自行車、電動自行車車架振動試驗說明

前言

中國是自行車的生產和銷售大國之一，更是全球電動自行車生產和銷售第一大國。自行車、電動自行車充分滿足了人們短途出行的需求，電動自行車更是成為外賣配送活動強有力的助力工具，給人們日常生活提供了極大便利。據2020年中國自行車產業大會披露的數據，2019年中國自行車保有量近4億輛；同時據智研咨詢整理的數據，2021年中國電動自行車保有量達3.25億輛，且近年呈現持續上升趨勢。行業快速發展，產品質量更需強有力保障。

自行車、電動自行車的定義參考國標GB 3565—2005和GB 17761—2018，兩者都屬于道路交通工具的非機動車輛，在其主體結構中，車架起主要承載作用，因此車架品質好壞是決定車輛承載力、穩定性和耐久性優劣的關鍵要素。在自行車、電動自行車質量確認和檢測過程中，車架振動試驗無疑是車架質量評價的關鍵試驗。車架振動試驗模擬了車輛在實際騎行過程中可能遇到的最為劇烈、高頻的振動場景，以保障車輛在行駛過程中車架機械性能的可靠性和穩定性。自行車、電動自行車車架振動強度試驗目前采用的方法標準為QB 1880—2008《自行車 車架》，標準的6.2.2車架振動強度章節也給出了振動計算公式，但是，一些讀者及試驗人員對計算公式的表達、表述及公式的來源還存在困惑，本文即針對振動強度試驗展開討論。

1 振幅加速度公式分析討論

QB 1880—2008《自行車 車架》的6.2.2 車架振動強度章節給出了振動計算公式：

式中：——自由落體加速度，按表1的數值代入；

——半振幅，單位為cm；

——振動頻率，在6.6～10 Hz，但應避免其共振頻率。

表1 QB 1880—2008《自行車 車架》自行車車架振動試驗條件[1]

基于上述兩點疑問，本文從振動的原理入手進行了理論推導和確認，具體如下：

按照QB 1880—2008《自行車 車架》的“圖19自行車車架振動示意圖”的圖示和振幅加速度公式，我們用來表示圖示的半振幅（見圖1）。

圖1 自行車車架振動裝置示意圖

自行車車架振動的試驗方式為車架按要求加載后，前軸作為振源，做豎直直線往復振動，這個振動模型從物理上來說屬于簡諧振動模型。接下來，我們按照簡諧振動模型進行公式推導。

簡諧振動的加速度公式：

式中：——簡諧振動加速度，單位為m/s；

——簡諧振動振幅，單位為m；

——簡諧振動角速度，單位為rad/s；

φ——簡諧振動初相位，單位為rad。

由于三角函數取值范圍為-1～1，簡諧振動的加速度最大值應為：

根據角速度的定義，我們可知：

式中：——簡諧振動頻率，單位為Hz。

使用2替代，我們能夠得到簡諧振動的加速度最大值：

這里需要注意簡諧振動振幅的定義（見圖2）：

圖2 簡諧振動振幅的時間曲線圖

簡諧振動的振幅為與平衡位置的最大位移，而QB 1880—2008《自行車 車架》定義的振幅2為振動的最高點和最低點的距離。因此2實際上等價于2，即=。我們將其代入公式3得到簡諧振動的加速度最大值：

我們用自由落體加速度的倍數最大值（G）來表示簡諧振動的加速度最大值，即：

式中：——自由落體加速度的倍數最大值，量綱為1；

——自由落體加速度，單位為m/s；

——簡諧振動頻率，單位為Hz。

我們對公式5進行計算：

我們將重力加速度值代入公式6，并進行單位換算，即半振幅，單位為cm：

式中：——自由落體加速度的倍數最大值，量綱為1；

——簡諧振動頻率，單位為Hz；

——QB 1880—2008《自行車 車架》定義的半振幅，單位為cm。

我們對比QB 1880—2008《自行車 車架》里面的公式，可以得出如下結論：

實際上應為自由落體加速度倍數的最大值，是一個無量綱量，或者說量綱為1。按照上文表1所述，其值應為2（男式自行車、載重自行車）或1.8（女式自行車）。

在QB 1880—2008《自行車 車架》振幅加速度的公式中，和、的關系是正確的，但是中間步驟因為少了圓周率π的關系，出現了異議。

“±”實際上代表的是加速度的方向，即表示正向加速度最大倍數和負向加速度最大倍數。

2 設備參數確定

自行車、電動自行車車架振動試驗機振源結構為電動機驅動的偏心輪帶動車輛前軸做豎直直線往復運動，振動試驗機的振幅與偏心距和電機軸徑向跳動成正比。根據上文表1對振動頻率6.6～10 Hz的要求，我們取=2時，計算可得對應的半振幅為0.50～1.15 cm，當電機軸徑向跳動為常數時，可以認為偏心輪偏心距介于0.50減去電機軸徑向跳動值與1.15減去電機軸徑向跳動值之間，單位為cm。當然，實際的情況比理論狀態復雜得多，影響因素也更多，如頻率示值誤差等。因此，通常振動試驗機的偏心距可以設置為0.50減去電機軸徑向跳動值與1.15減去電機軸徑向跳動值之間的一個數值，通過設備校準，在最大振動加速度為2 g時，確認對應設備振動頻率值，以此頻率值作為日常試驗振動頻率。為了保證數據可靠性，校準過程建議采用負載模式進行。

對于=1.8的情形，我們可以按照上述方式確認偏心距和試驗振動頻率，偏心距介于0.45減去電機軸徑向跳動值與1.03減去電機軸徑向跳動值之間，單位為cm。當一臺設備同時兼顧女式自行車和其他類型自行車時，該設備可以取0.50減去電機軸徑向跳動值與1.03減去電機軸徑向跳動值之間的數值，通過設備校準，分別獲得兩個加速度情形下對應的試驗振動頻率值。

3 結束語

本文通過理論計算對自行車車架振動試驗的振幅加速度公式進行了驗證，指出了公式書寫和注釋方面的問題，并予以相應解釋，為設備參數狀態調整提供了理論基礎。設備在實際使用過程中，影響因素多于理論情況，仍需要通過校準手段來確認設備的試驗振動頻率設定值，且為了減少偏差，提高試驗可靠性，校準過程建議采用負載模式進行。