自行車新國標GB 3565—2022疲勞強度解讀與試驗探討Interpretation and Test Research of Fatigue Strength in the New Standard GB 3565—2022 for Bicycles

錢烈輝　張皓羽　陶澤成

摘要：此文對新國標自行車安全要求GB 3565—2022中五大關鍵部件的疲勞強度規定與舊標準做分析解讀，并對實現加載動態力的各類參數對疲勞失效的影響和實現做分析與探討。

關鍵詞：疲勞強度；循環動態力；GB 3565

0? ? 引言

2022年，中國自行車電動自行車規模以上企業營業收入2 100億元，同比增長3%；實現利潤超100億元，同比增長20%以上。由此可見，我國自行車產業發展仍處于世界生產與銷售的大國地位。產品的升級換代與消費群體的更迭將帶動中國自行車產業的新一輪發展。

2022年年底，自行車安全要求GB（/T）3565—2022的9個標準相繼正式發布，新國標GB 3565的水平與國際標準同步，同時結合國內實際增添了共享單車的安全要求，繼續為我國自行車產品安全提供技術支撐。其中，GB/T 3565.1—2022于2023年8月1日起正式實施，其他部分將于2023年10月1日起正式實施。

1? ? 新國標關鍵部件疲勞強度分析與解讀

此次新國標修訂最大的變化點是加強了對自行車關鍵部件的疲勞強度的要求。作為自行車安全性能的重要考核指標，疲勞性能一直是行業關注的重點。自行車的五大關鍵部件：車架前叉組合、車把、鞍座與鞍管、鏈輪曲柄、腳蹬，都是承受騎行者運動荷載的重要部件，對這幾個關鍵部件的疲勞強度的要求也是保證整車安全的關鍵。

疲勞失效是指部件的材料在重復或交變應力作用下，所受交變應力在多次循環后，在某些部位由于內部的晶體變化出現微裂紋，并持續擴大，達到某個臨界點出現突然斷裂現象。這種斷裂一旦在自行車部件中發生，往往將導致災難性的人身傷亡事故。統計分析顯示，在汽車零部件的破壞中，85%是由疲勞失效引起的；在航空工程中，60%～80%的斷裂是由結構材料的疲勞破壞引起的。疲勞失效對于自行車安全性的影響也同樣如此[1]。

新國標采用國際標準ISO 4210—2014版要求，相對于2005版有較大變化，甚至部分項目有顛覆性的變化，這將對我國目前自行車內銷市場產生非常大的影響。

新國家標準疲勞項目的變化如下（見表1—表5）。

a.? ?新增加疲勞項目6個

增加的項目分別是車架腳蹬力、車架水平力、車架垂直力、車架耐振強度的4個疲勞強度和前叉盤閘/碟剎座的疲勞強度，以及鞍座與鞍管夾緊裝置的疲勞強度。

自行車車架作為整個自行車的最核心的部件，承受著騎行者的全部質量（重量）和運動產生的動載荷，力值大且受力分量復雜，舊標準中僅僅是沖擊強度已不能體現實際使用中的路況。因此新修訂的標準更加科學。

新國標重視前叉盤閘/碟剎座的疲勞強度，針對目前自行車廣泛使用碟剎和盤閘，頻繁剎車對固定座反復施力易導致固定座失效這一現象，增加了一個考核指標，強化了車架在制造中對該部件的關注和安全考量。

鞍座與鞍管夾緊裝置新增加疲勞強度，是模擬騎行上下顛簸時使用者體重對鞍座的疲勞加載試驗，也是一個關系騎行者安全的項目。

b.? ?修改疲勞項目5個

修改的項目主要是車把、曲柄、鞍管疲勞試驗力的修改與循環次數調整，部分是動態力的方向和加載位置的改變，如改變車把疲勞分類標準，增加疲勞力和循環次數；增加前叉疲勞循環次數，并且增加疲勞試驗后的沖擊測試；在腳蹬的動態耐久試驗中，增加負荷并下降試驗次數到原來的1/10。

c.? ?修改測試頻率

新版GB 3565—2022要求，疲勞測試的力應當被逐步施加和釋放，頻率不超過10 Hz；舊版GB 3565—2005要求，頻率不超過25 Hz。這說明了動態力頻率更加貼近實際。

d．新增加測試環境的說明

測試時，塑料件在溫度為23℃±5℃的環境下放置2 h，然后在此溫度下進行測試。之前標準對此未做規定，這個項目主要針對鞍座塑料部件。

2? ? 試驗循環動態力的分析與實現

標準中規定的動態力的準確加載是新國標試驗方法的關鍵部分。動態力是2015年新增的計量術語，指隨時間變化的力，包括循環力、隨機力和沖擊力等，在這里討論的動態力是指循環力。

循環動態力的主要參數有：頻率、幅值、波形、應力比、循環次數。部件在動態力作用下各部位均發生了相應的應變，應變導致材料內部產生應力，材料疲勞失效主要來自材料內部的應力。

本研究具體討論循環動態力的參數對部件疲勞失效的貢獻度。在標準中，條款對動態力做明確的峰值的要求和循環次數的要求，其他的參數是隱含的。

2.1? ? 循環動態力的幅值的影響與控制

為了研究動態力對材料失效的影響，依據改變應力的方法，本研究把動態力按振幅變化情況分為變幅循環動態力和恒幅循環動態力。

變幅循環動態力是非穩定的循環動態力，應力和變化幅度都隨時間周期性變化；恒幅循環動態力的力值振幅是恒定的，標準中主要涉及的是恒幅循環動態力，即穩定變應力，是應力隨時間周期性變化，變化幅度保持常數的情況。

恒幅循環動態力分為對稱循環動態力（應力比r等于-1，見圖1）、 脈動循環力（應力比r等于0，見圖2）、非對稱循環動態力（應力比r不等于1，見圖3）。當r=1時，就為靜態力了（見圖4）。

根據加載動態力的性質，自行車疲勞項目中單個力源的動態力性質分類如表6所示。

標準規定了測試循環力的峰值，這是最重要的參數，也是對材料疲勞失效貢獻最大的因子。

在循環動態力的力值控制方面易出現以下問題。

a.目前，實現循環動態力采用的方式是：將氣動系統、液壓系統以及電子作動缸系統作為加載力源。而在控制力的大小方面，測試技術均已采用了閉環控制，將力傳感器作為峰值監測的主要工具。但問題在于，試驗機制造商在選擇動態力監測的傳感器時，經常關注的是傳感器的靜態特性，忽略了傳感器的動態響應特性，因此采用了不符合要求的傳感器。

b.在力值控制中，脈動循環動態力的要求不能完全實現。在標準中，力值加載到預定峰值后需要力值完全卸載，也就是脈動循環動態力歸零，但實際上，許多試驗設備出現了加載力源卸載遲滯現象，加載力不能及時清零，導致脈動循環動態力（見圖5）曲線上移，變成了非對稱循環動態力（見圖6），應力比變小，不符合標準的要求。其主要原因來自于加載源的頻率響應特性，在氣源加載和油壓加載源中主要是由于伺服流量閥的響應頻率低于測試動態力加載頻率所導致的。

2.2? ? ?循環動態力的波形影響與控制

新國標對循環動態力沒有明確要求波形，但指出了“疲勞測試的力應當被逐步施加和釋放”，實際要求理想的加載力是正弦波（見圖7），不應有加載沖擊或是力值階躍現象，而應實現加載正弦波的控制，使氣缸或油缸的氣源或壓力油壓穩定，伺服閥流量控制精度穩定。

此外，新國標在動態力達到峰值點的保持時間上沒有規定，即達到力值后立即卸載而不需要保持載荷，那曲線就是正弦波，如果保持荷載波形就會變成駐波（見圖8），實際上這對試樣的影響是不同的。

2.3? ? 循環動態力的頻率影響與控制

根據材料學的數據，沒有證據表明頻率對疲勞失效存在大的相關性。所以在此次標準修改中，根據實際載荷情況，新國標將試樣頻率不大于25 Hz修改為不大于10 Hz。在實際試樣中，由于車架、鏈輪曲柄、鞍座的剛性較差，在加載到標準要求的幅值時，位移量都比較大，加載頻率就比較難提高，一般控制在1 Hz～2 Hz。

而車把、鞍管剛性好，在加載到峰值時，變形小，相對頻率就可以提高。

3? ?總結

新國標的修訂對五大關鍵部件的強度要求提高到了一個新的高度，需要自行車生產企業在產品設計、生產中必須重點考慮，而市場監督檢測機構對試驗設備的準確性與力值加載的可控性需要重新審視。

參考文獻

[1] 范海艇，邱正，屠淳，盧小犇.自行車疲勞試驗機關于動態力值的在線校準方法研究與誤差分析[J]. 中國自行車，2017（7）：96-99.

[2] 國家市場監督管理總局.自行車安全要求：GB 3565.2—2022 [S].北京：中國標準出版社，2022.