دانلود مقاله جنس های فریم دو چرخه با تمرکز به روش های ساخت فیبر

کربن‌:‌Teehnical white paper
مقدمه :
20 سال قبل انتخاب فریم دوچرخه جاده ایی ساده و محدود بود.

برای سبکی وزن و راندن روان جنس هایی از قبیل (Cclumbus sL) فولاد ورق نازک استفاده می شد.

دوچرخه سواران سنگین وزن که استحکام بیشتری برای فریم دوچرخه طلب می کردند، سنگینی و سواری تنوانستند با در آمیختن لوله ها (‌در مثال های مورد نیاز از لوله های مستحکم ما بقی مکان ها لوله های سلبته را احساس دوچرخه سواری را متوازی کنند.

برای آلومینیوم انتخاب در بین (limber Alan) یا (Vitusc) یا یک (Klein) سفارش فوق سنگین و بسیار گران بود.

چند ماده بیگانه مانند فیبر کربین (Graftek) و (tele dyne titanium) باعث سواری با شکوهی می شد حس کنجکاوری گران قیمت و زارای سابقاتی طولانی در شکستن فریم و فرمان پذیری ناموزون بودند.

3- اکتشاف مواد و بازار در حال رشد تکنولوژی پیشرفته برای محصولات دوچرخه سازی تکامل فریم های دوچرخه را در دهه 1980 شتاب داد.

Cannondale وTrek اجازه همه گیرشدن فریم های آلومینیومی را به صنعت دادند که تا حدی کم قیمت تراز تیتانیوم بود و فیبر کربن به معنوان جرقه ایی در موادر مهندس این دوره قلمداد گردید.

لذا زندگان فولاد با آلیاژ های مقاوم تر و دارای عملیات حرارتی و اشکال پیچیده و قطرلوله های غیر استاندادر به عرص همبارزه بازگشتند تا بتوانند وزن را بر خلاف راحتی و بازده دهی کاهش دهند.

4- امرزوه قدرت انتخاب بیشتر طبیعتاً پیچیدگی و سرگیجه گی بیشتر وجود دارد.

اگر کسی بخواهد بهترین ماده برای فریم دوچرخه را سوال کند، یک جواب حساب شده نیاز دارد زیرا چگونه استفاده کردن ماده داده شده می تواند مهمتر از نوع ماده استفاده شده باشد.

5- فریم دوچرخه ایده آل برای یک دوچرخه سواری باید متناسب با ابعاد وی و همچنین سبک باشد.

این فریم باید به خوبی تکان های مسیر را جذب کند اما باید به حضور موج دار فرمان پذیر تا حد 1: ( به خاطر سفتی کناری) و نیروئی نقصان نیافته برای پدال رانندگی مهیامی کند ضربه ها و پیچش های غیر منتظره که خود مستلزم پرداخت جذاب بوده ومقاوم در برابر خوردگی یا المان های نفوذی است
واقعیات ماده : اسیکل ، آلومینیوم،‌تیتانیوم و فیبر کربن همه برای بدست آوردن حد بالای مقیاس به کار می روند ولی در استحکام سختی وزن مقاومت به شکست خوردگی و غیره متفاوت هستند برای مثال استفاده از آلومینیوم یا تیتانیوم در ابعاد لوله مشابه در قالب یک فریم استیل سنتی باعث کاهش وزن شده اما تولید انعطاف پذیری بیش از اندازه می کند.

بنا به این فریم های فلزی غیر آهنی معمولاً قطر لوله ایی بیشتر از استیل دادند که برای بیشتر کردن صلیب میباشد.

2) فریم های فلزی معمولاً با یک بار فوق سنگین تکی دچار شکست نمی شوند اما به خاطر تنش های کم اندازه اما تکرار پذیر ( که معروف به خستگی است) استیل و تیتانیوم دارای تعریفی به عنوان کمترین حد خستگی هستند که اگر تنش ها کمتر از این حدود باشد این نیروهای کوچک عموماً طول عمر خستگی فریم را کوتاه نمی کنند.

آلومینیوم دارای چنین حد مشخص شده پایه ای نیست بنابراین هر دوره تنش هر چه قدر هم که کم ماده را به شکست ناشی از خستگی نزدیک تر می کند
- طراحان این محدودیت را تشخیص دادند و مبادرت به “زیاده سازی” فریم هایشان برای استفاده مادام العمر کردند.

3- استحکام بالای تیتانیوم وزن سبک، قابلیت ارتجاعی و مقاومت در برابر خوردگی باعث گزینش آن به عنوان ماده مناسب فریم شد.

با این وجود به خاطر فلزی بودن آن بیشتر خواص مشابه مکانییک که باعث محدودیت استیل و آلومینیوم می شد، تیتانیوم را بی نگذاشت.

فلزات در تمام جهات به طور مساوی مستحکم و سخت هستند( خاصیتی که “ایزوتروپی” نامیده می شود) زمانی که هندسه یک برش عرضی از لوله ای فلزی برای ازیابی استحکام یا سفتی مورد نیاز در یک صفحه تعیین گردید، یک مهندس آزادی خود را برای ارزیابی مطالبات مختلف برای استحکام یا سفتی در دیگر صفحات از دست می دهد.

در لوله های فلزی با تنظیم قطر و ضخامت دیواره برای مواجه با استانداردهای خمش،‌به طور خودکار سفتی خمشی جانبی و پیچی تعیین می گردد.

4- فیم های ف لزی در مقایسه با کامپوزیت ها فقط در یک موضوع متفاوت هستند کامپوزیت ها شامل الیاف تقویت کننده هستند که شبکه مواد جاسازی شده اند.

معروفترین کامپوزیت، شیشه که به معنی رزین پلی استر( به عنوان ماتریس یا زمینه) تقویت شده با پشم شیشه ((fiberglass است.

کامپوزیت های پیشرفته شامل فیبرهای مهندسی شده نظیر کربن ، پلی مر،‌فلز یا سرامیک می باشند معمولاً این فیبرها با رزین های ترموست مانند اپوکسی بارور شده اند.

دیگر مواد ماتریسی حاوی ترموپلاستیک، فلزات و حتی سرامی کها می باشند.

این کامپوزیت های پیشرفته ساختارها را مستحکم تر و صلب تر از فلزات هم اندازه می کنند اما با وزنی بسیار کمتر!

از این گذشته اگر مواد ماتریس با یک واکنش شیمیایی یا حرارت سخت کاری می شوند، فیبرهای رزینی خیس خورده می توانند واقعاً به هر شکلی فرم دهی و ق الب ریزی شوند.

5- به خلاف فلزات این تروپیک، کامپوزیت ها ناهمسانگرد ((anisatrapic هستند.

استحکام و سفتی آنها تنها در جهت محور فیبرها تحقق یافتنی است که با هر الگویی می تواند آراسته شود.

بنا به این برای جذب تنش های متعینیه و متفاوت از یک فریم دوچرخه، کامپوزیت ها می توانند به صورت چند لایه با زوایای مختلف برای هر کدام استفاده شوند.

این می توانند استحکام را در جائی که نیاز است قرار دهد همچنان که وزن را حداقل می کند.

6- در امتداد لوله های گرد سنتی و طراحی فریم های قالبی (lug frame) فریم های کامپوزیت قابلیت قالب ریزی با استفاده از کیسه های داخلی (internal bladder) و فوم به صورت تک قطعه ایی و ساختمانی (Monocoqne) یا فریم های چند مقطعی را دارند.

همچنین این مواد میتوانند در فشار بالا و به صورت فرآیند تورمی، لوله های فریم را با قطعه کامل ترکیب کنند.

Industryparallel : (توازن های صنعت ) نظیه دیگر صنایع ورزشی در آینده صنعت دوچرخه سازی از فلزات جدا میشود.

ادامه پیشرفت ها در صنعت و فضا به صنایع اتومبیل سازی و صنایع قایق سازی، تقریباً نقش کامپوزیت ها را به عنوان ماده ای بنیادی در آینده تضمین کرده اند.

دیگر صنایع کالاهای ورزشی جائی که مواد جدید به جای گزین ماد قدیمی شده اند.

شامل تنیس تیراندازی با تیرو کمان اسکی، قایق سواری، گلف و ماهی گیری می باشند.

کامپوزیت ها جایگزین مواد قبلی شده و عاقبت به کاهش قیمت تا سطوحی قابل خرید برای همه انجامیده است.

مواد جدید به دلایل متعددی جایگزین موادی که قبلا برقرار بوده شده اند، در کالاهای ورزشی، جانشینی مواد نو به خاطر افزونی بازدهی در عملکرد می باشد برای نمونه راکت تنیس که تنها و تنها از چوب ساخته می شد دارای جذب ارتعاش ممتاز و اما مکان تورم و چروکیدگی به خاطر آب و هوا و انحراف قلب تیغه مقدار کشیده گی زه آن وجود داشت.

چونب که طبق ضوابط به اندازه کافی مستحکم بود دارای وزن سنگینی بود.

راکت هائی از جنس استیل لوله ایی و تALT و اوایل دهه 1970 متداول شدند.

که از چوب شبکه بدون تأثیر از آب وهوا و دارای قدرت پتانسیلی بیشتر به هنگام ضربه بودند.

با این وجود، احساس فلز برای استفاده کننده گان دلچسب نبود و تعدادی از ضربه ناگهانی این راکتها به دست و بازویشان انتقال میداد ناراحتی بودند.

4- راکت های کامپیوزیتی در اواخر دهه 70 به بازار آمد و همه چیز را نتیجه داد.

این راکت ها دارای حالت ارتجاعی، و جذب شوک مثل چوب و مصونیت آب و هوایی بودند و البته سبک، ظرف فاسال، راکت های کامپیوزیتی در همه چا در دسترس قرار گرفتند که دارای قیمتها پایینی بودن دو چوب به طور کامل بلااستفاده شد هم اکنون %95 راکت های تنیش ساختاری کامپوزیتی دارند.

5- فریم دوچرخه کامپوزیتی تبدیل به یک پدیده آمریکایی شده است، چون تکنولوژی از صنایع هواپیماسازی و قایق سازی پدیدار گشت.

ساخت و تولید کامپوزیت ها نیازمند کارشناسی فنی و سرمایه برای توسعه محصول این محصولات معمولا باید با آخرین تکنولوژی وارد بازار شوند.

از این رو تعداد کمی کمپانی دوچرخه سازی توسعه یافته راغب به دست یابی تکنولوژی برای توسعه ابتکاری فریم های کامپوزیتی وجود دارند.

6- بسیاری از مهندسین دوچرخه ساز رواپرداز در کامپوزیت ها از حالتی مناسب برای خلق محصول های قابل فروش در بازار بی بهره بودند.

با متقاعد شدن افرادی بیشتر که کامپوزیت ها حتی می توانند عملکرد دوچرخه را افزایش دهند، این طرح ها بالاخره به عنوان انتخابی ممتاز شناخته شد.

مزایای کربن فریم دوچرخه به طور قابل توجهی ساختاری پیچیده با مشخصه های اجرایی که شامل نسبی، صلبیت ، دوام و جذب ضربه ناگهانی می باشد.

فریم های Al و ‏Ti به خاطر به چالش کشیدن فریم های استیل در حداقل 2 بخش اجرائی : دیسکی و مقاومت به خوردگی مرسوم شدند.

اما در خرین سطوح تکنولوژی صنعتی ، کامپوزیت ها تقریباً تمامی فریم های فلزی در تمامی بخش های اجرایی تحت الشعاع قرار دادند.

2- ترکیب متالورژیکی یک tube فلزی نمی تواند در طول لوله تغییر کند.

در مقابل کامپوزیتها میتوانند به طور نامحدودی در طول لوله متغییر و گوناگون باشند.

مانند تغییر در زوایای الیاف، تفاوت در لایه ها و ضخامتشان و تفاوت در آمیزش مواد.

بنابراین خواص نهایی محصول ساخته شده از کامپوزیت ها می تواند متناسب با مشخصاتی دقیق باشد.

همچنین ساخت لوله کامپوزیتی با درجات مختلفی از سفتی آسانتر از ساخت نوع فلزی آن می‌باشد.

ضمناً هزینه ماشین کاری برای تولید لوله فلزی به مراتب بیشتر از ساخت نوع کامپوزیتی می باشد.

3- لوله های کامپوزیتی معمولا با یک میله (یا ‌فلزی معمولا از جنس فولاد سردکاری شده) توسط رشته مارپیچ (که بافت آن در زوایای مختلف می تواند باشد) فرم دهی میشوند.

این فرآیند لفاف نوردی (roll wrapping) یا قیطان دوزی (braiding) نامیده می شود.

روش دیگری که کشش رانی (pultrusion) نامیده می شود الیاف ها را از میان یک قالب گرم شده که ماتریس ترموپلاستیک را ذوب می کند کشیده می شود.

هر سازنده ساختار مخصوص به خود شامل تعداد لایه ها و جهات الیاف متفاوت را دارد که برای خلق ترکیبی مطلوب از استحکام، وزن و سفتی است.

این از محاسن فوق العاده فیبر کربن است.

در فلزات قدرت انتخاب بسیار محدود اما در فیبر کردن تقریبا نامحدود می باشد.

4- بافت بدنه دوچرخه کار جدیدی نیست، برای سالها این عمل با نام فرآیند ضربه زنی (butting) انجام می شده است که لوله ها در اتصالات برای تحمل تنش ضخیم تر و در محدوده مرکزی طول لوله برای کاهش وزن نازکتر می شده اند.

آیا می توانستند اندازه و شکل هر لوله را به طور دقیق متناسب با بارهای پیش بینی شده در پدال زدن و تکان های وارده ‌در نظر بگیرند آیا ماده بدنه می توانست به طور دقیق در هر جا که لازم می بود توزیع شود چه می شد اگر صلبیت هر لوله، در خلال فرآیندهای شکل دهی و یا فرزکاری از یک سطح خمشی تا دیگری یا از انتهای یکی تا بعدی تغییر کند.

فریم برای بارهای جانبی ناشی از پدال زدن می توانست صلب ساخته شود.

اما برای تحمل تکان های مسیر، در سطح عمود تنظیم می شد.

شکل دهی یا براده برداری یک فریم به این روش تقریباً غیر ممکن می‌باشد.

اما کامپوزیت ها به سادگی می توانند به عضوهای ساختاری و اصلی با مقاطع عرضی پیچپدیه قالب ریزی شوند.

5- تصویر 1 نشان دهنده‌ی سفتی ویژه 4 ماده اصلی استفاده شده در فریم دوچرخه است.

سفتی ویژه در قالب مدول کشی شامل چگالی یا به طور ساده تر، نسبت سفتی به وزن ، تعریف می شود.

ممکن است پرسیده شود که اگر فیبر کربن دارای چنان نسبت سفتی به وزن بالایی است، چرا از حالت فعلی سبکتر نیستند جواب این است که فیبر کربن دارای جنس عظیمی در کشش است اما در عمل هدایت تمامی تنش های تحمیلی بر روی یک ساختار مشکل است.

این بستگی به طراح دارد که چقدر آن را مورد توجه قرار می دهد و حداکثر تلاشش را برای بارگذاری فیبرها در کشش انجام دهد.

6- کامپوزیت ها می توانند به عضوهایی ساختاری و اصلی با مقاطع عرضی پیچیده و با سهولتی نسبی قالب ریزی شوند.

همچنین دارای بعضی خواص مکانیکی بسیار مؤثر می باشد.

آلومینیوم 6061 و سری 7000 که در فریم های دوچرخه استفاده می شود تقریبا یک سوم سنگینی فولاد، یک سوم سفتی آن و در بهترین شرایط حدود 80% استحکام آلیاژ crmp 4130 استفاده شده در بیشتر فریم های دوچرخه را داراست.

تیتانیوم تقریباً دو سوم وزن فولاد ، نیمی از سفتی آن و حدود 60% استحکام فولاد را داراست.

کامپوزیت فیبر کربن که بیشتر توسط سازندگان دوچرخه استفاده می شود کمتر از یک چهارم وزن فولاد را دارد و در رابطه با سفتی حدود چهاربرابر سفت تر (بر پایه وزن به وزن) و تقریباً چهار برابر مستحکم تر در کشش می باشد.

فیبرکربن همچنین عمر خستگی بیشتر از فولاد، تیتانیوم و یا آلومینیوم دارد و رزین معمول که برای مقید کردن رشته ها استفاده می شود هم خاصیت میرا کردن ارتعاشات خوبی دارد.

تصویر 2 7- دمپ ارزش و تکان ، دو فاکتور مهم است که دوچرخه سواری را متأثر می کند.

با این وجود این دو از موضوعاتی همبسته که در علم مواد کمتر فهمیده شده و به آن توجه شده است که متغیرهای زیادی در آن دخیل هستند مثل : چگونگی جذب و پخشاندن انرژی لرزشی توسط اتمها، چگونگی ساخت ساختار، نوع رنگ کاری و پوشش دهی سطح اعمال شده؛ که پیش بینی چگونگی واکنش ساختار به لرزش وارد آمده مشکل است جذب ارتعاش کامپوزیت ها ممتاز در بین انواع فلزات است که دلیل ترجیح انتخاب این ماده برای فنرهای اتومبیل مسابقه و هواپیماهای پیشرفته همین است.

کیفیت راندن روان از اولین نکاتی است که مردم در مورد فریم های دوچرخه مورد توجه قرار می دهند.

4- برنامه های تحلیلی پیچیده «المان محدود» و تئوری سطح لایه لایه شده (Laminate – plate theory) برای تعریف خواص ساختار کامپوزیت ها کمک کننده هسته تفاوت ذاتی بین کامپوزیت ها و فلزات این است که تولید کامپوزیت ها به صورت ورقه ای یا لایه ای و به طور جهتی می باشد.

اتصال دو رویه و قدرت لایه لایه شدن (delamination) یا انفکاک (separation) در برابر بارهای فشاری و برشی از مواردی است که هنگام طراحی کامپوزیت پیشرفته باید مورد توجه قرار گیرد.

اطلاعات برای نمایاندن احتیاجات گوناگون دوچرخه ضروری است.

کامپوزیت ها متفاوت با فلزات هستند بدین صورت که بارهای مساوی را در تمام جهات تحمل نمی کنند.

اما در تحمل بار کششی ممتاز هستند.

کامپوزیت چیزی شبیه بسته ای از رشته ها ، غوطه ور در لایه ای از چسب یا رزین است.

این بسته تحمل وزن بیشتر، خمش کمتر، را در صورتی که از دو سر کشیده شود یا به صورت تخته دایو (تخت، شیرجه) خم شود نسبت به بارگذاری فشاری یا معکوس دارا می باشد.

تغییر حالت بسته اتفاق می افتد زیرا استحکام واقعی بسته به خاطر رشته هاست نه رزین.

اولین کارکرد رزین تثبیت و استقرار الیاف در محل انتقال بارها در میان الیاف، محافظت از الیاف در برابر نیروهای محیطی و اعطای مقاومت به ضربه به ساختار است.

قدرت تحمل بار سمتی طبیعی الیاف، قوانین طراحی ساختاری را تغییر داده است.

مقایسه مواد استفاده شده در دوچرخه ها تاریخچه فریم های فیبر کربن خواص چشمگیر کامپوزیت ها راه خود را به صنعت دوچرخه سازی هموار نمود.

فریم های فیبر کربن اولین بار در اواسط دهه 1970 ظهور کرد در دهه 1980 در قالب فریم های فیبر کربن و تعداد کمی از قطعات بر تعداد آنها افزوده شد و وارد بازار معاملات پیشرفته و کاتالوگ های قطعات شد.

اما این تلاشها اکثراً تقلاهایی محدود برای صرفه جویی در وزن بوده و اغلب دچار فقدان مهندسی دقیق و تعهد سازندگان می شدند آخرین ذهنیت اغلب تولیدات فیبر کربنی به صورت غیر قابل قبول، انعطاف پذیر ترد وخیلی گران بود.

در پنجاه سال گذشته فریم های فیبر کربنی ابتکاری زیادی وارد بازار شده است.

این فریم ها به طور موفقیت آمیزی در انواع فلزی مشابه را در دو زمینه به چالش گرفتند، یکی وزن و دیگری راحتی سواری.

اما حتی بعضی نسخه های قبلی تعدادی از بدنه دارای پیشینه صنعتی در قابلیت اعتماد بودند.

3- با این دلایل قشر وسیعی از صنعت گران بزرگ بررسی فیبر کربن را به عنوان یک پدیده نوظهور ادامه داند.

بعضی از سازندگان با استاندارد قدیم راضی شده بودند‌: دوچرخه بدون فلز.

دیگران هم نه تحریک شدند و نه شاید قادر به صرف زمان، انرژی و پول برای یادگیری تکنولوژی کامپوزیت ها و توسعه تکنیک های ساخت کامپوزیت ها بودند شرکتهای مختلفی در کامپوزیت ها با اتصال لوله های کربنی (اکثراً در محدوده زیرزمین) فریم های آلومینیومی و تیتانیومی به نوعی سرسری کاری انجام دادند.

تا زمانی که مقدار کمی بهبود در دمپ ارتعاش این نوع فریم ها حاصل شد هم این شرکتها حاضر به استفاده از مزایای یک فریم تمام کربن نشدند.

4- به هر حال کامپوزیت ها از اواسط دهه 1980 پیشرفت های زیادی کردند.

رزین ها،‌الیافها و اپوکسی ها قوی تر شدند چیزی که اهمیت بیشتری داشت، تفهیم چگونگی استفاده از این مواد که به طور شگفت انگیزی افزایش یافته بودند در قالب قطعات برای توسعه برنامه های تحلیلی پیچیده بود.

کامپوزیت ها بیش از یک تکنولوژی پیشرفته برای صرفه جویی در وزن می باشد اینها مواد ساختاری ممتازی هستند که طرز ساخت دوچرخه را دگرگون ساختند.

یک ست فریم کامپوزیتی عملکردی بهتر از نوع فلزی دارد.

بعد از طی مراحلی آزمایشی یک ماده ماندگار در این صنعت تبدیل گشت.

تعداد کمی از سازندگان مراحل مورد نیاز را گذرانده و تسلطی نسبتاً استوار بر توانایی، پتانسیل ها، و محدودیت های کامپوزیت یافته اند.

یکی از اصلی ترین عوامل محرک در پیشرفت کامپوزیت ها با دوچرخه سواری، استفاده دوچرخه های کربنی توسط اشخاص حرفه ای و با تجربه است.

برنده 3 دوره مسابقات تور دوفرانس و قهرمان حرفه ای مسابقات جهانی، گرگ لموند (greg lemond) در جستجوی مداوم خود برای عملکردهای بالاتر ، با استفاده از پیشرفته ترین تکنولوژی های موجود کمک شایانی را پیش از هر دوچرخه سوار به این موضوع کرده است جستجوی وی شامل استفاده از دوچرخه های کربنی در اکثر مسابقات حرفه ای پراعتبار جهانی می گردید.

گرگ در براب استفاده از فیبر کربن ها با درجه بالاتر که فیبر مدول بالا خوانده می شود بسیار مفید بود.

وی همچنین کارهای نامعمولی از قبیل حمایت دوچرخه ها برای تیم خودش را انجام می داد بطوریکه معمولا سوراندها مجبور به راندن هر آنچه که اسپانسیر یا حامی برایشان فراهم کرد بودند.

البته تبلیغات حامی که این جمله بود حقیقتاً واقعیت داشت: “so and so selected our product” تکنولوژی هر چه بالاتر : فیبر مدول بالا به سادگی همان فیبر کربنی است که بیشتر تصفیه شده.

واژه مدول همان مدول یانگ یا معیاری برای سفتی (stiffness) است.

هر چقدر عدد آن بالاتر، الیاف قوی‌تر.

پروسه ساخت فیبر مدول بالا شامل برهنه سازی لایه بیرونی الیاف به صورت تکی و باقی گذرادن هسته مستحکم تر.

شرکتهای نادری در حال استفاده از مقداری محدودی از الیاف مدول بالا می باشند.

گران بوده و مصرف آن ناچیز.

بیشتر فریم های پیشرفته دوچرخه که در این مقاله نام برده شدند از کربن مدول بالا که با الیاف بور (Boron) آمیخته شده ساخته شده‌اند.

الیاف بور جالب توجه است چون سفتی فوق العاده ای در فشار از خود نشان می دهد.

که اگر با کربن فوق سفت در کشش ترکیب شود یک اثر هم افزا بدست خواهد آمد که سفتی کلی و نهایی لوله بیشتر از مقدار پیش بینی شده توسط خواص الیاف به صورت انفرادی می‌باشد.

فیبر بور فوق چقرمه همچنین از الیاف کربن مدول بالا که شکنندگی و تردی بیشتری دارد محافظت می کند.

این خواص پیشرفته کم کم راه خود را به چرخ دنده فرود جت های جنگنده همانند فریم های مدرن دوچرخه به خوبی پیدا کرد.

ساخت فریم یا کربن : یک مسری که دوچرخه های فیبر کربنی پیموده اند تقلیدی است از گونه های لوله فلزی سنتی.

اینها ضرورتاً شبیه دوچرخه های آلومینیومی مقید شده بوده فقط لوله های فیبر کربنی جانشین یک جزء یا تمام لوله های آلومینیومی شده اند.

ایده‌ی اتصال لوله ها با ساختاری 3 گوش نوعی آشنا از این گونه هاست که برای شروع یک طراح، انتخابی منطقی است که تعداد مجهولات را کاهش می دهد چون اجازه می دهد فریم فیبر کربن بعداز یک طراحی موفق، قالب ریزی شود.

همچنین امکان تولید اندازه های مختلف و زوایای گوناگون را به سادگی با میله های جدید (lug) برای اتصال به لوله های فیبر کربنی فراهم می کند.

رانندگان سنتی این خط مشی به خوبی هستند.

مادامی که به اجبار با بیگانگی فیبر کربن سر و کار داشتند از ایشان برای قبول ایده جدید به طور کامل درخواست نشد.

با این وجود گنجاندن صلبیت و راحتی راندن در فریم های فلزی نوری مشکل همیشه نتیجه ای توافقی داشت.

فریم نوری شکل (Diamond) نوعی ساختار 3 گوش است که استحکام عمودی در بر دارد.

این در حالی است که تلاش ها برای استحکام دهی جانبی می باشد.

در هر صورتی که فیبر کربن استفاده شود این خواص در خلال طراحی خوب قابل شناخت است چون این خواص جزء ذات ماده فیبر کرن است.

سؤال اینست که تا چه درجه ای این خواص شناخته شده اند.

رویکردهای مختلف دیگری که کمتر سنتی هستند برای ساخت فریم از فیبر کربن وجود دارد.

فوم هسته (Foam – cary) و فریم قالب بادکنکی (bladder – Molded frame) بعضا به ساختارهای قالب ریزی شده “‌یک تکه ” مشهورند.

یک تکه یعنی فریم به صورت یک واحد کامل تکی قالب ریزی شود.

بعضی هم اگر به صورت چند تکه قالب ریزی شوند به هم چسبانده می شوند و ظاهری یک تکه خواهند داشت.

این فرآیندها می تواند پیچیده باشد اما عموماً به مهندسین آزادی می دهد که میتوانند فیبر کربن را هر جا که بخواهند قرار دهند.

درزهای پهناور که نتیجه لب به لب شدن مواد مورد نیاز توسط فرایند قالب ریزی است میتوانند بعضا مناطقی ضعیف تر را در فریم به وجود آورند.

توجه فوق العاده قوی باید صرف طراحی و ساخت این فریم ها شود تا اطمینان از کنترل کیفیت شایسته حاصل شود.

روش دیگری است وجود دارد که استفاده از فرآیند پرفشار تورق یا لایه لایه شدن (Lamination) نام دارد.

این جا یک فریم کم میله (lug-less) ساخته شده که اعضای بنیادین شکل دهنده فریم لوله های فیبر کربن هستند که توسط اپوکسی بارور شده با فیبر کربن به هم متصل (Melding) شده اند.

مرغک یا پشبند (Gussets) به صورت کامل به طور همزمان با اتصال لوله ها فرم دهی می شود.

همراه با افزایش آزادی، حذف وابستگی به میله (Lug) ، ضعف ذاتی دیده شده در لوله و اتصالات میله دیگر طرح ها نیز حذف گردید.

در عوض میزان سازی مشخصه های رانندگی فریم انجام گردیده و این به خاطر استفاده از ماده مشابه در لوله ها در قسمتهای بحرانی لوله است.

روانی فیبرها بین لوله ها مداوم است که پراکنش یا واپاچش تنش گردان در فریم را حاصل می شود که نتیجتاً حذف مجازی پدیده های خستگی را در بر دارد.

اهمیت طراحی قابل قبول : خواص مفید کامپوزیت ها به عنوان ماده ای در ساخت فریم،‌استثنایی هستند و تنها در صورتی است که با مشخصه های ویژه کربن طراحی شوند.

با یک طراحی مناسب یک دوچرخه با لوله های فیبر کربن می تواند مستحکم تر،‌سبک تر، سفت تر، مقاوم تر در برابر خستگی و راحت تر از دوچرخه های لوله فولادی با آلومینیومی یا تیتانیومی است.

البته این مزیت ها قابل توجه هستند.

این ویژگی ها در خلال یک طراحی خوب تحقق یافتنی هستند زیرا جزء ذاتی ماده فیبر کربنی هستند.

با این وجود توسعه دوچرخه های کربنی با یک سری چالش ها مواجه گشت.

در کنار شکست معمول برای بهینه کردن کیفیت رانندگی، بیشتر طرح ها آلوده قابلیت اعتمادی بی ثبات شد که شامل شکست خمشی لوله و میله ها (tube & lug) ، ترکهای خطوط جدایش، اتصال اجزای لق، لایه لایه شدن (delaminating botton brocket) و بوشهای لوله نوک یا دماغه می باشند.

قسمت بعدی بعضی از ملاحظات اولیه در رابطه با طراحی را بحث می کند، اعظم مواردی که به هم وابسته بوده و باید در ساخت دوچرخه کربنی توجه شود.

تجربه آزمایشات مطابق واقعیت : طبقه بندی متغیرها برای ارضای اهداف متقابل فریم دوچرخه بر دوش مهندسان کامپوزیت افتاده است.

استفاده از دانش گسترده کامپوزیت ها و کامپیوترها، باعث بکارگیری تحلیل های پیچیده و پیشرفته فریم دوچرخه با استفاده از برنامه های تحلیلی المان محدود شده است.

به هر صورت، تجارب در خلال آزمون و خطا بدست آمده و آزمایشات گسترده رانندگی بهترین مسیر برای تنظیم کیفیت های رانش یک وسیله نقلیه است.

تکنیک های تحلیلی پیچیده ای کامپوزیتی می تواند سکوی پرتابی در فرآیند طراحی قلمداد گردد اما از آزمون و خطا نمی توان چشم پوشید.

مهمترین آزمایش قضاوت راننده است.

4- بیشینه کردن مزایای فیبر کربن در دوچرخه نیازمند دانشی گسترده در کامپوزیت هاست.

که باید با دانش چگونگی به کارگیری این مطلب در دوچرخه سواری واقعی ترکیب شود.

سازندگان تنها متمایل به تأکید بر روی یکی از این موضوعات بوده چنانکه دیگر موارد را فراموش کنند.

تست محصول گسترده تحت شرایط طاقت فرسا احتیاج به تابعیت از نکات اصلاحی طراحی که بر پایه تجربه هاست داشته و فرآیند نیازمند پیشرفت است تمام المان های طراحی مثل قدرت کنترل دوچرخه، اندازه ، راحتی، سفتی، دوام، مکان استقرار قطعات جانبی، راحتی نگهداری، یا غیره همه مسائلی هستند که تنها به وسیله کامپیوتر نمی توان آموخت.

2- کیفیت راندن : مهندسان راههای جدیدی را برای کاهش وزن بدون از دست دادن صلبیت جستجو کردند.

بعضی از مدل های پیش تر، ظاهری بیش از حد منعطف و دارای نوعی لقی یا شلی که تا حد زیادی در فریم های امروزی اصلاح شده اند، داشتند.

با این وجود دیگران این خاصیت را به منتهی الیه دیگر برده فریم ها را به طور عمود و از پهلو فوق العاده سفت (stiff) ساختند و به نوعی به آنها یک حس خشک و مرده (deal feel) دادند.

2- بعضی از این مسائل به طور نامناسبی باعث بدنامی سازندگان می گشت.

به صورتی استفاده از ابعاد لوله سازی قبلی یا دوچرخه هایی از آلومینیوم و استیل (استاندارد و بیش اندازه) و جایگزینی آنها با اندازه های مشابه لوله های فیبر کربنی.

اگر چه مشخصه‌های خود دمپ ارتعاش در بیشتر کامپوزیت های پیشرفته، ذاتی هستند.

اما این مشخصه ها باید با طراحیشان در ساختار ویژه فریم بهینه شوند.

چالش اصلی در تولید لوله هایی است که سفتی رانشی مناسبی به طور افقی عرضه کرده، مطلوبیت نگهداری عمودی (a forgiring ride) داشته باشد مادامیکه به طور همزمان تحمل سختی ها و استفاده بد روزانه در رانندگی، مسابقات و مسافرت با دوچرخه را داشته باشد.

3- ریشه دیگر مسائل کیفیت رانندگی در اجزای مفصل شده است.

جایی که خواص دو نوع ماده غیر شبیه (مثل کربن و آلومینیوم) با هم ترکیب بشوند یک محدوده از ناپیوستگی ماده تشکیل می شود.

تنش ها به ناچار قادر نیستند که جریان روانی در طول فریم داشته باشند که نتیجه آن تمرکز تنش در آن نواحی می باشد.

در کنار احتمال بیشتر شکست در این نواحی، دوچرخه قادر به جذب لرزه ها و تکان های مسیر به نحو مطلوب نخواهد بود.

3- سایز کردن : همانند خرید یک لباس ، اندازه مناسب یکی از مهمترین فاکتورها در انتخاب فریم دوچرخه به جاست با این وجود با یک فریم دوچرخه، اندازه مناسب معادل بیومکانیکی،‌آئرودینامیک، راحتی و قدرت کنترل است که همه به شدت متأثر از هندسه فریم است.

اجبار در اندازه بدنه های متعدد، شکل ها و سبک های رانندگی بر روی یک فریم فیت شده‌ی غیر صحیح به طور عمده ای عملکرد کلی دوچرخه ساور را قربانی می کند با اندازه صحیح مشخص شده بسیاری از دوچرخه سواران می توانند نتیجه مثبتی را از یک دوچرخه که به طور مناسب و شایسته تولید شده بگیرند.

دیگران هم که در طیف تناسب فیزیکی “نرمال” قرار نمی گیرند می توانند خواهان یک فریم سفارشی متناسب باشند.

2- بیشتر طرح های فیبر کربنی، به ویژه مواردی که قالب های تمام سایز استفاده کردند، محدود به توانائیشان در عرضه این رنج از اندازه ها می باشد.

بیشتر سازندگان فریم های قالب ریزی شده‌ی آیرودینامیک درگیر هزینه ها و پیچیدگی های این قالب ها هستند.

نتیجتاً آنها قادر به عرضه سایزهای محدود و آن تعداید که مجبور به قبول تعهد در اندازه‌های تک سایز شده اند، می باشند.

تعدادی هم توانستند آن را به اتمام برسانند مادامی که بازاریابی برای مزایای فریم آیرودینامیک انجام می داند.

3- فریم های آیرودینامیکی قالب ریزی نشده مختلفی تحت الشعاع مسائل مالی قالب به اقتضای اشکال پیچیده اشان قرار گرفتند و تنها قادر به عرضه سایزهای محدودی می باشند.

در حقیقت تفاوت بین موقعیت خوب و متعادل سوار کار 4- تقابل کربن با قطعات فلزی : 1- یکی از بزرگترین معایب فریم فلزی در اتصالات است.

تقریباً همه شکست فریم ها نزدیک اتصالات رخ می دهد که معمولا به دلایل زیر است: ساخت اتصالات میتواند لوله گذاری (tubing) فریم را ضعیف کند.

(بخاطر افزایش دما) و یا طراحی اتصالات میتواند تمرکز تنشی که حاصل آن شکست است را پدید آورد.

همچنان که قبلا اشاره شد استحکام یک زنجیر تنها وابسته به ضعیف ترین حلقه آن می باشد.

روشهای متداول و یا سنتی ساخت فریم کربنی از لوله های کربنی با دسته های (lug) آلومینیومی روشهایی بحث برانگیز می باشند.

آیا زنجیر چسبنده استحکام کافی را خواهد داشت آیا بین فیبر کربن و آلومینیوم یک واکنش شیمیایی وجود خواهد داشت آیا مواد در سرعتهای مختلف هنگامی که تحت الشعاع نوسان حرارتی باشد، منبسط خواهد شد (انبساط حرارتی ) همچنین با جایگزینی ساده لوله سازه مواد از فلز به فیبر کربن ، دلیلی برای مسائل ساده اتصالات وجود ندارد و به سادگی حذف خواهند شد.

اتصالات به هم چسبیده در مناطق پرتنش قرار می گیرد، به طور ویژه ته قالب (دسته) سگدست (bracket cluster) و ابتدا و انتهای مفاصل لوله در یک فریم دوچرخه.

ناپیوستگی مواد (وقتی که دو ماده نامشابه به هم اتصال داده می شود) تنش های خیزان را به وجود می آورد.

(مناطق متمرکز از تنش).

درگیر شدن با خوردگی گالوانیکی ، انبساط حرارتی، یا یک زنجیر ناقص، این مناطق می توانند خطر جدی برای شکست باشند.

شکست در بهترین حالت می تواند برای یک دوچرخه در سرعتهای بالا یک تجربه ناگوار و بیشتر از یک خراش ساده باشند.

3- شکست پیوندی (bonding failure) می تواند از یک عمل ساده برای نگه داری یک دوچرخه در وسیله نشأت بگیرد.

زیر یک تابش آرام و ملایم، قسمتهای درونی به اسانی میتوانند به دمای بیشتر از ْ 180 فارنهایت دست پیدا کنند.

به طور مشابه انتقال یک دوچرخه در فضای حمل بار یک هواپیما (که می تواند شدیداً در ارتفاع زیاد سرد شود) می تواند تأثیرات زیان آوری در ساختار کامل یک فریم داشته باشد.

در این دماها به ویژه اگر تکرار شونده باشند و با گرمایش، سرمایش متناوب ادامه پیدا کنند (شبیه آب پاشی hosing ) یک دوچرخه برای تمیز کردن آن تغییرات القایی دمایی می تواند در مواد مختلف فریم و اتصالات آن روی قطعات پدیدار شود.

برای فریم هایی با موادی از ضرائب مختلف انبساط، این مطالب می تواند منجر به شکست شود.

شکست می تواند در مناطقی محدود به لوله و اتصالات دسته (tube & lug joing) تا ته پوسته های سگدست (bracket) بوش های سرلوله، تعویض کننده (shifter) و مخازن اصلی آب (water bottle bosses) رخ دهد.

دو روش برای هدف گیری این مطلب یکی استفاده مواد با ضرائب مشابه انبساط حرارتی برای اتصال لوله های بدون پیوند و به کار بردن سیستم های نگه داری مکانیکی موازی همراه با اتصال bonding برای قسمت های الحاقی، اگر فلز باید بکار برده شود آن فلز تیتانیوم می باشد.

تیتانیوم بر خلاف فولاد و آلومینیوم مستعد به خوردگی نیست.