車把部件動態(tài)疲勞試驗機的研制

韓立秋　鄭鈞

摘要：近幾年來，隨著我國自行車、電動自行車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，自行車、電動自行車年總產(chǎn)量將突破1.2億輛。2021年前3個季度，整車及零部件年出口額達77.64億美元，自行車、電動自行車的出口呈現(xiàn)強勁增長態(tài)勢，中國已成為自行車、電動自行車全球最大的生產(chǎn)和出口基地。對于產(chǎn)品的安全性能考核，我國等同采用自行車國際標準ISO4210—2：2015《自行車的安全要求》。通常自行車、電動自行車在使用過程中前叉、車架、車把等部件的斷裂均屬于疲勞斷裂，國際標準ISO4210—2：2015《自行車安全要求》中規(guī)定了疲勞測試條款安全要求和試驗方法。此文介紹的車把部件動態(tài)疲勞試驗機就是根據(jù)自行車國際標準ISO4210—2：2015《自行車安全要求》4.7.7中所規(guī)定“把橫管和把立管組件—疲勞試驗”的要求而設(shè)計的，該檢測設(shè)備為檢驗自行車、電動自行車把橫管和把立管組件的疲勞安全性能提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：車把部件動態(tài)疲勞試驗機;疲勞測試;檢測設(shè)備

1? ? 引言

車把部件動態(tài)疲勞試驗機的設(shè)計要滿足自行車國際標準ISO4210—2：2015《自行車的安全要求》4.7.7中，規(guī)定把橫管和把立管組件分兩個階段的試驗要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)合材料的把橫管或把立管，在試驗過程中對任意方向的位置偏差值不能超過其初始位置20%的試驗要求[1];同時也要滿足GB 3565：2005《自行車的安全要求》[2]相關(guān)規(guī)定。設(shè)備機身采用高強度鋁型材一體成型結(jié)構(gòu)，機身強度高，疲勞極限值較高，設(shè)備應(yīng)用計算機伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制;執(zhí)行機構(gòu)采用高精度的伺服電動缸模塊化產(chǎn)品，應(yīng)用最新傳感器測量技術(shù)，試驗過程自動化程度高，測試精度高、結(jié)果準確。設(shè)備適用范圍包含各種形式的自行車把橫管和把立管組件，以及電動自行車把橫管和把立管組件。

2? ? 車把部件動態(tài)疲勞試驗機設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)車把部件動態(tài)疲勞試驗機機身大多采用螺紋連接、焊接方式，影響設(shè)備的使用壽命和增大測量誤差，而新研制設(shè)備采用的一體成型結(jié)構(gòu)則較好地提高了設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備因機身變形而引起的測量誤差;新研制設(shè)備控制系統(tǒng)采用的計算機私服控制，在控制上應(yīng)用閉環(huán)反饋程序，使測試結(jié)果準確、可靠。隨著新材料、新的測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，新型車把部件動態(tài)疲勞試驗機設(shè)備將體現(xiàn)出自動化程度更高、操作更方便、測量精度更高、結(jié)果更準確的優(yōu)勢。

3? ? 車把部件動態(tài)疲勞試驗機的結(jié)構(gòu)組成與控制

依據(jù)上述標準在給相應(yīng)產(chǎn)品做疲勞測試的同時，檢測設(shè)備本身疲勞特性也顯得尤為重要，所以車把部件動態(tài)疲勞試驗機在設(shè)計時機身材料采用了鋁合金（疲勞極限108）與高強度鋼（疲勞極限108）的組合，相較于其他一般、中強度鋼（疲勞極限107）使用壽命更長。鋁型材、高強度鋼均采用一體成型結(jié)構(gòu)，使得設(shè)備機身具有較高的強度，提高了設(shè)備的疲勞極限（見圖1）和可靠性。

執(zhí)行機構(gòu)采用伺服電動缸模塊化產(chǎn)品（見圖2），其特點是能完成準確的速度控制、準確的位置控制、準確的推力控制，實現(xiàn)高精度的直線運動;伺服電動缸模塊化產(chǎn)品的速度可控性能夠?qū)崿F(xiàn)標準中對產(chǎn)品疲勞測試頻率的要求;準確的位置控制可以實現(xiàn)復(fù)合材料的把橫管或把立管在試驗過程中任意方向的位置偏差值的測量與控制。

力值檢測裝置采用柱式拉壓力傳感器，其具有精度高、長期運行穩(wěn)定、密封性好的特點，保證施加載荷的精度在5%以內(nèi)，滿足標準中對施加力值偏差的要求。

連接部件采用高強度萬向軸承加高強度鋼制夾具，以減少在對車把部件施力時，因車把部件變形而引起的傳感器輸入值偏差，同時保證測試部件的安裝方便簡潔。

車把部件動態(tài)疲勞試驗機采用計算機伺服控制系統(tǒng)，通過力值傳感器等對數(shù)據(jù)信號處理實現(xiàn)快速采集分析，建立模型模擬路況，將動態(tài)運動試驗控制過程中的力、位移信號及時反饋到計算機控制系統(tǒng)中[3]，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)加載力的數(shù)據(jù)采集和自動補償控制，實現(xiàn)實時測試位置采集控制。

4? ? 車把部件動態(tài)疲勞試驗機的創(chuàng)新與應(yīng)用

車把部件動態(tài)疲勞試驗機在研發(fā)過程中對所有款式各種材質(zhì)的車把部件充分考慮，進行模擬測試，根據(jù)車把部件實際使用情況，確定了車把部件疲勞試驗頻率范圍（≤5 Hz）。伺服電動缸模塊化產(chǎn)品的應(yīng)用從實際上解決了復(fù)合材料的把橫管或把立管在試驗過程中對任意方向的位移偏差無法采集和控制的情況;高精度的力值測試裝置能夠提高設(shè)備的測試精度;計算機伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)了在復(fù)雜工況、路況下進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理，建立復(fù)雜數(shù)學模型，控制模擬輸出。

5? ? 結(jié)論

我國自行車、電動自行車行業(yè)在快速發(fā)展，產(chǎn)品不斷推陳出新，車把部件動態(tài)疲勞試驗的檢驗方法也將更加科學性，檢測技術(shù)水平與國際接軌，先進的檢測技術(shù)將引導(dǎo)我國自行車、電動自行車制造企業(yè)開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品;可督促企業(yè)提升產(chǎn)品檔次和質(zhì)量，以擴大出口;可促進產(chǎn)業(yè)集群的良性發(fā)展;可引導(dǎo)行業(yè)向國際化產(chǎn)業(yè)基地邁進。

參考文獻

[1] International standard ISO4210—2：2015 Cycles-Safety requirements of bicycles-part2： Requirements for city and trekking，young adult，mountain and racing bicycles[S/OL].[2022-04-01].https：//www.iso.org/standard/68260.html.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.自行車安全要求：GB 3565—2005[S]. 北京：中國標準出版社，2005：5—17.

[3] 鄧星鐘.機電傳動控制（第三版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.