Design and Manufacturing of a CFRP Full-Suspension MTB Frame

Abstract

Denne oppgaven fokuserer på design og produksjon av en Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) fulldempet Mountain Bike (MTB)-ramme, med det overordnede målet om å skape en trygg og forutsigbar sti-sykkel. Sidevisning-skjemaene av hovedrammen ble avledet fra en Specialized Stumpjumper Comp S4 2021 og justert for å imøtekomme et sett valgte grensesnittkomponenter. Abaqus 2019 ble brukt til å simulere de strukturelle egenskapene og definere CFRP-lamineringen av rammen, mens SolidWorks 2020 ble benyttet til å designe sykkelens geometri og for å hjelpe til med visualisering av opphengsskjemaene. Opphengssystemet ble designet ved hjelp av et egenutviklet Python-skript for å beregne de ønskede egenskapene til opphengskinematikken og dynamikken.

Sykkelen var ment å bli produsert ved hjelp av prepreg CFRP levert av Universitetet i Sørøst-Norge, Kongsberg. De resterende produksjonstrinnene ble definert basert på kravene spesifisert for dette prepreg-materialet. Designmålene ble oppnådd, med anti-geometri, bevegelsesforhold og bakhjulsdynamikk skreddersydd til oppgavens eiere basert på fysiske tester av tyngdepunkt og luftfjæringsfrekvenser, i kombinasjon med en optimalisert sikker CFRP-laminering for rammen. Produksjonsfasen av oppgaven ble imidlertid ikke fullført på grunn av komplikasjoner med å skaffe laboratorietilgang, men ga verdifull innsikt i det potensielle endelige resultatet.

This thesis focuses on the design and manufacturing of a Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) full-suspension Mountain Bike (MTB) frame, with the overall objective of creating a safe and predictable trail-bike. The side-view schematics of the main frame were derived from a Specialized Stumpjumper Comp S4 2021 and adjusted to accommodate a set of chosen interfacing components. Abaqus 2019 was employed to simulate the structural characteristics and define the CFRP layup of the frame, while SolidWorks 2020 was utilised to design the bike’s geometry and aid in visualising the suspension schematics. The suspension system was designed using an in-house developed Python script to calculate the desired characteristics of the suspension kinematics and dynamics.

The bike was intended to be manufactured using prepreg CFRP provided by the University of South-Eastern Norway, Kongsberg. The remaining production steps were defined based on the requirements specified for this prepreg material. The design objectives were achieved, with anti-geometry, motion ratio, and rear wheel dynamics tailored to the thesis owners based on physical testing of the centre of gravity and Air-Shock (ASH) spring rates, in combination with an optimised safe CFRP layup for the frame. However, the manufacturing phase of the thesis was not completed due to complications in acquiring laboratory access, although it provided valuable insights into the potential final outcome.