[Sườn xe] Phần 3 : Sườn sợi carbon : Ưu và nhược điểm - Các quy trình và phương pháp chế tạo 1 khung sườn carbon

Bài viết được viết bởi Batshop, vui lòng ghi rõ nguồn khi share

Xin chào các bạn, hôm nay mình sẽ đi đến 1 vật liệu nữa để chế tạo sườn xe đạp, đó là Carbon
So với những vật liệu truyền thống như Thép / Nhôm / Titan thì sườn xe carbon là 1 vật liệu mới phổ biến gần đây nhưng nó có rất nhiều ưu điểm để chế tạo sườn xe mà chỉ có 1 nhược điểm lớn nhất là mắc thôi 

 

Đây là con Giant carbon của bạn trai cũ của mình trong chuyến đi Tây Bắc 2018. Lưu ý : Giant ko gọi là carbon mà họ gọi là composite .

I. Carbon ( Carbon fiber ) là gì ?

- Tên gọi chính xác của vật liệu carbon là carbon fiber ( Sợi carbon ) nhưng ở đây mình sẽ gọi tắt là carbon
 

Đây là sợi carbon trước khi được định hình . Về cấu tạo thì nó là những sợi polyme được sử lý qua các bước gia nhiệt khác nhau với các chuỗi cấu tạo bằng nguyên tố carbon dài. Mỗi sợi có đường kính nhỏ 5-10 micro , nhỏ hơn 10-20 lần sợi tóc của con người .

II. Các bước chế tạo 1 khung sườn carbon

Sau đó những sợi carbon này sẽ được bện lại với nhau, giống như bện 1 sợi dây thừng, và chúng ta thường thấy kí hiệu là carbon 3K , 4K hay 6K, tức là số sợi carbon được bện lại với nhau. 3K là 3000 sợi carbon nhỏ được bện (dệt ) lại thành 1 sợi lớn . Tuy nhiên cứ không phải số K càng cao là càng tốt, vì số K càng cao thì mật độ sợi carbon càng lớn và nó trở nên cứng và giòn hơn. Do đó tùy mỗi bộ phận của sườn xe mà sẽ áp dụng loại carbon phù hợp. 1 chiếc sườn xe carbon được cấu thành bằng cách ghép nhiều bộ phận riêng lẽ lại. Các kỹ sư sẽ tính toán bộ phận nào cần chịu lực bao nhiêu và chịu lực như thế nào để tạo thành 1 chiếc khung xe carbon tối ưu nhất. Do đó ko phải tự nhiên mà có những chiếc sườn xe carbon chưa tới 10tr, nhưng cũng có những chiếc sườn xe carbon đến cả trăm triệu .

Các kỹ sư sẽ tính toán xem mỗi bộ phận trên xe cần dùng loại carbon nào và chạy giả lập trên máy tính .

Sau đó họ ra các khuôn và tiến hành tạo hình cho từng bộ phận.

Mỗi bộ phận sẽ được đánh số , giống như chơi ghép hình vậy

Bản thân sợi carbon ko thể tạo hình được theo khuôn, nên họ sẽ kết hợp các chất kết dính, thường là nhựa Epoxy. Bạn cứ tưởng tượng sợi carbon là gạch, còn Epoxy là xi măng. Nhờ có Epoxy mà các sợi carbon mới có thể liên kết được với nhau, do đó hỗn hợp của sợi carbon và epoxy thường được gọi là Composite. Đó là lý do Giant ko gọi xe của họ là xe carbon mà là xe Composite, đó mới là tên gọi chính xác .

1 lưu ý nữa là có nhiều cách để dệt thành 1 tấm carbon, các đường vân ko phải chỉ để cho đẹp, mà nó còn phải phù hợp với yêu cầu của vật liệu. VD nếu bộ phận đó cần độ cứng, sẽ có cách dệt khác, nếu bộ phận đó cần độ dẻo, sẽ có cách dệt khác

Có nhiều loại vân carbon và mỗi kiểu vân có 1 ý nghĩa khác nhau

Sau khi đã có đủ các bộ phận của 1 khung sườn, họ sẽ bắt đầu ghép nối lại với nhau, cũng sử dụng các chất liệu keo dán để ghép lại

Những bộ phận chịu lực trực tiếp như dropout thường là những bộ phận tốn nhiều thời gian nhất để chế tạo, vì nó đòi hỏi độ cứng cao, do đó sẽ phải quấn nhiều lớp carbon / chờ khô / quấn tiếp / chờ khô

Quy trình sản xuất 1 chiếc khung sườn carbon mất rất nhiều thời gian vì sau khi ghép 1 bộ phận thì lại phải chờ keo khô mới có thể làm tiếp. Như trong hình là khung sườn đang chờ khô để ghép gióng sau .

Khung định hình cho từng bộ phận

Sau khi khung xe đã hoàn thành, nó sẽ đi chà nhám, loại bỏ các vết keo thừa, kiểm tra kỹ càng về các mối nối. Sau khi đã vượt qua được các bài kiểm tra, khung sườn sẽ được đem đi khoan các lỗ bắt dây, dây âm sườn, và đóng rivet bắt lỗ gọng bình nước

Kiểm tra khả năng chịu tải, chịu kéo, chịu nén của khung sườn carbon bằng các máy đo chuyên dụng

Sau đó khung sườn sẽ được đem đi sơn phủ. Lớp sơn này ko chỉ có tác dụng trang trí mà còn là lớp bảo vệ lớp sợi carbon dưới tác động của thời tiết và các vết xước nhỏ

Chiếc sườn xe này được sơn giả kim loại

III. Các phương pháp chế tạo khung sườn carbon

Hiện nay có 2 phương pháp sản xuất khung sườn carbon chủ yếu, đó là Monocoque và Tube to tube . 

Nếu chiếc sườn carbon của bạn nó liền lạc thành 1 khối duy nhất, đó là phương pháp chế tạo Monocoque . Phương pháp này mình đã trình bày ở trên : Đó là sườn được ghép lại từ nhiều bộ phận khác nhau và mỗi bộ phận được tính toán và sản xuất bằng vật liệu riêng biệt. Sau đó ghép lại bằng keo. Ưu điểm của phương pháp này là nó sẽ tạo ra 1 chiếc sườn liền lạc với độ cứng, độ hoàn thiện cao, mỗi bộ phận đều được tính toán để tối ưu hóa độ chịu lực, nhưng bù lại là tốn thời gian và chi phí

Còn tube to tube thì nó gần giống như sản xuất sườn thép vậy : Nhà sản xuất mua các ống carbon có sẵn, và ghép chúng lại với nhau bằng các lớp vật  liệu carbon

Phương pháp chế tạo này giúp tiết kiệm thời gian, chi phí, nhưng bù lại chiếc khung sườn do được cấu tạo từ nhiều ống carbon ghép lại với nhau nên nó sẽ không cứng chắc bằng phương pháp Monocoque . Ngoài ra về yếu tố thẩm mỹ nó cũng sẽ không bằng được Monocoque do nó sẽ có những mối nối

1 phương pháp nữa là sử dụng Lugged . Thay vì quấn các lớp vật liệu carbon và dùng keo để cố định các ống thì họ sẽ dùng các Lug hay là các khớp để nối các ống carbon lại với nhau, phương pháp này cũng rất phổ biến khi sản xuất sườn thép và titan. Các lug của sườn carbon cũng cấu tạo từ carbon

Các ống carbon được nối lại với nhau bằng lug

Và phương pháp cuối cùng để chế tạo sườn carbon và cũng là mới nhất hiện nay, đó là in 3D ra 1 chiếc khung sườn

 

 

Đây là chiếc xe sử dụng khung sườn được in hoàn toàn từ công nghệ in 3D của hãng Arevo , tuy nhiên nó vẫn đang ở giai đoạn starup chứ chưa phổ biến

 

IV. Các ưu điểm của sườn carbon

1. Nhẹ 

- Đây chính là ưu điểm lớn nhất của sườn carbon, Không có 1 vật liệu nào nhẹ hơn carbon trong việc chế tạo sườn xe đạp hiện nay. 1 chiếc sườn xe road có thể chỉ nhẹ tầm 700- 800gram và 1 chiếc sườn MTB có thể tầm 900 - 1kg. Nhẹ hơn rất nhiều so với sườn nhôm . Hiện nay chỉ có Graphene mới có thể vượt qua được carbon về trọng lượng ( những chiếc sườn road chế tạo bằng graphene có trọng lượng chĩ 500gram - nhưng sẽ còn rất lâu nó mới trở nên phổ biến được )

2. Dễ dàng tạo hình cho khung sườn

- Với công nghệ chế tạo Monocoque và in 3D thì không có giới hạn về hình dạng khung sườn, nó cho phép các kỹ sư nghiên cứu và chế tạo nhiều kiểu khung sườn có hình dạng khí động học cũng như đem lại sự thoải mái cho người đạp

3. Độ cứng cao nhưng vẫn êm ái

- Với công nghệ chế tạo Monocoque thì khung sườn có thể cứng chỗ cần cứng và mềm chỗ cần mềm, do đó nó có thể hấp thu được lực tác động giúp người đạp thoải mái hơn

4. Sườn carbon có thể sửa chữa 

- Những hãng sản xuất sườn carbon vẫn nhận sửa chữa sườn carbon trong trường hợp nó bị gãy hoặc sự cố. Trong khi những hãng sản xuất sườn nhôm thì không. Có 2 lí do cho việc này:
+ Với cấu tạo gồm nhiều mảng carbon và ghép lại bằng các lớp carbon + keo dán, việc sửa chữa sườn carbon là khả thi và nó cũng ko gây mất thẩm mỹ
+ Chi phí cho việc sửa chữa sườn carbon vẫn rẻ hơn là mua 1 cái sườn mới

Còn đối với sườn nhôm thì ngược lại :
- Chi phí sửa, hàn 1 cái sườn nhôm nó rắc rối và tốn kém hơn cả việc mua 1 cái sườn mới
- Sửa xong nhìn cái sườn có vết hàn thì xấu vl

5. Sườn carbon vẫn đang được nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới nhất mỗi ngày

- Sườn carbon được sử dụng trong các giải đua lớn nơi mà vài chục gram hoặc 1 chút cải tiến về khí động học cũng có thể thay đổi cuộc chơi, nên công nghệ mới trên sườn carbon là vô số

V. Nhược điểm của sườn carbon

1. Mắc

- Dĩ nhiên đây là rào cản lớn nhất để các bạn trẻ đẹp trai và ngoan nhưng nghèo như shop tiếp cận với sườn carbon. 1 cái sườn carbon hàng có thương hiệu phải tầm 1000$ trở lên. Như Scott của mình đang đi thì sườn nhôm có trên dưới 10tr, mà sườn carbon thì toàn 3x triệu nên thèm lắm mà chỉ dám đứng ngó thôi

2. Độ bền : Hên và xui

- Carbon rất cứng, nhưng cái gì càng cứng thì càng giòn, cũng giống như nhôm vậy. Và carbon nó cứng theo 1 hướng, nên khi gặp 1 lực tác động ko đúng với chiều chịu lực của nó thì nó rất dễ gãy. Bạn cứ tưởng tượng nó như 1 cây đũa, nó có thể chịu 1 lực rất nặng từ trên xuống, nhưng nếu theo chiều ngang thì nó gãy ngay. 

Xác xuất gãy sườn carbon cao hơn hẳn các loại sườn làm bằng vật liệu khác

Các vết xước trên sườn carbon cũng ảnh hưởng tới độ bền của sườn. Bạn có thể không cần quan tâm đến các vết xước trên sườn nhôm / titan ngoại trừ yếu tố thẩm mỹ . Sườn thép thì có thể bị rỉ do đó dặm tí sơn là xong. Nhưng các vết xước trên sườn titan, nếu ăn vào đến phần sợi carbon thì nó sẽ là 1 vấn đề, vì độ dày của khung sườn carbon là rất mỏng, và 1 khi đã xước ăn vào phần carbon thì các sợi carbon ở khu vực đó đã bị cứa đứt, nên nó sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của khu vực đó

1 lưu ý nữa là sườn carbon rất dễ bể nếu chịu lực ép vào ống sườn, nó cũng rất yếu nếu chịu các lực tác động ngang. do đó khi sử dụng sườn carbon bạn phải có cờ lê xiết chỉnh lực để căn đúng lực khi siết, nhất là ở các vị trí như ốc potang và cốt yên. Chỉ cần xiết quá lực thì khả năng bể sườn là rất cao.

3. Rất khó tải đồ, ko phù hợp để đi tour, kể cả là bikepacking .

Như mình đã nói ở trên, sườn carbon chịu lực ngang rất yếu, đồng thời khoan 1 lỗ trên gióng xéo phía sau để bắt baga là ko thể do nó sẽ làm yếu cả khung sườn, nên tất cả các sườn carbon đều ko thể gắn dc baga bắt ốc lẫn baga kẹp . Do đó nó ko phù hợp để chở đồ đi tour . Ngay cả nếu dùng setup bikepacking thì nó cũng giống như là chơi sổ xố vậy

Nếu dùng xe carbon để đi tour, bạn chỉ nên đi theo setup là creditcard backing. Tức là nhét 1 cái thẻ trong ví, còn lại mọi chuyện đã có Bác lo .

4. Khả năng mua trúng sườn mông má, sửa chữa, sườn lỗi cao

- Sườn carbon bị gãy có thể được đem dán lại, sơn phủ lại và nó trở thành 1 cái sườn hoàn toàn bình thường. Rất khó để kiểm tra  1 cái sườn carbon đã có qua mông má chưa ( nếu tay nghề thợ cao ) do nó ko hề có mối hàn để bạn check. 

5. Sườn carbon có độ tuổi

- Bản chất vật liệu cấu thành nên sườn carbon là sợi carbon và nhựa Epoxy. Vì là nhựa nên dưới tác động của mưa, nắng, nhiệt độ nên đến 1 ngưỡng nào đó nhựa nó sẽ bắt đầu lão hóa và độ bền của khung sườn sẽ bị ảnh hưởng .

Không có độ tuổi cụ thể cho 1 khung sườn carbon, vì nó còn phụ thuộc rất nhiều vào nhiều yếu tố như : Môi trường , nhiệt độ, mức độ sử dụng vvv...

THeo hướng dẫn sử dụng của hãng Canyon https://media.canyon.com/download/fahrradhandbuecher/Canyon-RR-E.pdf thì bạn nên thay thế ghidong và cốt yên carbon sau 3 năm sử dụng, vì đây là những bộ phận chịu lực nhiều nhất. Với khung sườn thì là 6 năm

Với những chiếc xe ít chạy thường xuyên thì cũng được khuyên là nên thay thế sau 9-10 năm, vì khi đó khung sườn sẽ đi đến giai đoạn lão hóa

 

 

Bình luận

Kayla 27/03/2024

you are in point oof fact a excellent webmaster.

Thhe website loading speed iis incredible.
It seems that you are doing any unique trick.
Also, The contents are masterpiece. you have done a magnificent task on this subject!


Feel free to surf to my page; https://penzu.com/p/c961de29