自行車車架疲勞測試要求合理性評價

許斌 李桂景 駱海清 劉慧

昆山海關(guān)(原昆山出入境檢驗檢疫局)江蘇昆山215300

1 自行車車架的主要功能及其測試演變

1.1 自行車車架介紹

自行車車架作為整個自行車的骨架，是自行車最核心的部件，主要體現(xiàn)在自行車的其他零部件都以一定方式直接或間接安裝到車架上。因此車架同自行車的操縱性、耐用性、騎乘舒適感有著最直接的聯(lián)系。作為其他所有零部件的載體，車架同時也是自行車最主要的受力部件之一，主要體現(xiàn)為受力力值較大，同時受力情況比較復(fù)雜。車架在自行車騎行過程中，受到了多方面力的綜合作用。

1.2 自行車車架檢測技術(shù)的沿革和發(fā)展

自行車車架的測試技術(shù)伴隨著自行車材料、設(shè)計和用途的變化和行業(yè)對于產(chǎn)品認識的提升不斷地發(fā)展。在早期，車架主要以振動方式進行測試。在振動測試過程中，對車架的各個部分加載一定質(zhì)量的砝碼，然后在輪軸位置施加一定頻率和振幅的振動，經(jīng)過約定的振動次數(shù)后確認車架是否有損壞。車架振動測試存在的最主要問題是測試同實際使用存在較大不一致，測試失效位置往往同實際使用過程中失效位置不一致。因此車架振動測試在一定程度上無法體現(xiàn)車架的實際質(zhì)量情況。

經(jīng)過分析各類自行車在典型使用條件和方式下的車架受力情況，歐盟標準委員會首先提出了按照實際使用受力情況對車架施加循環(huán)應(yīng)力進行疲勞測試的方法，用以取代振動測試。該方法同實際使用失效情況較為一致，因此被認為是一種比較有效的方法。世界多個國家和地區(qū)在本國(本地區(qū))自行車標準后續(xù)修訂中都跟進采用該方法。2014年，ISO 4210《自行車兩輪自行車安全要求》標準進行了大規(guī)模的更新，新ISO 4210也采用了車架疲勞測試。作為獲得世界各國普遍接受的自行車安全標準，ISO 4210新標準代表了世界主要國家和地區(qū)統(tǒng)一自行車標準的方向，因此可以認為對于車架的疲勞測試已經(jīng)獲得了世界主要市場的認可。

本文通過對最新ISO 4210標準中的車架疲勞測試項目與自行車實際使用情況下自行車車架受力的比對，探討自行車車架疲勞測試項目設(shè)置的合理性以及可能的提升和改進。

2 自行車車架疲勞測試的設(shè)置目的和技術(shù)要求[1]

2.1 疲勞測試的設(shè)置目的

在ISO 4210標準中對自行車車架設(shè)置了腳蹬力、水平力和垂直力的疲勞測試要求，這3個測試對應(yīng)的自行車實際受力情況如表1所示。F1腳蹬力；F2水平壓向力；F3水平拉向力；F4垂直力。

表1 自行車車架疲勞測試項目同實際使用受力的對應(yīng)關(guān)系

2.2 疲勞測試的技術(shù)要求

圖1 車架腳蹬力疲勞測試

ISO 4210標準給出了表1中3個測試項目在車架上施加負載的位置和方向，并依據(jù)相關(guān)車型對應(yīng)使用人群和使用條件對車架設(shè)定了不同的測試要求(力值和循環(huán)次數(shù))。

2.2.1 車架疲勞測試的負載施加位置和方向

在ISO4210中對于所有車型車架的某個疲勞測試在負載施加的位置和方向均一致。對于表1中3種疲勞測試的負載施加位置和方向如圖1～圖3所示。

圖2 車架水平力疲勞測試

圖3 車架垂直力疲勞測試

2.2.2 車架疲勞測試的負載力值和循環(huán)次數(shù)

在ISO 4210標準中，對于不同車型車架的疲勞測試的負載和循環(huán)次數(shù)，測試要求如表2所示。

表2 車架疲勞測試要求

3 自行車車架疲勞測試和實際使用應(yīng)變應(yīng)力比對

3.1 應(yīng)變應(yīng)力采集方法

為了分析和比對ISO 4210標準對于自行車車架設(shè)置的疲勞測試項目同實際騎行的受力情況，本文使用45°應(yīng)變花采集測試和實際騎行過程中車架受力產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，以此為基礎(chǔ)對二者進行比對[3]。

在自行車車架的疲勞測試過程中，各類疲勞測試都有發(fā)生疲勞失效的典型區(qū)域，如圖4所示。對于腳蹬力測試而言，失效部位一般在車架下管和上管位置，典型區(qū)域為圖4中的2、3和4區(qū)域；對于水平力測試而言，失效部位一般在車架下管或上管靠近頭管附近，典型區(qū)域為圖4中的2和3區(qū)域；對于垂直力測試而言，失效位置一般在車架座管上半部分，典型區(qū)域為圖4中的1區(qū)域。在本文中，使用山地車作為研究對象，在上述區(qū)域中選定比對的應(yīng)變和應(yīng)力采集點[4]。

圖4 車架應(yīng)變應(yīng)力采集區(qū)域

3.2 車架疲勞測試的應(yīng)變和應(yīng)力

根據(jù)上述給出的車架疲勞測試方法和要求，按照圖4區(qū)域進行應(yīng)力應(yīng)變采集，采集到的應(yīng)變和應(yīng)力如表3中數(shù)據(jù)來源為測試的項目所示。

對于腳蹬力而言，其負載形式為大小相等的力交替施加在左右腳蹬上，但是因為車架結(jié)構(gòu)的不完全對稱，以及測試夾具的不對稱，本文中將腳蹬力的左右負載看作兩個力進行采集和比較。對于水平力，本文將負載看作拉壓兩個力。對于垂直力，則作為一個力。

表3 山地車車架疲勞測試和實際使用的應(yīng)變和應(yīng)變值(主應(yīng)力和剪應(yīng)力單位:MPa)

3.3 實際使用過程中的應(yīng)力和應(yīng)變

3.3.1 實際使用狀態(tài)構(gòu)造

根據(jù)表1可知，實際騎行過程的某些使用狀態(tài)下車架受力同測試存在可比性。因此本研究根據(jù)車架疲勞測試類型對車架構(gòu)造實際的騎行狀態(tài)，以進行相應(yīng)的應(yīng)變應(yīng)力采集和比對。

為了同測試一致，本研究中約定騎行測試人員和自行車重量為100 kg(人員體重約88 kg，車身重量約10 kg，不足部分使用人員背負重物進行配重)。

按照表1給出的對應(yīng)關(guān)系，一般認為腳踏力疲勞測試模擬騎行人員在腳蹬的踩踏對車架產(chǎn)生的作用力，一般認為在啟動、爬坡以及沖擊階段騎行人員離開鞍座，將全身力量壓在自行車腳踏上進行踩踏對車架踩踏力作用最大。本研究中使用自行車阻尼器為受試車輛后輪提供阻尼，模仿騎行過程中自行車受到的阻尼，使得測試人員可以離開鞍座站立在自行車腳踏上進行沖刺踩踏。

對于水平力疲勞測試，可以認為測試由兩個負載構(gòu)成，其中向后的水平力一般認為是自行車進行制動過程中，輪胎受到制動力作用，通過前叉?zhèn)鬟f給車架的作用力，對此，本研究設(shè)計了騎行過程中的單前閘制動。對于向前的水平力，認為是由自行車在高處(例如臺階、障礙物等)落到較低地方，前輪受到?jīng)_擊力經(jīng)過前叉?zhèn)鬟f到車架的作用力，對此，本研究設(shè)計了約定重量的自行車及騎行人員從臺階沖下落地。

對于垂直力測試，一般也被認為是由自行車在高處(例如臺階、障礙物等)落到較低地方，人員體重通過鞍座鞍管傳遞到車架的作用力，對此，本研究設(shè)計了同向前水平力測試相同的沖下落地方法。

3.3.2 車架的實際使用應(yīng)力應(yīng)變采集

按照同車架疲勞測試應(yīng)變應(yīng)力采集的相同采集點在車架上粘貼應(yīng)變花，依據(jù)3.3.1中構(gòu)造的騎行條件進行應(yīng)變應(yīng)力采集，通過騎行取得的應(yīng)變應(yīng)力情況如表3中數(shù)據(jù)來源為實際騎行的項目所示。

3.4 測試和使用過程中車架應(yīng)變和應(yīng)力比較

通過采集車架的疲勞測試和實際騎行狀態(tài)下的應(yīng)變和應(yīng)力情況，可以對ISO 4210設(shè)定的車架疲勞測試項目進行驗證，評價測試方法是否可以覆蓋實際使用情況。

3.4.1 腳蹬力比較

對于腳蹬力，本研究對圖4中的區(qū)域2和4進行了應(yīng)變應(yīng)力采集，如表3所示。

在區(qū)域4，測試負載對于車架的作用要超過實際騎行。但是測試過程中的左右負載對車架的作用存在非常明顯的不對稱性，而實際騎行中的左右負載對車架作用的不對稱性要小很多，造成上述差異的可能原因是測試使用了剛性治具替代了具有一定柔性自行車鏈輪和鏈條，這導(dǎo)致了車架剛性的變化，對車架受腳蹬力產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)力有明顯的影響。

在區(qū)域2，采集到的左曲柄測試負載對于車架作用產(chǎn)生的主應(yīng)變1(主應(yīng)力1)和主應(yīng)變2(主應(yīng)力2)的絕對值相差較大，而在實際騎行過程中采集的主應(yīng)變1(主應(yīng)力1)和主應(yīng)變2(主應(yīng)力2)的絕對值很接近，且實際騎行過程中的應(yīng)變和應(yīng)力已經(jīng)超過了在測試中采集到的應(yīng)變和應(yīng)力。這些情況表明，車架在實際騎行過程中，除了左右腳蹬的受力，還同時受其他力作用，這些力使得車架區(qū)域2的應(yīng)力和應(yīng)變同車架測試不一致。對實際騎行過程中騎行者身體運動分析發(fā)現(xiàn)，騎行者在進行踩踏沖刺的時候，為了獲得更大的踩踏力以及維持身體的平衡，必須通過握緊自行車車把并施加同踩踏方向相反的力。對于山地車而言，一般車把較長，因此騎行者對車把的作用力會產(chǎn)生一定的力矩，該力矩通過車把和立管傳遞到車架并對車架上管和下管靠近頭管的區(qū)域產(chǎn)生明顯作用，使得這些區(qū)域在實際騎行過程中的應(yīng)變和應(yīng)力相對于車架腳蹬力測試應(yīng)變和應(yīng)力產(chǎn)生明顯的差異。

3.4.2 水平力比較

對于水平力，標準中將水平力分為F2和F3兩個負載，分別代表拉力和壓力。本研究對圖4中的區(qū)域2和3進行了應(yīng)變應(yīng)力采集，如表3所示。

就車架受到的拉力(F2)進行比較，測試負載產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力遠超了實際騎行產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力，因此在該方向上的測試冗余度較大。

如表3所示，對車架受到的壓力(F3)進行比較，測試負載產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力小于實際騎行產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力，經(jīng)過數(shù)據(jù)比較，實際騎行中的受力約相當于測試中受力的1.4倍左右。本研究中使用的樣品車輛為山地車，其配置的車閘為碟剎，這類剎車的最主要特點是制動性能較好，可以在很短距離內(nèi)實現(xiàn)制動。根據(jù)自行車制動的力學模型，在自行車制動過程中自行車處于重力(自行車和騎行者)、輪胎支撐力(雙輪)以及制動力(雙輪)的力矩平衡。制動性能較好的剎車會產(chǎn)生較大的制動力，為了維持力和力矩平衡，前輪對于重力的負重比重會從30%左右上升直到100%，資料顯示，此時制動力全部集中在前輪，可以達到700 N，并通過輪胎傳遞到前叉再傳遞到自行車車架，顯然此時實際騎行的車架因為力值(實際:約700 N，測試:600 N)和力臂(實際:前叉長度+輪胎半徑，測試:前叉長度)均大于測試設(shè)定值，造成了車架實際受力超過了測試設(shè)定。

3.4.3 垂直力比較

對于垂直力，標準規(guī)定負載為F4。本文對圖4中的區(qū)域1進行了應(yīng)變應(yīng)力采集，如表3所示，實際騎行對車架作用超過了測試設(shè)定值。對于山地車而言，一般認為是一種在非公路上騎行的自行車，因此可能會面臨顛簸的路況，因此人坐在鞍座上時會對車輛產(chǎn)生明顯的沖擊，該沖擊力已經(jīng)超過了自行車車架垂直力測試設(shè)定的1 200 N的測試負載。

4 自行車車架疲勞測試項目評價和改進建議

根據(jù)3.4節(jié)的比較結(jié)果，可以對ISO 4210設(shè)定的車架疲勞測試項目進行評價，同時對于測試和實際使用存在不符合的，也可以基于比對結(jié)果給出可能的改進方案。

4.1 對于車架腳蹬力疲勞測試

標準給出的測試方法造成車架頭管附近部分的受力明顯同實際騎行不一致，可以通過進一步測試確定在自行車頭管上使用特定的治具施加一定的負載用于對頭管附近部分車架受力進行補充。

同時腳蹬力測試使用的剛性治具明顯改變了車架的結(jié)構(gòu)剛性，造成了左右負載的不對稱，因此有必要對治具進行一定的修改，例如使用鏈條替代圖1中的剛性連接桿6(該桿替代實車中的鏈條)，修改圖1中的立臂治具4(用來替代實車中的鏈輪和曲柄)剛性，使得左右負載對于車架的作用趨向?qū)嶋H使用情況。

4.2 對于車架水平力疲勞測試

標準給出的拉向力遠遠的超過實際騎行的受力，可以充分保證車架在水平拉向的安全性。但是標準給出的水平壓向的測試力則小于實際騎行的受力，測試無法保證車架在該方向上的安全性。對于該情況，可以選擇的修改方法有兩種，一種是在保持測試設(shè)備不變的情況下，考慮車輪半徑同前叉長度關(guān)系的情況下增加在水平壓向的測試力；另外一種是修改測試設(shè)備，保持水平壓向力不變的情況下，設(shè)備可以將施力點到車架的力臂調(diào)節(jié)為考慮實車前叉長度+輪胎半徑，同時考慮適當縮小水平拉向的力，使得測試可以同實際騎行受力一致。

4.3 對于車架垂直力疲勞測試

標準給出的測試負載小于實際騎行受力，因此標準給出的測試方案無法充分保證車架垂直受力的安全，需要進一步在車輛對應(yīng)的使用環(huán)境內(nèi)進行實際騎行，確認實際騎行中車架在垂直方向的受力情況并對標準設(shè)定要求進行修改。

5 結(jié)論

本文基于ISO 4210標準提出的車架疲勞測試方法和車架在實際使用過程中的受力情況，采用應(yīng)變花進行應(yīng)變和應(yīng)力采集的方法獲取車架受力數(shù)據(jù)，并對二者進行分析比較，對標準設(shè)定測試要求的合理性進行了評價。通過比較顯示，ISO 4210中對車架疲勞測試設(shè)定的3個測試項目同自行車車架實際騎行受力存在不一致，無法完全覆蓋自行車實際受力情況，按照ISO 4210測試的車架，在某些騎行條件下無法完全保證使用安全。同時本文也給出了測試項目(包括測試設(shè)備)的可能改進意見。本文對于提升車架疲勞測試的有效性和準確性有一定的借鑒意義，可以用于ISO 4210標準的修訂以及相關(guān)測試設(shè)備的改進。