)合部分結(jié)構(gòu)最為緊密，避免在長期使用過程中，出現(xiàn)松弛、開裂問題，保證其耐用性。本發(fā)明碳纖維自行車曲柄的強度和疲勞試驗數(shù)據(jù)如下
第一部分強度
(1)右曲柄與鏈輪欽命后強度承受1960N,經(jīng)Imin后,鉚合處不轉(zhuǎn)動；
(2)左曲柄靜負荷能力負重980N,經(jīng)Imin后,永久變形量小于Imm；
(3)E型曲柄靜負荷能力負重1470N,經(jīng)Imin后,永久變形量小于2mm ；
第二部分曲柄組合件的疲勞試驗
曲柄組合件安裝在試驗臺上，對左、右曲柄的腳蹬在離曲柄外側(cè)面65 mm處反復(fù)施加垂直動態(tài)力，對每個曲柄施加1400N的力，試驗周期50000次，試驗后兩曲柄均未出現(xiàn)斷裂，也未出現(xiàn)肉眼可見之裂紋。以上所述，僅是本發(fā)明較佳實施方式，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案對以上的實施方式所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維自行車曲柄，其特征在于包括碳纖維曲柄本體及設(shè)置于碳纖維曲柄本體兩端的兩個金屬連接件；所述碳纖維曲柄本體包括上側(cè)連續(xù)性長碳纖維層、下側(cè)連續(xù)性長碳纖維層及非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層；所述碳纖維曲柄本體的桿部橫截面呈“C”型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳纖維自行車曲柄，其特征在于所述碳纖維曲柄本體的桿部為不等厚壁結(jié)構(gòu)，從桿部左端至右端依次包括厚度平滑過渡的第一薄壁部、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.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳纖維自行車曲柄，其特征在于所述兩個金屬連接件為鎂鋁合金金屬連接件，包括第一連接件及第二連接件，其中第一連接件的外周具有凹槽及臺階，第二連接件的外周具有凹槽，以便增加兩個金屬連接件與曲柄本體的附著面積而緊密彡口口
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任意一項所述的碳纖維自行車曲柄，其特征在于該碳纖維自行車曲柄包括左曲柄和右曲柄，其中右曲柄的一端具有與曲柄本體一體成型的五爪，且每一爪的桿部橫截面也呈“C”型。
5.權(quán)利要求I所述碳纖維自行車曲柄的制造工藝，其特征在于，包括以下工藝步驟 a.預(yù)制第一金屬連接件及第二金屬連接件；預(yù)制碳纖維料，包括將連續(xù)性長碳纖維浸潰在環(huán)氧樹脂基體中制成連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，將非連續(xù)性短切碳纖維與環(huán)氧樹脂均勻攪拌制成非連續(xù)性短切碳纖維填料； b.將連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，制作成為一連續(xù)性長碳纖維層置入模具中； c.將第一金屬連接件及第二金屬連接件置于b步驟中連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料的兩端之上； d.在C步驟中連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料之上，填入非連續(xù)性短切碳纖維填料，用以成型為非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層； e.再覆蓋一層連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料，制作成為另一連續(xù)性長碳纖維層； f.合上模具，在140 160°C溫度下，施壓25 35分鐘，一體成型而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述碳纖維自行車曲柄的制造工藝，其特征在于所述第一金屬連接件及第二金屬連接件采用鋁鎂合金作為加工原料，通過鍛造的金屬加工方式制造而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述碳纖維自行車曲柄的制造工藝，其特征在于所述連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料中環(huán)氧樹脂的含量占35% 42%，所述非連續(xù)性短切碳纖維填料中環(huán)氧樹脂的含量占45% 52%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述碳纖維自行車曲柄的制造工藝，其特征在于所述連續(xù)性長碳纖維預(yù)浸料中環(huán)氧樹脂的含量占40%，所述非連續(xù)性短切碳纖維填料中環(huán)氧樹脂的含量占50%。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述碳纖維自行車曲柄的制造工藝，其特征在于所述一體成型的成型溫度為150°C，成型時間為30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳纖維自行車曲柄及其制造工藝，其中，該碳纖維自行車曲柄包括碳纖維曲柄本體及設(shè)置于碳纖維曲柄本體兩端的兩個金屬連接件；所述碳纖維曲柄本體包括上側(cè)連續(xù)性長碳纖維層、下側(cè)連續(xù)性長碳纖維層及非連續(xù)性短切碳纖維內(nèi)芯夾層；所述碳纖維曲柄本體的桿部橫截面呈“C”型。本發(fā)明碳纖維自行車曲柄不僅重量輕，而且剛性高、強度高、耐用性高。
文檔編號B62M3/00GK102887199SQ20121037266
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者張衛(wèi)兵 申請人:張衛(wèi)兵