Venn 技術

纖維纏繞碳纖維輪框,由我們發明。

Venn 輪框誕生於風洞、超級電腦與多件式活動模具。以下是這些輪框背後的研發工作,以及經得起查證的數據。

風洞測試中:煙霧與雷射描繪出流經 Velocite 自行車的氣流

  • 2015全球首款纖維纏繞自行車輪框,並獲 Eurobike Award
  • 10德國、比利時與台灣評審團頒發的獎項與榮譽
  • 150J下坡輪框的衝擊合格門檻;公路、礫石與 XC 為 100 J。UCI 要求 40 J
  • 5年每款 Venn 輪框皆享保固
01

Venn 輪框背後的工程技術

自 2015 年起持續開發

自 2015 年起持續開發:全球首款纖維纏繞自行車輪框、一項取得專利的製法、以有限元素分析最佳化的疊層、由演算法找出的剖面,以及今日的輪框。每一步都標明日期,並附上當時的照片與圖面。

Fibre in resinOne filament (red): 5 to 7 µm across,seen end-on, held in resinStrong one wayPulled along the fibres:the carbon carries itPulled across them:only the resin holds
碳纖維與樹脂。示意圖,未依比例。
材料

順著纖維方向,強度最高

碳纖維輪框由一條條直徑 5 至 7 µm 的碳絲組成,再以樹脂結合。順著纖維方向拉伸時,疊層的強度遠高於橫向拉伸;橫向受力時,只有樹脂在支撐。

因此,輪框的好壞取決於纖維走向與纖維終止的位置:纖維一旦終止,負載就必須穿過樹脂才能傳到下一條纖維。疊層設計,就是把纖維鋪在受力的路徑上,而這也正是 Venn 研發工作的起點。

2015

全球首款纖維纏繞自行車輪框

2015 年,我們發表了 Venn Rev 35,全球首款纖維纏繞自行車輪框。上市當年便榮獲 Eurobike Award、台北自行車展 d&i 設計獎與金點設計獎。

模具上的纖維纏繞 Venn Rev 35 輪框,2015 年
模具上纏繞完成的 Rev 35 輪框,2015 年 5 月。
以量錶檢查 Venn Rev 35 輪框的偏擺,2015 年
以量錶檢查偏擺,2015 年 3 月。
衝擊測試機上的輪框,Rev 35 時期
Rev 35 時期的衝擊測試,2014 至 2015 年。
2016 至 2017 年

我們取得專利的製法

TW I607894 是我們曾持有的專利(2016 年申請、2017 年核准,發明人 Victor Major),將製法分為五個步驟:纏繞、切割、摺疊、接合、成型。以下即該專利的原始圖式。

TW I607894,步驟 1:纏繞
1. 纏繞。絲束自線軸(10)引出,通過樹脂槽(13),纏繞到旋轉的心軸(12)上。
TW I607894,步驟 2:切割
2. 切割。纏繞完成的管體(20)橫向切割成寬環(21)與窄環(22)。
TW I607894,步驟 3:摺疊與接合
3. 摺疊與接合。寬環摺疊成框體(30);窄環成為外側部件(33),於邊緣接合(34)。再以熱與壓力使輪框定型(35)。
2017

以有限元素分析設計的 Var 507 疊層

開發 Var 507 時,我們將輪框分為四個部分,以有限元素分析逐一最佳化各部分的疊層,同時固定其他部分。模型先經測試數據驗證。同一年,Venn 纖維纏繞輪框榮獲 Flanders Bike Valley Start-up Innovation Award。

Venn Var 507 疊層的有限元素分析,2017 年
有限元素分析中的 Var 507 疊層,2017 年。
纖維纏繞 Venn Var 507 輪框,2016 年 12 月
纖維纏繞 Var 507 輪框,2016 年 12 月。
1Rim bodythe outer walls2Rim bedthe tyre channel3Reinforcementlaminated under the rim bed4Spoke bedcarries spoke tension
Var 507 疊層的四個部分,編號依 2017 年 FEM 研究的最佳化順序排列。示意圖,未依比例;僅表示形狀與順序。
逐層設計
  • 疊層條件許可之處皆採對稱車輪受力變形時才不會扭曲。
  • 平衡每一層斜向纖維層都有對應的鏡像層,輪框受拉時不會產生剪切變形。
  • 同一方向不堆成厚塊這類纖維層分散於整個疊層之中,並以斜向層相隔,阻止裂痕擴展。
2018

由演算法得出的 Var 77 剖面

Venn Var 77 的纏繞路徑設計,2018 年
以軟體設計的 Var 77 纏繞路徑,2018 年。

Var 77 是全球首款由演算法設計的輪框剖面。我們與國立成功大學合作,以基因演算法驅動 CFD 求解器,生成 675 種剖面,最佳者據以開模。其纏繞路徑也以軟體設計。

完整故事,請見「空氣力學」章節 →

2022 至 2023 年

纏繞影片

2023 年纏繞影片的靜態畫面。

2023 年纏繞影片畫面:在纏繞輪框上進行局部補強
在纏繞輪框上進行局部補強,2023 年。
2023 年纏繞影片畫面:纖維帶鋪放到圓環上
將帶材鋪上環體,2023 年。
2023 年纏繞影片畫面:纏繞頭
纏繞頭,2023 年。
今日

今日的輪框

Venn 520 TCD UL 碳纖維輪框斷面
Venn 520 TCD UL 斷面。

每一圈 Venn 輪框都依 ETRTO 標準製造,每款型號上市前都通過同一套測試流程:公路、礫石與 XC 的衝擊合格門檻為 100 J,下坡為 150 J。UCI 要求 40 J。

測試流程與數據 →

Drilled after curingFibres crossing the hole are cut (red)Moulded inFibres steered round the hole, none cut
輻條孔附近的纖維走向。示意圖。
為編輪師而生

模內成型輻條孔,纖維不切斷

Venn 420、520、440、540 與 620A TCD UL 的輻條孔為模內成型,角度對準花鼓法蘭,而非固化後鑽孔。纖維繞過每個孔,而不是在孔邊中斷。

每項商品的規格都列出編輪所需的 ERD、孔數選項與尺寸。

02

可量測的品質

成型出的框壁,完美無瑕

碳纖維輪框的好壞取決於框壁,表面的平滑則取決於成型時貼合的模面。

除了纖維纏繞的 Var 輪框之外,如今每一圈 Venn 輪框都在多件式活動模具中成型,模具的接觸面經高標準精修。碳纖維在入模之前就已精準疊層,並依淨形預成型,纖維擺在哪裡,完全不靠運氣。這樣的模具與預成型工法在航太業很常見,在輪框製造業卻不是常態。

每次固化都在受控的壓力與溫度循環下進行。兩者共同將疊層完全壓實,讓樹脂流到該去的位置:成品框壁幾乎沒有孔隙與表面瑕疵,也不需要透明漆來遮掩任何東西。

接著,每一圈輪框都必須達到我們公布的數據
  • ETRTO依 ETRTO 標準製造。
  • 衝擊合格門檻:公路、礫石與 XC 為 100 J,All-Mountain 為 130 J,下坡為 150 J。UCI 車輪測試要求 40 J。
  • 重量29 吋與 700c 輪框,實重與標示重量的誤差在 ±15 g 以內。
  • 檢查出貨前皆經檢查。
Venn 纏繞歷史一景:由電腦控制鋪放 1k 碳纖維絲束。

一切的起點

2015 年,Venn 團隊打造出全球首款纖維纏繞自行車輪框,並以此榮獲 Eurobike Award;台灣其後核准了這項製法的專利(TW I607894 與 TW I634964,曾持有)。纏繞是當時最先進的技術。我們在那段時間學到的纖維、樹脂與模具知識,正是今日評判每一圈輪框的依據。

碳纖維帶寬度比較:1k、3k、5k、12k 與 25k
纏繞時期使用的絲束寬度:1k、3k、5k、12k 與 25k。
纖維纏繞機示意圖
纖維纏繞,當時最先進的技術。
03

獎項與肯定

自 2010 年以來獲 10 項獎項與榮譽

德國、比利時與台灣的評審團,都曾因設計、創新與製造技術肯定我們的成果。複合材料產業也邀請我們親自展示。

Eurobike Award 2015 得獎者金點設計獎2015 台北自行車展 d&i 設計獎
2015Eurobike Award

纖維纏繞碳纖維輪框

獲獎理由:沿輪框剖面纏繞連續纖維,取代手工疊放裁切片材。自行車輪框史上首創。

2015台北自行車展 d&i 設計獎

Venn Rev 35

同一款輪框在上市當年,於亞洲最大的自行車展獲獎。

2015金點設計獎

Venn Rev 35

台灣頂尖的設計獎項,頒給開啟纖維纏繞時代的輪框。

2017Flanders Bike Valley

Start-up Innovation Award

該獎項首屆頒發,於科特賴克的 Velofollies 頒給 Venn 纖維纏繞輪框。

2012iF Design 與 d&i 設計獎

Velocite Helios Aero

這款空力車架榮獲 iF Design 與台北自行車展 d&i 聯合獎項的自行車類別獎。

2010台灣

國家創業獎

從 80 位參選者中脫穎而出,獲選十強之一,2011 年再獲台灣卓越企業品質獎。

Victor Major 於首爾 JEC Asia 2019 發表演講
JEC Asia 2019,首爾。Victor Major 談熱塑性複合材料。
JEC Asia 2019,首爾

受複合材料產業之邀

在 JEC Asia 2019,JEC 集團特別介紹 Velocite 在複合材料加工領域的先驅成果。Victor Major 發表演講,談熱塑性複合材料的進展,以及產業必須面對的課題:擴大產量,並讓結構可以回收。

04

研究成果,直接用在輪框上

每一圈 Venn 輪框都始於一道工程問題,而不是為造型而造型。我們與大學、研究中心及材料廠商合作,成果直接用於疊層。

NCHC,台灣國家高速網路與計算中心:在其 GPU 超級電腦上進行 CFD 與基因演算法設計
NCKU國立成功大學:輪框剖面合作研究,包括 Venn Var 77
OxeonTeXtreme 開纖碳纖維,單層更薄、捲曲更少
Acer用於即時 CFD 的高效能伺服器

依用途挑選纖維

  • Toray T1100超高強度纖維,現已用於我們最新的輪框疊層
  • Toray T800主結構:高強度與高剛性
  • Toray T700S用於韌性與抗衝擊性最關鍵之處
  • 高模數在需要之處提供剛性,不增加重量
Venn 研究中的碳纖維強化熱塑性輪框斷面
我們在比利時研發計畫中的熱塑性碳纖維輪框斷面
05

空氣力學:先計算,再量測

我們以計算流體力學自行設計剖面,再於風洞中驗證。大大小小的自行車品牌與 OEM 輪框工廠,都曾將同樣的成果應用於自家產品。

CFD:在任何實體製造之前,先算出車輪與前叉上的壓力
  • 為騎士而設計側風中的操控,與直線行進時的風阻同樣重要。
  • 依騎乘類型設計剖面公路、礫石與登山車輪框,各有配合輪胎與速度的外形。
  • 風洞驗證先模擬,再以實體車輪量測。
Venn Var 507

在各種條件下,升力實質為零

Var 507 追求的,從來不是某一個風洞設定下的最低風阻數字。其剖面將空力中心設在軸心略後方,因此陣風與來往車流傳到車把的回饋實質為零。

側風中依然沉穩。風向改變時也不會帶偏車頭的高框輪框。
Centre of pressure aheadof the axlecentre ofpressurelever armsteeringtorqueA gust pushes the front ofthe wheel: the bike steersVenn Var 507: justbehind the axlecentre ofpressure≈ 0 lever armA gust pushes at the axle:effectively zero feedback
側向力的作用位置,決定車輪在風中的操控。示意圖,未依比例。
limits: 30 x 77 mmthe winner:Venn Var 77675 profiles,shape left free.Also in the search:concavebulbousV-shaped
搜尋過程示意:在 30 x 77 mm 限制內繪出的各類候選剖面。紅色輪廓為真實的 Var 77 剖面,取自工廠圖面。
Venn Var 77,2018 年

全球首款由演算法設計的輪框剖面

我們與國立成功大學合作,以基因演算法驅動 CFD 求解器,生成 675 種剖面。我們只固定輪胎(25 mm)、框高(77 mm)與最寬處(30 mm;若不設此限制,最佳解寬度為 42 mm)。外形本身完全不設限。內凹與外鼓的候選剖面都原封不動留在搜尋範圍內;假如其中之一最快,我們就會把它做出來。領先的候選剖面接著以 3D 建模,並作為完整車輪進行模擬,最佳者據以開模。在此之前,從未有任何自行車輪框以這種方式設計。

Bikerumor 報導,2018 年 11 月 16 日
風洞中騎乘碳纖維公路車的騎士
風洞測試
流經 Venn Var 37 輪框剖面的流線
Var 37 流線
流經車輪與前叉的氣流 CFD 分析
前叉處的氣流
整車 CFD 模擬
整車 CFD
06

品質管制,用數字說話

每款 Venn 輪框上市前都通過同一套測試流程。唯一的差別,是我們撞擊的力道。

0 J50 J100 J150 JUCI requirementISO 4210-740 JRoad, gravel and XC100 JAll-mountain130 JDownhill150 J
依騎乘類型設定的衝擊合格門檻,對照 UCI 要求的 40 J(ISO 4210-7)。合格門檻是每一圈輪框都必須通過的能量,而非輪框破壞時的能量。
測試機上的車輪

其餘測試項目與結果

以 Venn 520 TCD UL 輪組測試報告為例:

測試項目結果
疲勞於測試機上運行 596 km,約 1,000,000 次循環:無裂痕、無鼓脹、輻條無脫離
騎行偏擺連續運轉 4 小時、130 km:後輪偏擺在 0.1 mm 以內
輻條孔強度每個孔皆高於 300 kgf 合格門檻
側向剛性133 kgf/mm(53.2 kgf 下變形 0.40 mm)
輪胎固持力維持 120 psi 達 8 小時,平面度與變形皆在限值內
耐熱80 °C 下 110 psi:輪框寬度變化 0.05 mm
編輪無內胎充氣至 120 psi 的前後,平面度皆為 0.15 至 0.18 mm,真圓度皆為 0.20 至 0.22 mm
輪框與車輪測試:測試報告、量錶與測試機上的車輪
逐款提供測試報告與量測數據
絕無 B 級品。永不例外。未通過品管的輪框一律重製,絕不折價出售。
  • 礫石輪框也一樣Venn 440 TCD UL 實測平面度 0.18 mm、真圓度 0.19 mm,5 kg 側向負載下變形小於 4 mm,限值為 5 mm。
  • 輪框 5 年保固做後盾完整輪組另享 2 年保固。
07

耐得住高溫的圈煞輪框

我們的圈煞款使用客製高玻璃轉移溫度(Tg)樹脂。在煞車皮優良、煞車調校得當的情況下,長下坡重煞通常產生的溫度,遠低於此樹脂維持剛性的極限。現今的圈煞輪框 Tg 為 250 °C(資料存檔備查)。

  • 約 216 °C儲存模數起始點:剛性開始下降之處
  • 約 236 °C損耗模數峰值
  • 約 240 °CTan Delta 峰值,即通常引用為 Tg 的數值
我們早期圈煞輪框的 DMTA 測試
Venn 早期圈煞輪框測試的 DMTA 熱譜圖
我們早期圈煞輪框測試的 DMTA 熱譜圖
與 Venn 一起打造

從第一原理設計開發的輪框。

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