電動(dòng)自行車車架失效分析及改進(jìn)方案

　　幾年來，電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)有了空前發(fā)展。近年電動(dòng)自行車新品迭出，其中不乏有經(jīng)典之作，也有一些遺憾不足之處，電動(dòng)自行車產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)以造型為先，但也應(yīng)充分考慮和保證整車的強(qiáng)度，車架是電動(dòng)自行車的主要組成部分，車架強(qiáng)度在很大程度上決定整車的強(qiáng)度，車架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮騎行舒適、操縱靈活和足夠的強(qiáng)度。筆者由于在檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)從事檢驗(yàn)工作多年，接觸了大量車架在試驗(yàn)過程中的失效現(xiàn)象，也涉及到消費(fèi)者在騎行過程中斷裂而與生產(chǎn)企業(yè)打官司的案例，在此作一些案例分析，與業(yè)內(nèi)人士共同探討。

　　車架失效分應(yīng)力疲勞破壞和應(yīng)變疲勞破壞2種，而經(jīng)統(tǒng)計(jì)目前電動(dòng)自行車車架主要是出現(xiàn)應(yīng)力疲勞破壞，電動(dòng)自行車騎行速度(Tempo)較快，騎行過程中，容易引起顛簸振動(dòng)，加上頻繁的剎車制動(dòng)，產(chǎn)生瞬間的沖擊(Impuise)作用，當(dāng)這種瞬間的沖擊(Impuise)力累積到一定的次數(shù)，如果車架不具有足夠的強(qiáng)度，車架薄弱環(huán)節(jié)就會(huì)失效。

　　提高車架的強(qiáng)度除了在材料方面改進(jìn)以外，更主要的是要從結(jié)構(gòu)和工藝方面進(jìn)行分析和研究，以求設(shè)計(jì)出既能滿足外形設(shè)計(jì)要求，又能滿足強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)方式。

　　目前市場(chǎng)(Rialto)上電動(dòng)自行車車架的結(jié)構(gòu)大致有U型、H型和菱形，而大多數(shù)是U型，U型車架的高應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)有3處：車架下管和前管連接處，車架中接頭、車架下管和車架立管三者連接處，以及車架下管彎管處。主要失效形式有：車架下管接近前管連接處斷裂，中接頭連接處，車架下管或立管接近中接頭附近斷裂，車架下管彎曲處斷裂或塑性變形失效。

　　這種U型車架在設(shè)計(jì)和焊接時(shí)應(yīng)注意：盡可能避免在高危險(xiǎn)區(qū)與管軸線相垂直的截面或截面的某一點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力過度集；在與管軸線相垂直的某一截面圓周方向上應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)連續(xù)的焊縫，這樣會(huì)導(dǎo)致這一截面的強(qiáng)度大幅下降；適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)一些彈性緩沖結(jié)構(gòu)，以利于緩解沖擊(Impuise)力的大小和應(yīng)力增大釋放的時(shí)間，避免剛性沖擊(Impuise)。下面以案例的形式分析幾種典型車架斷裂的原因，并探討改進(jìn)的方法。

　　失效現(xiàn)象：消費(fèi)者在騎行過程中，車架下管、前管和加強(qiáng)筋焊接處頭部邊緣發(fā)生斷裂。從斷裂圓周面上可看到，與加強(qiáng)筋連接處的斷裂面表層光滑，而圓周的對(duì)面斷裂面則粗糙。

　　原因分析：從斷裂面表層的晶粒粗細(xì)可看到，光滑區(qū)為斷裂起始區(qū)，從車架結(jié)構(gòu)來看，下管與加強(qiáng)筋頭部焊接處為應(yīng)力集中處，而應(yīng)力集中處的應(yīng)力實(shí)際上就集中在加強(qiáng)筋頭部這個(gè)焊接點(diǎn)上，在騎行過程中存在應(yīng)力破壞的可能性很大，如果此處截面的強(qiáng)度不足，更容易早早斷裂，經(jīng)測(cè)量該車架的管壁厚度僅為1.5mm，單彎梁女式車架下管管壁厚度正常應(yīng)為2.0-2.5mm左右。

　　改進(jìn)方案：將加強(qiáng)筋由鋼板型結(jié)構(gòu)改為槽鋼型結(jié)構(gòu)，焊縫為沿管材軸線方向，槽鋼兩側(cè)面邊緣，此方案雖然沒有改變應(yīng)力集中的位置，但在截面圓周上，加強(qiáng)筋頭部的焊接點(diǎn)由原來的一點(diǎn)變成兩點(diǎn)，在同樣的沖擊(Impuise)載荷下，每一焊接處的應(yīng)力，將比原來一個(gè)焊接點(diǎn)的集中應(yīng)力大大降低。