王潤(rùn)東
摘要: 隨著電動(dòng)自行車(chē)的普及,體積小、質(zhì)量(重量)輕、方便攜帶的折疊電動(dòng)自行車(chē)深受消費(fèi)者的喜愛(ài),折疊電動(dòng)自行車(chē)的安全性就顯得尤為重要,尤其是對(duì)折疊車(chē)架的強(qiáng)度要求。此文按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17761—2018《電動(dòng)自行車(chē)安全技術(shù)規(guī)范》,國(guó)家輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB1880—2008《自行車(chē) 車(chē)架》的規(guī)定,基于折疊車(chē)架的結(jié)構(gòu)原理和長(zhǎng)壽命折疊車(chē)設(shè)計(jì)理念,簡(jiǎn)要地介紹了折疊電動(dòng)自行車(chē)車(chē)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞:折疊車(chē)架;補(bǔ)強(qiáng);折疊器;安全鉤
隨著人們綠色環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),電動(dòng)自行車(chē)逐漸普及,據(jù)有關(guān)資料顯示,目前,電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)保有量超過(guò)3億輛。近年來(lái),電動(dòng)自行車(chē)的功能也由原來(lái)的單一代步向休閑、運(yùn)動(dòng)、健身及代駕等轉(zhuǎn)化。作為小輪徑的折疊電動(dòng)自行車(chē),其以騎行舒適、體積小、質(zhì)量(重量)輕、便于攜帶、占用空間小的優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞,目前已成為電動(dòng)自行車(chē)的消費(fèi)市場(chǎng)的重要品類(lèi),市場(chǎng)份額越來(lái)越大。
折疊電動(dòng)自行車(chē)的特征是折疊車(chē)架在主管中央和把立處安裝折疊盒。因此,限制了車(chē)架形狀,其形狀通常以H形、U型居多(如圖1所示)。
由于電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的限制和電動(dòng)折疊自行車(chē)常常用于運(yùn)動(dòng)、健身,代駕等,經(jīng)常出現(xiàn)電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架斷裂現(xiàn)象。研究電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命、高耐振性的電動(dòng)折疊自行車(chē)勢(shì)在必行。
目前行業(yè)內(nèi),折疊電動(dòng)自行車(chē)執(zhí)行GB17761—2018《電動(dòng)自行車(chē)安全技術(shù)規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),車(chē)架機(jī)械安全實(shí)驗(yàn)方法之一是測(cè)試車(chē)架/前叉組合件振動(dòng)強(qiáng)度[1]。通常執(zhí)行QB1880-2008《自行車(chē) 車(chē)架》標(biāo)準(zhǔn),即:在車(chē)架將電機(jī)、電池、控制器按實(shí)際位置組裝完成后,分別在前管部位加載荷49 N,鞍管部位加載荷490 N,中軸部位加載荷196 N,共計(jì)735 N;振動(dòng)的次數(shù)10萬(wàn)次,加振部位的加速度19.6 m/s(如圖2所示)[2]。
根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn),能夠滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)健身、代駕需求的電動(dòng)折疊車(chē)車(chē)架耐振性測(cè)試應(yīng)該是加載荷90 kg,振動(dòng)次數(shù)10萬(wàn)次以上。為滿(mǎn)足此要求,通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解車(chē)架各部的應(yīng)力狀態(tài)。將車(chē)架不同的部位貼應(yīng)變片,分別為A片、B片、C片、D片、E片、F片。分別在前管部位加載荷10 kg,鞍管部位加載荷60 kg,進(jìn)行中軸耐振性試驗(yàn)(如圖3所示)。
測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。
測(cè)試結(jié)果表明,電動(dòng)折疊自行車(chē)在耐振性試驗(yàn)時(shí),其車(chē)架不同部位的應(yīng)力分布是不同的,而受力最大處是A、D斷面。測(cè)試結(jié)果為我們研究電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
1? ? 不等壁電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)
利用不同管壁的管材設(shè)計(jì)等強(qiáng)車(chē)架是車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法之一。設(shè)計(jì)等強(qiáng)車(chē)架是將車(chē)架內(nèi)受力大的部位(A片處和D片處)管材壁加厚,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),D處通常設(shè)計(jì)壁厚為2.5 mm。根據(jù)等強(qiáng)原理,而B(niǎo)片處和C片處的壁厚為74.6×2.5/98.6≈1.9 mm;E片處和F片處的管材壁厚為60.5×2.5/98.6≈1.6 mm。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),既滿(mǎn)足了車(chē)架強(qiáng)度要求,同時(shí)減輕了車(chē)架質(zhì)量(重量),提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量。
2? ? 電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架局部補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)
在前面的實(shí)驗(yàn)中,在A(yíng)、D斷面受力最大處是車(chē)架主管的下方(D片處),這樣通過(guò)管材斷面加厚會(huì)造成工藝復(fù)雜,車(chē)架成本增加。為提高受力點(diǎn)的強(qiáng)度通常采用局部補(bǔ)強(qiáng)(如圖4所示)。
由于采用局部補(bǔ)強(qiáng),車(chē)架D片處管材壁厚由2.5 mm減少為2.3 mm。經(jīng)測(cè)試,減少管材壁厚采用補(bǔ)強(qiáng)方式,車(chē)架也通過(guò)了載荷為90 kg、10萬(wàn)次的耐振實(shí)驗(yàn)。
3? ? 補(bǔ)強(qiáng)管方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)
為了研究補(bǔ)強(qiáng)管的方式,我們先看兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)管是直管時(shí),應(yīng)變片顯示的數(shù)據(jù)是91.1 N/mm2 ; 當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)管是彎管時(shí),應(yīng)變片顯示的數(shù)據(jù)是76.3 N/mm2(如圖5所示)。
由此可見(jiàn),補(bǔ)強(qiáng)管的形狀也會(huì)影響車(chē)架的受力狀態(tài)。因此在電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)中,通常采用彎管補(bǔ)強(qiáng)。通過(guò)采用了彎管補(bǔ)強(qiáng),大大提升車(chē)架耐振性,滿(mǎn)足了載荷為90 kg、10萬(wàn)次的耐振實(shí)驗(yàn)。
4? ? 折疊器凸凹槽設(shè)計(jì)
折疊器設(shè)計(jì)通常采用四連桿鎖緊機(jī)構(gòu)或凸輪鎖緊機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)共同特點(diǎn)是:在鎖緊車(chē)架時(shí),過(guò)始點(diǎn)后折疊器會(huì)有少量回彈。此外鎖緊車(chē)架時(shí),僅靠折疊器轉(zhuǎn)軸和快鎖連桿鎖緊,由于轉(zhuǎn)軸存在間隙,導(dǎo)致在耐振實(shí)驗(yàn)或騎行時(shí)會(huì)有折疊器前部和后部串動(dòng)摩擦產(chǎn)生,直接影響折疊自行車(chē)車(chē)架的強(qiáng)度。為了改變這種現(xiàn)象,在折疊器的設(shè)計(jì)時(shí)采用在折疊器前部設(shè)計(jì)有凸臺(tái),在折疊器后部設(shè)計(jì)有凹槽(如圖6所示)。電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架折疊器在鎖緊時(shí),通過(guò)凸臺(tái)和凹槽的作用,就不會(huì)產(chǎn)生折疊器前部和后部串動(dòng)摩擦,大大提升了折疊自行車(chē)車(chē)架強(qiáng)度。
5? ? 折疊器自動(dòng)安全鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
折疊自行車(chē)為使用安全通常設(shè)計(jì)安全鉤(如圖7所示)。
該結(jié)構(gòu)需要在車(chē)架上焊接安全鉤固定座,因焊接應(yīng)力的作用,在電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架的耐振性試驗(yàn)和使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)在此處斷裂現(xiàn)象,影響車(chē)架強(qiáng)度。為解決這一問(wèn)題,可采用折疊器自動(dòng)安全鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖8所示)。
該結(jié)構(gòu)是通過(guò)在推塊上安裝的碰鉤和折疊器上的固定碰鉤相互作用,達(dá)到鎖緊功能。再通過(guò)推塊后端安裝的彈簧,在彈簧的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖緊。
通過(guò)上述研究并采取綜合的技術(shù)方案,大大提升了電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架的強(qiáng)度。
6? ? 結(jié)束語(yǔ)
關(guān)于電動(dòng)折疊自行車(chē)車(chē)架的長(zhǎng)壽命優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅僅限于折疊自行車(chē)車(chē)架強(qiáng)度的壽命,通過(guò)對(duì)車(chē)架強(qiáng)度耐久性的調(diào)查研究和計(jì)算機(jī)解析法在車(chē)架設(shè)計(jì)中的不斷應(yīng)用,我們了解了各種形狀的車(chē)架在實(shí)際測(cè)試中變?nèi)醯奈恢茫捎醚a(bǔ)強(qiáng)的方式極大地提高了車(chē)架的強(qiáng)度,延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。針對(duì)電動(dòng)折疊自行車(chē)構(gòu)造復(fù)雜化、多樣化的特點(diǎn),采用計(jì)算機(jī)分析的方法并不能完全滿(mǎn)足車(chē)架的長(zhǎng)壽化設(shè)計(jì)要求,還需要依賴(lài)于各方面的技術(shù)提升和支持。
參考文獻(xiàn)
[1]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.電動(dòng)自行車(chē)安全技術(shù)規(guī)范:GB 17761—2018[S/OL].[2018-05-15].http://c.gb688.?cn/bzgk/gb/ showGb?type=online&hcno=72969DAA3DA5795AD2163528FF57166C
[2]中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì).自行車(chē)車(chē)架:QB 1880—2008[S].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2008