CN108082377A - 一种竹自行车架的连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种竹自行车架的连接结构和连接方法,用于实现金属连接件和竹管之间的连接。该连接结构包括金属外管、金属内衬管、应力释放环、连接环和结构胶；其中，所述金属外管和所述金属内衬管分别与所述竹管的外表面和内表面通过结构胶粘接；所述连接环的外表面和内表面分别与所述金属外管、所述金属内衬管通过结构胶粘接；所述应力释放环位于所述金属外管与所述竹管粘接的起始位置处，分别与所述金属外管的内表面和所述竹管的外表面通过结构胶粘接。通过本发明中的连接结构和连接方法，有效地降低了竹自行车架中竹管的应力集中现象，最终提高了竹自行车的安全性和耐久性。

Description

一种竹自行车架的连接结构

技术领域

本发明涉及竹自行车架的技术领域，尤其涉及竹自行车架的金属管件、竹管之间的连接结构，以及其制造工艺流程。

背景技术

自行车是一种传统的、便捷的出行工具，给人们的日常生活带来便利。但自行车的主要材料是金属材料，例如钢铁、铝合金等，均为高能耗材料。随着人们环保意识的增强，竹制自行车逐渐进入人们的生活中，竹材由于其优越的力学性能和美观性，受到人们的喜爱。

目前，竹材的加工工艺已经有了突飞猛进的发展，通过疏解、干燥、浸胶、压制等工序，可以得到性能一致且稳定的重组竹或竹层积材，使用重组竹或竹层积材可以加工成不同规格的竹管，应用与各个领域。

自行车的主要受力结构是车架，车架结构主要为管件且形式较简单，因此，竹材主要用于替代自行车车架的上管、下管、立管等管件部位，但在自行车架的连接处仍然需要金属管件进行连接，以便于与自行车其它部件进行连接。

竹材的力学特点是密度小，纤维方向的强度大、模量高，但垂直于纤维方向的强度小、模量低。相对于金属材料，竹材的强度小、模量低，表面硬度低，因此竹材与金属进行连接时，连接位置容易产生应力集中，并最终造成竹材的断裂或开裂。现有竹自行车架中，大部分没有进行结构优化设计，造成竹自行车架的耐久性大打折扣，有的将竹自行车车架的金属连接件的金属外管和金属内衬管焊接为一体，但由于这种焊接工艺难度较高，且没有有效避免竹材应力集中，最终造成竹制自行车成本高昂，且结构不可靠，大大削弱了竹制自行车优势，不利于竹自行车这种环保产品的推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种竹自行车架的连接结构，用于实现竹自行车架的金属连接件与竹管之间的连接。

根据本发明的一个方面，提供一种竹自行车架的连接结构,所述连接结构包括金属外管、金属内衬管、应力释放环、连接环和结构胶；

其中，所述金属外管和所述金属内衬管分别与所述竹管的外表面和内表面通过结构胶粘接；所述连接环的外表面和内表面分别与所述金属外管、所述金属内衬管通过结构胶粘接；所述应力释放环位于所述金属外管与所述竹管粘接的起始位置处，分别与所述金属外管的内表面和所述竹管的外表面通过结构胶粘接。

根据本发明的另一个方面，提供一种竹自行车架中的金属连接件和竹管之间的连接方法，该方法包括：

（1）将竹管的端部（与金属连接件需要粘接的位置），通过机加工的方式，将其壁厚减小0.5~0.8mm，减小值与应力释放环的壁厚一致。竹管端部机加工长度不小于其外径；

（2）将应力释放环与竹管接触的位置涂结构胶，然后与竹管进行粘接，应力释放环的长度不小于金属外管壁厚的2倍；

（3）将金属内衬管与竹管接触的位置涂结构胶，然后与竹管进行粘接，粘接长度不小于竹管外径的2倍；

（4）将连接环与竹管、金属内衬管接触的位置涂结构胶，然后与竹管、金属内衬管进行粘接，连接环与金属内衬管粘接的长度不小于金属外管壁厚的2倍；

（5）在连接环、应力释放环的外表面，以及连接环、应力释放环之间的竹管表面涂结构胶；

（6）将上述步骤完成的部件整体插入金属外管中，且保证应力释放环伸出金属外管的长度不小于金属外管的壁厚，金属内衬管伸出金属外管的长度不小于竹管的外径；

（7）将上述步骤完成的竹自行车架固定并进行高温后固化，温度范围50°~70°，高温后固化时间不小于6小时。

通过本发明中的连接结构和连接方法，有效地降低了竹自行车架中竹管的应力集中现象，最终提高了竹自行车的安全性和耐久性。此外，该连接结构的结构形式简单，加工成本低，经济效益明显。

附图说明

通过下文中的参照附图所进行的描述部分，能够更好的理解所有上述特征，所述附图为：

图1为本发明中竹自行车架示意图，其中1为竹管，2为金属连接件，A为金属连接件2与竹管1的一连接处；

图2为本发明中金属连接件2与竹管1的一连接处A的剖面细节示意图，1为竹管，2为金属连接件，3为金属内衬管，4为金属外管，5为连接环，6为应力释放环，7为结构胶；

图3为本发明中竹管1、金属外管4的细节图，其中D为竹管1外径，h1为竹管1与金属外管4进行粘接的长度，t1为金属外管的壁厚；

图4为本发明中竹管1与应力释放环6粘接示意图，h2为应力释放环的长度；

图5为本发明中竹管1与金属内衬管3粘接示意图，h3为竹管1与金属内衬管3的粘接长度；

图6为本发明中金属内衬管3与连接环5粘接示意图，h4为金属内衬管3与连接环5的粘接长度；

图7为本发明中竹管1表面涂结构胶7示意图；

图8为本发明中竹管1与金属连接件2连接示意图，h5应力释放环6伸出金属外管4的长度，h6为金属内衬管3伸出金属外管4的长度；

图9为本发明中竹自行车架进行加载实验时，竹管1所受应力与金属内衬管3伸出金属外管4的长度（n倍的竹管1外径）之间的关系；

图10为本发明中竹自行车架进行加载实验时，竹管1所受应力与应力释放环6伸出金属外管4的长度（n倍的金属外管4壁厚）之间的关系。

具体实施方式

竹自行车一般指自行车架中的管件使用竹材，大部分竹自行车使用原生竹子和玻璃纤维（碳纤维）制作，且均为手工制作，因此造成产品的一致性差、性能差、成本高，且无法批量生产。

为了解决竹自行车工业化程度低、成本高的劣势，本发明所涉及的竹自行车架由竹管1、金属连接件2组成。金属连接件2的主要功能是将竹管1连接为整体，并与自行车前叉、脚踏板、后轮、车座等部件连接，受力较复杂。竹管1为杆件，主要承受拉伸、压缩、弯曲等简单受力形式。金属连接件2的材料为低密度合金材料，如铝合金或钛合金，其材料优点是密度低、力学性能高、材料性能各向异性，加工工艺成熟，且可以加工成各种形状，缺点是加工能耗高、污染高，因此非常适合金属连接件2这种形状复杂、受力复杂的零件。竹管1原材料为重组竹或竹层积材，是原生竹子通过疏解、干燥、浸胶、压制等一系列工序加工而成,是一种工业化生产竹复合材料，竹材的纤维方向与竹管1长度方向一致，力学强度高，性能稳定，竹材的优点是密度低、纤维方向的力学性能高、节能环保，缺点是材料性能各向异性，垂直于纤维方向的力学性能差，硬度低、易开裂，曲面造型能力差，因此非常适合竹管1这种形状简单、受力形式简单的杆件。

使用竹管1和金属连接件2的竹自行车架，是一种工业化产品，成本低且性能一致。但按照欧洲标准EN14764，进行10万次疲劳加载测试时，竹自行车架仅经过一千次的测试就出现开裂、断裂的现象，不能满足结构安全要求。

经过理论分析，造成竹管1开裂不能满足要求的主要原因是：

1）、竹材的沿纤维方向的模量为28GPa，拉伸强度227MPa，能够承受较大弯矩，但垂直于纤维方向的模量仅为9GPa，拉伸强度39MPa。疲劳测试时，由于竹材垂直于纤维方向的模量小，抵抗变形能力小，竹管截面由圆形变成椭圆形，应变和应力较大，但垂直于竹材纤维方向的强度却很小，因此造成竹管1开裂；

2）、竹材为各向异性材料、硬度低，模量为28GPa，低密度合金材料如铝合金模量72GPa，竹管1与金属外管2粘接处产生刚度突变和形状突变，造成较大的应力集中，因此造成了竹管的断裂。

为了解决竹自行车架的竹管1开裂和断裂问题，采取下列方法解决：1）、增加金属内衬管3，与竹管1内表面粘接，以增加竹管1截面抵抗变形能力，防止竹管1截面由圆形变成椭圆形，解决竹管1开裂问题；2）、在金属外管4与竹管1粘接的起始位置处增加应力释放环6，分别与金属外管4的内表面和竹管1的外表面通过结构胶粘接，减小由于形状突变和刚度突变产生的应力集中。

金属内衬管3、应力释放环6为低密度合金材料，如铝合金或钛合金，以便于抵抗较大的变形和应力。金属内衬管3、应力释放环6应保证竹管1不开裂、断裂的同时，尽量缩短其长度，在降低成本的同时，降低竹自行车架的重量。图9为对竹自行车进行加载100kg载荷时，竹管1应力随金属内衬管3伸出金属外管4长度变化的曲线。从中发现，当金属内衬管3伸出金属外管4的长度超过竹管1的外径时，竹管1应力不再发生变化，因此，金属内衬管3应伸出金属外管4的长度为一倍的竹管1外径；图10为对竹自行车进行加载100kg载荷时，竹管1随应力释放环6伸出金属外管4长度变化的曲线，其中应力释放环壁厚0.5mm。从中发现，当应力释放环6伸出金属外管4长度超过金属外管4的壁厚以后，竹管1应力降幅不显著，因此，应力释放环6应伸出金属外管4的长度为一倍的金属外管4壁厚。

金属内衬管3与金属连接件2可以设计为一体，即金属内衬管3焊接在金属连接件2上，如此能简化竹自行车架的安装工序，但由于需要保证金属内衬管3、金属外管4的同轴度以及进行二次焊接，造成金属连接件2的加工成本极其高昂。为了降低加工费用，增加连接环5，位于竹管1的端部，其外表面和内表面分别与金属外管4、金属内衬管3通过结构胶粘接，且粘接长度均不小于金属外管4壁厚的2倍。通过连接环5的粘接而非金属内衬管3与金属连接件2的直接焊接，在没有增加竹自行车架的制造难度的同时，大幅降低的金属连接件2的制造难度，有效降低了竹自行车架的加工成本。

针对竹自行车架成本高、质量不稳定、竹管1开裂和断裂等问题，通过长时间研发，最终本发明提供了一种竹自行车架的金属连接件2与竹管1的连接结构，其特征在于，所述连接结构包括金属外管4、金属内衬管3、竹管1、应力释放环6、连接环5以及结构胶7。

所述金属外管4和所述金属内衬管3分别与所述竹管1的外表面和内表面通过结构胶7粘接；所述连接环5的外表面和内表面分别与所述金属外管4、所述金属内衬管3通过结构胶7粘接；所述应力释放环6位于所述金属外管4与所述竹管1粘接的起始位置处，分别与所述金属外管4的内表面和所述竹管1的外表面通过结构胶7粘接。

所述金属外管4、金属内衬管3、应力释放环6、连接环5均为低密度合金材料，例如铝合金或钛合金；所述竹管的原材料为重组竹或竹层积材；所述结构胶为环氧结构胶。

为了满足竹管1与金属连接件2连接的结构可靠性，所述连接结构尺寸应满足下列要求：

1）、所述金属外管4与竹管1的粘接长度不小于竹管1的外径；

2）、所述金属内衬管3伸出金属外管4的长度不小于竹管1的外径，即所述金属内衬管3与竹管1的粘接长度不小于竹管1外径的2倍；

3）、所述连接环5的外表面与所述金属外管4的粘接长度不小于金属外管4壁厚的2倍；所述连接环5的内表面与所述金属内衬管3的粘接长度不小于金属外管4壁厚的2倍；

4）、所述应力释放环6壁厚为0.5~0.8mm，伸出金属外管4的长度不小于金属外管4壁厚，且应力释放环6的总长度不小于金属外管4壁厚的2倍。

根据本发明所提供的一种竹自行车架的金属连接件2与竹管1的连接结构，本发明同时提供所述连接结构的加工方法，工艺流程如下：

1、如图3所示，将竹管1的端部（与金属连接件2需要粘接的位置），通过机加工的方式，将其壁厚减小0.5~0.8mm，减小值与应力释放环6的壁厚一致。竹管1机加工长度h1不小于其外径D，金属外管4的壁厚为t1；

2、如图4所示，将应力释放环6与竹管1接触的位置，涂结构胶7，然后与竹管1进行粘接，应力释放环6的长度h2不小于金属外管壁厚t1的2倍；

3、如图5所示，将金属内衬管3与竹管1接触的位置，涂结构胶7，然后与竹管1进行粘接，粘接长度h3不小于竹管1外径D的2倍；

4、如图6所示，将连接环5与竹管1、金属内衬管3接触的位置涂结构胶7，然后与竹管1、金属内衬管3进行粘接，连接环5与金属内衬管3的粘接长度h4不小于金属外管4壁厚t1的2倍；

5、如图7所示，在连接环5、应力释放环6的外表面，以及连接环5、应力释放环6之间的竹管1表面涂结构胶；

6、如图8所示，将上述步骤完成的部件整体插入金属连接件2的金属外管4中，且保证应力释放环6伸出金属外管4的长度h5不小于金属外管4的壁厚t1，金属内衬管3伸出金属外管4的长度h6不小于竹管的外径D；

7、将上述完成的竹自行车架固定并进行高温后固化，温度范围50°~70°，高温后固化时间不小于6小时。

Claims (9)

1.一种竹自行车架的连接结构，所述连接结构用于实现金属连接件和竹管之间的连接，其特征在于，所述连接结构包括金属外管、金属内衬管、应力释放环、连接环和结构胶；其中，所述金属外管和所述金属内衬管分别与所述竹管的外表面和内表面通过结构胶粘接；所述连接环的外表面和内表面分别与所述金属外管、所述金属内衬管通过结构胶粘接；所述应力释放环位于所述金属外管与所述竹管粘接的起始位置处，分别与所述金属外管的内表面和所述竹管的外表面通过结构胶粘接。

2.如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述金属外管、所述金属内衬管、所述应力释放环、所述连接环均为低密度合金材料。

3.如权利要求2所述的连接结构，其特征在于，所述低密度合金材料是铝合金或钛合金。

4.如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述结构胶为环氧结构胶。

5.如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述金属外管与所述竹管的粘接长度不小于所述竹管的外径，所述金属内衬管与所述竹管的粘接长度不小于所述竹管的外径的2倍，所述金属内衬管伸出金属外管的长度不小于竹管外径。

6.如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述连接环的外表面与所述金属外管的粘接长度不小于金属外管壁厚的2倍；所述连接环的内表面与所述金属内衬管的粘接长度不小于金属外管壁厚的2倍。

7.如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述应力释放环壁厚0.5~0.8mm。

8.如权利要求7所述的连接结构，其特征在于，所述应力释放环的长度不小于所述金属外管的壁厚的2倍，所述应力释放环伸出金属外管的长度不小于金属外管的壁厚。

9.一种竹自行车架中的金属连接件和竹管之间的连接方法，其特征在于，所述方法包括：

（1）通过机加工的方式，将所述竹管的端部的壁厚减小0.5~0.8mm，减小值与应力释放环的壁厚一致；所述竹管的端部的机加工长度不小于其所述竹管的外径；

（2）将所述应力释放环与所述竹管接触的位置涂结构胶，然后与所述竹管进行粘接，所述应力释放环的长度不小于金属外管的壁厚的2倍；

（3）将金属内衬管与所述竹管接触的位置涂结构胶，然后与所述竹管进行粘接，粘接长度不小于所述竹管外径的2倍；

（4）将连接环与所述竹管、所述金属内衬管接触的位置涂结构胶，然后与所述竹管、所述金属内衬管进行粘接，所述连接环与所述金属内衬管粘接的长度不小于所述金属外管的壁厚的2倍；

（5）在所述连接环、所述应力释放环的外表面，以及所述连接环、所述应力释放环之间的竹管表面涂结构胶；

（6）将上述步骤完成的部件整体插入所述金属外管中，且保证所述应力释放环伸出所述金属外管的长度不小于所述金属外管的壁厚，所述金属内衬管伸出所述金属外管的长度不小于所述竹管的外径；

（7）将上述步骤完成的竹自行车架固定并进行高温后固化，温度范围50°~70°，高温后固化时间不小于6小时。