自行车车架疲劳测试要求合理性评价

许斌 李桂景 骆海清 刘慧

昆山海关(原昆山出入境检验检疫局)江苏昆山215300

1 自行车车架的主要功能及其测试演变

1.1 自行车车架介绍

自行车车架作为整个自行车的骨架，是自行车最核心的部件，主要体现在自行车的其他零部件都以一定方式直接或间接安装到车架上。因此车架同自行车的操纵性、耐用性、骑乘舒适感有着最直接的联系。作为其他所有零部件的载体，车架同时也是自行车最主要的受力部件之一，主要体现为受力力值较大，同时受力情况比较复杂。车架在自行车骑行过程中，受到了多方面力的综合作用。

1.2 自行车车架检测技术的沿革和发展

自行车车架的测试技术伴随着自行车材料、设计和用途的变化和行业对于产品认识的提升不断地发展。在早期，车架主要以振动方式进行测试。在振动测试过程中，对车架的各个部分加载一定质量的砝码，然后在轮轴位置施加一定频率和振幅的振动，经过约定的振动次数后确认车架是否有损坏。车架振动测试存在的最主要问题是测试同实际使用存在较大不一致，测试失效位置往往同实际使用过程中失效位置不一致。因此车架振动测试在一定程度上无法体现车架的实际质量情况。

经过分析各类自行车在典型使用条件和方式下的车架受力情况，欧盟标准委员会首先提出了按照实际使用受力情况对车架施加循环应力进行疲劳测试的方法，用以取代振动测试。该方法同实际使用失效情况较为一致，因此被认为是一种比较有效的方法。世界多个国家和地区在本国(本地区)自行车标准后续修订中都跟进采用该方法。2014年，ISO 4210《自行车两轮自行车安全要求》标准进行了大规模的更新，新ISO 4210也采用了车架疲劳测试。作为获得世界各国普遍接受的自行车安全标准，ISO 4210新标准代表了世界主要国家和地区统一自行车标准的方向，因此可以认为对于车架的疲劳测试已经获得了世界主要市场的认可。

本文通过对最新ISO 4210标准中的车架疲劳测试项目与自行车实际使用情况下自行车车架受力的比对，探讨自行车车架疲劳测试项目设置的合理性以及可能的提升和改进。

2 自行车车架疲劳测试的设置目的和技术要求[1]

2.1 疲劳测试的设置目的

在ISO 4210标准中对自行车车架设置了脚蹬力、水平力和垂直力的疲劳测试要求，这3个测试对应的自行车实际受力情况如表1所示。F1脚蹬力；F2水平压向力；F3水平拉向力；F4垂直力。

表1 自行车车架疲劳测试项目同实际使用受力的对应关系

2.2 疲劳测试的技术要求

图1 车架脚蹬力疲劳测试

ISO 4210标准给出了表1中3个测试项目在车架上施加负载的位置和方向，并依据相关车型对应使用人群和使用条件对车架设定了不同的测试要求(力值和循环次数)。

2.2.1 车架疲劳测试的负载施加位置和方向

在ISO4210中对于所有车型车架的某个疲劳测试在负载施加的位置和方向均一致。对于表1中3种疲劳测试的负载施加位置和方向如图1～图3所示。

图2 车架水平力疲劳测试

图3 车架垂直力疲劳测试

2.2.2 车架疲劳测试的负载力值和循环次数

在ISO 4210标准中，对于不同车型车架的疲劳测试的负载和循环次数，测试要求如表2所示。

表2 车架疲劳测试要求

3 自行车车架疲劳测试和实际使用应变应力比对

3.1 应变应力采集方法

为了分析和比对ISO 4210标准对于自行车车架设置的疲劳测试项目同实际骑行的受力情况，本文使用45°应变花采集测试和实际骑行过程中车架受力产生应变和应力，以此为基础对二者进行比对[3]。

在自行车车架的疲劳测试过程中，各类疲劳测试都有发生疲劳失效的典型区域，如图4所示。对于脚蹬力测试而言，失效部位一般在车架下管和上管位置，典型区域为图4中的2、3和4区域；对于水平力测试而言，失效部位一般在车架下管或上管靠近头管附近，典型区域为图4中的2和3区域；对于垂直力测试而言，失效位置一般在车架座管上半部分，典型区域为图4中的1区域。在本文中，使用山地车作为研究对象，在上述区域中选定比对的应变和应力采集点[4]。

图4 车架应变应力采集区域

3.2 车架疲劳测试的应变和应力

根据上述给出的车架疲劳测试方法和要求，按照图4区域进行应力应变采集，采集到的应变和应力如表3中数据来源为测试的项目所示。

对于脚蹬力而言，其负载形式为大小相等的力交替施加在左右脚蹬上，但是因为车架结构的不完全对称，以及测试夹具的不对称，本文中将脚蹬力的左右负载看作两个力进行采集和比较。对于水平力，本文将负载看作拉压两个力。对于垂直力，则作为一个力。

表3 山地车车架疲劳测试和实际使用的应变和应变值(主应力和剪应力单位:MPa)

3.3 实际使用过程中的应力和应变

3.3.1 实际使用状态构造

根据表1可知，实际骑行过程的某些使用状态下车架受力同测试存在可比性。因此本研究根据车架疲劳测试类型对车架构造实际的骑行状态，以进行相应的应变应力采集和比对。

为了同测试一致，本研究中约定骑行测试人员和自行车重量为100 kg(人员体重约88 kg，车身重量约10 kg，不足部分使用人员背负重物进行配重)。

按照表1给出的对应关系，一般认为脚踏力疲劳测试模拟骑行人员在脚蹬的踩踏对车架产生的作用力，一般认为在启动、爬坡以及冲击阶段骑行人员离开鞍座，将全身力量压在自行车脚踏上进行踩踏对车架踩踏力作用最大。本研究中使用自行车阻尼器为受试车辆后轮提供阻尼，模仿骑行过程中自行车受到的阻尼，使得测试人员可以离开鞍座站立在自行车脚踏上进行冲刺踩踏。

对于水平力疲劳测试，可以认为测试由两个负载构成，其中向后的水平力一般认为是自行车进行制动过程中，轮胎受到制动力作用，通过前叉传递给车架的作用力，对此，本研究设计了骑行过程中的单前闸制动。对于向前的水平力，认为是由自行车在高处(例如台阶、障碍物等)落到较低地方，前轮受到冲击力经过前叉传递到车架的作用力，对此，本研究设计了约定重量的自行车及骑行人员从台阶冲下落地。

对于垂直力测试，一般也被认为是由自行车在高处(例如台阶、障碍物等)落到较低地方，人员体重通过鞍座鞍管传递到车架的作用力，对此，本研究设计了同向前水平力测试相同的冲下落地方法。

3.3.2 车架的实际使用应力应变采集

按照同车架疲劳测试应变应力采集的相同采集点在车架上粘贴应变花，依据3.3.1中构造的骑行条件进行应变应力采集，通过骑行取得的应变应力情况如表3中数据来源为实际骑行的项目所示。

3.4 测试和使用过程中车架应变和应力比较

通过采集车架的疲劳测试和实际骑行状态下的应变和应力情况，可以对ISO 4210设定的车架疲劳测试项目进行验证，评价测试方法是否可以覆盖实际使用情况。

3.4.1 脚蹬力比较

对于脚蹬力，本研究对图4中的区域2和4进行了应变应力采集，如表3所示。

在区域4，测试负载对于车架的作用要超过实际骑行。但是测试过程中的左右负载对车架的作用存在非常明显的不对称性，而实际骑行中的左右负载对车架作用的不对称性要小很多，造成上述差异的可能原因是测试使用了刚性治具替代了具有一定柔性自行车链轮和链条，这导致了车架刚性的变化，对车架受脚蹬力产生的应变应力有明显的影响。

在区域2，采集到的左曲柄测试负载对于车架作用产生的主应变1(主应力1)和主应变2(主应力2)的绝对值相差较大，而在实际骑行过程中采集的主应变1(主应力1)和主应变2(主应力2)的绝对值很接近，且实际骑行过程中的应变和应力已经超过了在测试中采集到的应变和应力。这些情况表明，车架在实际骑行过程中，除了左右脚蹬的受力，还同时受其他力作用，这些力使得车架区域2的应力和应变同车架测试不一致。对实际骑行过程中骑行者身体运动分析发现，骑行者在进行踩踏冲刺的时候，为了获得更大的踩踏力以及维持身体的平衡，必须通过握紧自行车车把并施加同踩踏方向相反的力。对于山地车而言，一般车把较长，因此骑行者对车把的作用力会产生一定的力矩，该力矩通过车把和立管传递到车架并对车架上管和下管靠近头管的区域产生明显作用，使得这些区域在实际骑行过程中的应变和应力相对于车架脚蹬力测试应变和应力产生明显的差异。

3.4.2 水平力比较

对于水平力，标准中将水平力分为F2和F3两个负载，分别代表拉力和压力。本研究对图4中的区域2和3进行了应变应力采集，如表3所示。

就车架受到的拉力(F2)进行比较，测试负载产生的应变和应力远超了实际骑行产生的应变和应力，因此在该方向上的测试冗余度较大。

如表3所示，对车架受到的压力(F3)进行比较，测试负载产生的应变和应力小于实际骑行产生的应变和应力，经过数据比较，实际骑行中的受力约相当于测试中受力的1.4倍左右。本研究中使用的样品车辆为山地车，其配置的车闸为碟刹，这类刹车的最主要特点是制动性能较好，可以在很短距离内实现制动。根据自行车制动的力学模型，在自行车制动过程中自行车处于重力(自行车和骑行者)、轮胎支撑力(双轮)以及制动力(双轮)的力矩平衡。制动性能较好的刹车会产生较大的制动力，为了维持力和力矩平衡，前轮对于重力的负重比重会从30%左右上升直到100%，资料显示，此时制动力全部集中在前轮，可以达到700 N，并通过轮胎传递到前叉再传递到自行车车架，显然此时实际骑行的车架因为力值(实际:约700 N，测试:600 N)和力臂(实际:前叉长度+轮胎半径，测试:前叉长度)均大于测试设定值，造成了车架实际受力超过了测试设定。

3.4.3 垂直力比较

对于垂直力，标准规定负载为F4。本文对图4中的区域1进行了应变应力采集，如表3所示，实际骑行对车架作用超过了测试设定值。对于山地车而言，一般认为是一种在非公路上骑行的自行车，因此可能会面临颠簸的路况，因此人坐在鞍座上时会对车辆产生明显的冲击，该冲击力已经超过了自行车车架垂直力测试设定的1 200 N的测试负载。

4 自行车车架疲劳测试项目评价和改进建议

根据3.4节的比较结果，可以对ISO 4210设定的车架疲劳测试项目进行评价，同时对于测试和实际使用存在不符合的，也可以基于比对结果给出可能的改进方案。

4.1 对于车架脚蹬力疲劳测试

标准给出的测试方法造成车架头管附近部分的受力明显同实际骑行不一致，可以通过进一步测试确定在自行车头管上使用特定的治具施加一定的负载用于对头管附近部分车架受力进行补充。

同时脚蹬力测试使用的刚性治具明显改变了车架的结构刚性，造成了左右负载的不对称，因此有必要对治具进行一定的修改，例如使用链条替代图1中的刚性连接杆6(该杆替代实车中的链条)，修改图1中的立臂治具4(用来替代实车中的链轮和曲柄)刚性，使得左右负载对于车架的作用趋向实际使用情况。

4.2 对于车架水平力疲劳测试

标准给出的拉向力远远的超过实际骑行的受力，可以充分保证车架在水平拉向的安全性。但是标准给出的水平压向的测试力则小于实际骑行的受力，测试无法保证车架在该方向上的安全性。对于该情况，可以选择的修改方法有两种，一种是在保持测试设备不变的情况下，考虑车轮半径同前叉长度关系的情况下增加在水平压向的测试力；另外一种是修改测试设备，保持水平压向力不变的情况下，设备可以将施力点到车架的力臂调节为考虑实车前叉长度+轮胎半径，同时考虑适当缩小水平拉向的力，使得测试可以同实际骑行受力一致。

4.3 对于车架垂直力疲劳测试

标准给出的测试负载小于实际骑行受力，因此标准给出的测试方案无法充分保证车架垂直受力的安全，需要进一步在车辆对应的使用环境内进行实际骑行，确认实际骑行中车架在垂直方向的受力情况并对标准设定要求进行修改。

5 结论

本文基于ISO 4210标准提出的车架疲劳测试方法和车架在实际使用过程中的受力情况，采用应变花进行应变和应力采集的方法获取车架受力数据，并对二者进行分析比较，对标准设定测试要求的合理性进行了评价。通过比较显示，ISO 4210中对车架疲劳测试设定的3个测试项目同自行车车架实际骑行受力存在不一致，无法完全覆盖自行车实际受力情况，按照ISO 4210测试的车架，在某些骑行条件下无法完全保证使用安全。同时本文也给出了测试项目(包括测试设备)的可能改进意见。本文对于提升车架疲劳测试的有效性和准确性有一定的借鉴意义，可以用于ISO 4210标准的修订以及相关测试设备的改进。