Disseny
Material proposat
- Niangon
- Bedoll
- Propietats de la fusta laminada
La relació entre les propietats de la fusta pren generalment el valor mitjà de E=10 GPa en la direcció de les fibres i E=5 GPa en la direcció perpendicular. La resistència a la compressió és força variable i sol ser de 5 a 8 vegades més gran en la direcció de les fibres. On lx, ly i lz són els coseus de direcció en la direcció en què mesurem el mòdul de Young en relació amb les tres direccions ortogonals donades.
Una de les principals és apuntar les fibres en dues direccions diferents de 90º com es mostra a continuació.
Dimensionament
- Disseny de les mides del quadre de fusta
- Disseny del gruix i amplada del quadre
- Laminat
El disseny escollit per al prototip es basa en les mides més habituals de la majoria de marcs de les principals marques. La majoria de les dimensions del gruix estan donades per elements externs al marc de la bicicleta, com ara l'amplada de la roda, la longitud de l'eix del pedal, la longitud de la barra d'acoblament, el diàmetre exterior dels coixinets i el muntatge del desviador. Al bastidor s'han de fer els forats corresponents per al tub de direcció i els coixinets i els forats corresponents per a l'eix del pedal.
El gruix de la majoria de làmines serà 5 mm menys en els tirants i les beines on serà de 2,5 mm, ja que això permetrà ajustar-les a la curvatura desitjada.
Estructura general
Permet variar considerablement les propietats de diferents superfícies, alhora que s'adapta a les dimensions requerides dels elements externs. 18 El marc té zones on el laminat és sòlid i zones on el tub està perforat. L'objectiu principal d'això és reduir el pes del marc i es fa en zones on les tensions són menors.
Els sòls o capes seran com els de la imatge següent (figura 16) (només la meitat de la bicicleta es mostra simètrica).
Làmines i unions
Per a aquest estudi, s'ha considerat que les taules de fusta seleccionades poden tenir diversos metres de llargada però no més de 28 cm d'ample i/o gruix. En total, obteniu 7 peces diferents: la tapa i la barra de tirant, el tub superior, el tub inferior i el tub del seient, i finalment l'eix de la direcció i el pedal. No sempre coincidiran en la mateixa capa, encara que sempre han de ser d'un d'aquests tipus.
A la imatge següent podeu veure la situació dels diferents nodes que es poden trobar dins d'una mateixa capa. 21 Es pot veure que les unions han d'estar dins dels cercles blaus, ja que les barres estaran formades per làmines senceres de fusta. Hi ha diverses opcions per evitar-ho en funció d'on es trobi la peça, com podeu veure a les imatges següents.
Laminat dels tirants i beines
23 A més, per connectar-los a les altres parts de la mateixa capa de la bicicleta, caldrà unir-ne prèviament dues amb cola, per mantenir la forma correcta, tal com es mostra a la figura 26.
Disseny: aspectes secundaris
- Barres amb forma de tubs
- Controlar les propietats de la fusta
- Col·locació de les fibres
- Distribució de colors
24 D'altra banda, la pintura no es pot exposar a una humitat elevada perquè pot augmentar de volum i es poden obrir algunes fibres. Tot i que la majoria dels tubs del marc dissenyat tenen les seves fibres posicionades a 0°, és important que dues capes consecutives no provinguin de la mateixa làmina de fusta, o almenys de la mateixa superfície. Aquest fet podria significar que si una placa presenta un petit defecte, es repetirà a les capes superiors.
En el moment de la fabricació, s'aconsella que si d'un mateix bloc de fusta s'obtenen dues lloses consecutives, com a mínim les feu girar perquè l'aigua no s'enfonsi. Aquest aspecte és simplement estètic, però per poder fer una bicicleta amb tires de diferents colors, cal utilitzar necessàriament laminat. A més de tots els avantatges descrits anteriorment, ens permet fer un mateix marc amb diversos tipus de fusta, ja que podem variar diferents propietats físiques i mecàniques a més de canviar l'aspecte estètic.
En aquest cas, com s'ha explicat anteriorment, es va optar per combinar dues fustes: niangon i bedoll. Tot i tenir unes característiques que es poden considerar iguals a l'hora de fer els càlculs, són de color molt diferents, el niangon és d'un color vermellós, més fosc i el bedoll és més blanquinós amb un toc groguenc. Per a la distribució d'aquests colors, s'ha optat per col·locar el bedoll a les quatre làmines centrals de tota la bicicleta, excepte la posterior, que es farà íntegrament amb niangon, com podeu veure a la següent imatge:.
CÀLCULS
Sol·licitacions
- Assaig estudiat
- Càlcul de les propietats del material utilitzat
- Angles aplicables a cada làmina
La deformació mesurada entre els eixos de les rodes abans i després de la prova no ha de superar els 30 mm si s'utilitza una forquilla de bicicleta, o 15 mm si s'utilitza una forquilla d'acer massís. La constant proporcionada és el mòdul transversal d'elasticitat en direcció longitudinal, Gt=14,6 GPa. La major part del bastidor només funciona en compressió de tracció, de manera que a la majoria de tubs les fibres estaran situades paral·leles o amb un lleuger angle a l'eix del tub en què es col·loquen.
En canvi, a les parts on s'uneixen diverses peces de laminat, com és el cas de la part de l'eix dels pedals i del volant, les direccions de les càrregues que suporten ja no són tan clares. Hi ha taulons de fins a 280 mm d'amplada amb diferents gruixos que poden ser de 50 a 250 mm i llargs que poden arribar als 5 m en la direcció del gra. Per tant, alhora que es poden treure làmines rectangulars d'aquí, s'han de tenir en compte dues variables: l'amplada de la làmina que es vol i la llargada que es necessita, segons el disseny.
On es coneixen L i A, ja que són la longitud i l'amplada del full, respectivament, i hi ha dues equacions i dues incògnites. Aquest fet limita l'angle en què es poden fixar els fils de les diferents peces. Cal tenir en compte que la longitud de cada tipus de peça és superior a les dimensions originals, ja que les unions s'han de fer amb aquesta peça restant.
Les parts de direcció i eix dels pedals estan disponibles amb quadrats de 250 mm de costat i 5 mm de gruix, per tant, qualsevol direcció de les fibres és possible. Això és interessant ja que són els llocs on la direcció de les forces és més incerta i permet buscar diferents configuracions.
Modelització
- Assemblatge
- Definir el material
- Sistemes de coordenades
- Simulació de l’assaig
També s'ha fet el muntatge de les peces d'alumini on es col·locarà la roda del darrere. Es va suposar que estaven enganxats a la fusta per simplificar l'estudi, ja que ara és interessant veure el comportament del marc i de les fibres de cada làmina. Es definirà com un material ortotròpic on sempre s'assumeix la direcció y per comoditat si s'han d'introduir la direcció de les fibres i tots els valors del mòdul elàstic, la relació de Poisson i la cisalla.
Ara cal determinar tots els sistemes de coordenades que utilitzarem; tot s'ha de definir segons la direcció de les fibres desitjades en cada peça. En el cas de les peces corbes, s'ha de definir per coordenades cilíndriques des del centre del radi, tal com es mostra a la figura següent. Per simplificar el càlcul, es va suposar que les fibres de les peces corbes segueixen la direcció y de les coordenades polars, sense inclinació.
En primer lloc, les parts on es troben les fibres en totes direccions, en aquest cas es pot triar entre col·locació a 0º, 45º, 90º i 135º respecte a l'eix de coordenades global que es troba a la línia dels eixos de les rodes. . Per tant, aquestes 4 coordenades s'utilitzaran per a l'eix del pedal i les peces de l'eix de direcció. Ara es defineixen les seccions rectes de les peces posteriors, els suports i les beines.
Per obtenir una primera valoració de la millor direcció de les fibres, es realitza un estudi amb qualsevol material isòtrop, per exemple l'acer. Amb això, podeu veure les direccions dels principals esforços, de manera que inicialment podeu dirigir la direcció de les nostres fibres. Un exemple és el de la imatge següent en què es pot veure la direcció de les fibres d'una secció corba.
Els resultats de la tensió s'observen sense la forquilla, ja que distorsiona els valors obtinguts.
Resultats
A més, com que la prova és simètrica, només es donen les tensions en un costat del quadre de la bicicleta. Les peces que no superarien la prova estan marcades en vermell perquè superen el límit establert amb el coeficient de seguretat corresponent en funció de la direcció en què es trobi. S'observa que a les zones on es col·loquen fibres en totes direccions, les tensions obtingudes són força uniformes.
Cal recordar que els esforços màxims admissibles són de tracció en la direcció de les fibres, 135 MPa; en una força de tracció tangencial de 18 MPa, la compressió axial màxima pren el valor de 57 MPa, i la tangencial màxima és de 19 MPa. Un exemple de les tensions en la direcció de les fibres i perpendiculars a aquestes és el següent element (figures 51 i 52). El primer cas on el marc falla la prova és a la secció E, en el tub vertical en sentit tangencial.
Curiosament, aquesta canonada apareix aquí, quan la zona més desfavorable és la direcció. Això es deu al fet que el cercle on es produeixen els esforços màxims i mínims en sentit tangencial a les fibres, la direcció d'aquestes continua com en tot el tub vertical, com es pot veure a la figura següent, on es troba la peça mostrada. més desfavorable que el tub vertical. Una tercera opció és intentar fer coincidir la direcció del laminat per evitar aquests valors de tensió.
Els esforços obtinguts en el paràgraf anterior s'han modificat per obtenir els esforços longitudinals i tangencials que es poden veure a les figures següents. Per optimitzar les tensions resultants, les fibres s'han alineat amb aquestes àrees més crítiques.
