电动自行车车架及前叉组合件振动强度数据化分析

电动自行车车架及前叉组合件振动强度数据化分析
摘要此文介绍了对不同结构的电动自行车架及前叉组合件进行振动强度的试验，并对试验结果进行讨论及分析。

关键词电动自行车；车架及前叉组合件；振动强度
电动自行车车架及前叉组合件是构成电动自行车基本构造的主要零部件，其承受了來自骑行过程和道路组合而成的冲击载荷，是涉及电动自行车骑行安全最为关键的受力组合件。

车架及前叉组合件的强度在很大程度上决定了整车的强度，其设计和制造直接影响到骑行的安全，因此根据QB 1880-1993 标准规定对车架及前叉组合件进行振动强度试验是非常必要的。

1 标准试验
要求通过车架及前叉组合件振动试验可以测定产品是否符合疲劳强度的要求（将车架前叉组合件按图 1 规定的要求，安装在专用振动试验机上进行垂直上、下振动试验，在规定的振动次数内，车架各部位不得有破损、明显变形或松动）。

根据QB 1880-1993 标准规定，分别在车架及前叉组合件的前管处、鞍座处、中轴处施力[1]。

按照标准要求进行带鞍管及无鞍管的组合件试验，安装图分别如图2 和图 3 所示：
2 试验结果及分析
根据QB1880-1993标准要求，对3种不同结构的电动自行车车架/前叉组合件进行振动强度试验，试验情况如下：
2.1 带鞍管组合件
破坏现象：经5万次振动试验后，检查发现车架立管与中接头连接处焊缝开裂。

原因分析：该车架立管与中接头采用直接对焊方式焊接，没有连接立管、中接头和车架下管的加强板或加强筋，此焊接方式导致立管轴向抗拉和绕中接头圆周方向抗扭矩强度下降，而在车体整体受力的情况下，该区域又是应力集中区。

改进方案：组合件在投入生产前应对结构设计进行评价，以及强度和刚度的确认。

针对开裂情况，该组合件可在中接头处增加连接立管、中接头和车架下管的加强筋。

加强筋需在立管与中接头焊接完成后再施焊[2]。

2.2 带鞍管组合件（带后避震器，如图4所示）
破坏现象：经10万次振动试验后，检查发现后避震器变形，避震器支柱与
减震弹簧相碰撞并出现磨损现象。

原因分析：电动自行车在骑行过程中，避震器的作用是传递路面对车身的各种反力，缓和车身冲击并减弱车身振动。

此次试验按照标准要求加载在鞍管处的载荷为490 N，通过观察避震器的安装位置，其放置在车架“后三角”鞍座下部。

拆解损坏的避震器后，发现避震器回位不良，内部导轨已变形，导致支柱与弹簧的同轴度发生了偏移，致使避震器支柱与减震弹簧相碰撞并出现磨损现象。

改进方案：
（1）在选配避震器时应根据整车设计的载重量选取阻尼相适应的避震器，同时在避震器批量安装前应对样品进行抽样检验，以确保其回位、导向性能及可靠性满足设计及使用要求。

（2）在设计时应充分考虑避震器的安装位置，该避震器安装在立叉上，开档略呈小“八”字形，其可能也是造成避震器损坏的原因之一，因此应对结构设计进行修正（尽量采用平行对称安装），防止阻尼特性的空程和畸变，充分发挥其减震性能。

2.3 无鞍管组合件（上述图3所示结构）
破坏现象：经10 万次振动试验后，发现车架主管与侧管连接处的焊缝出现轻微裂纹，未发生断裂现象（如图 5 所示），观察连接处的断裂面表层焊缝不均匀，存在虚焊可能。

原因分析：无鞍管的电动自行车车架，其主管、侧管及横管是整车骑行时主要的受力部位，容易出现高危险区与管轴线相垂直的截面或截面的某一点出现应力集中。

该部位的结构设计、管壁厚度、焊接工艺都直接影响其整体强度及使用寿命。

改进方案：
（1）主管和侧管连接时，主管必须延伸到左右侧管的中间，并以横管与侧管相连，形成三角形结构。

侧管尽量采用折弯后再同主管连接的方式，必要时可对该部位结构做调整，即在主管和侧管的基础上增加2根加强管，如图 6 虚线位置。

（2）在保证管壁材料及管壁厚度满足使用要求的前提下，车架主要部位焊接可采用CO2保护焊或氯弧焊。

焊接应饱满，无夹渣、烧穿、漏焊、缺焊和明显的焊瘤，飞溅清理干净，熔深不小于材料厚度的1/2，同时应注意焊接长度并尽量采用对称焊接的形式[3]。

3 结束语
组合件振动强度试验只是模拟骑行过程中的某一固定振动工况，其振动频率及振幅在试验前已设定（试验过程中一般不做调整）。

而实际骑行过程当中，整个车体的振动频率及振幅都是在不断变化的，因此组合件出现破坏的形式也是多样化的。

导致破坏的原因是由多方面因素综合而成，构成组合件的材料质量、管壁厚度和焊接工艺、结构设计等，对组合件的整体强度及寿命都有较大影响。

提高组合件的强度除了需在材料方面加以改进，更主要的是要从结构设计和工艺方面进行探讨并通过试验加以验证。

参考文献
[1] 叶震涛.电动自行车前叉浅谈[J].中国自行车，2007，（12）：42-43.
[2] 曹力英，许顺利，王万军.谈电动自行车车架振动试验的断裂现象[J].中国自行车，2011，（7）：56-59.
[3] 李进.电动自行车车架失效分析及改进方案[J].电动自行车，2011，（4）：47-48.。