折叠电动自行车车架优化设计

王润东

摘要： 随着电动自行车的普及，体积小、质量（重量）轻、方便攜带的折叠电动自行车深受消费者的喜爱，折叠电动自行车的安全性就显得尤为重要，尤其是对折叠车架的强度要求。此文按照国家标准GB17761—2018《电动自行车安全技术规范》，国家轻工行业标准QB1880—2008《自行车 车架》的规定，基于折叠车架的结构原理和长寿命折叠车设计理念，简要地介绍了折叠电动自行车车架的优化设计。

关键词：折叠车架;补强;折叠器;安全钩

随着人们绿色环保意识的增强，电动自行车逐渐普及，据有关资料显示，目前，电动自行车市场保有量超过3亿辆。近年来，电动自行车的功能也由原来的单一代步向休闲、运动、健身及代驾等转化。作为小轮径的折叠电动自行车，其以骑行舒适、体积小、质量（重量）轻、便于携带、占用空间小的优点，越来越受到消费者的青睐，目前已成为电动自行车的消费市场的重要品类，市场份额越来越大。

折叠电动自行车的特征是折叠车架在主管中央和把立处安装折叠盒。因此，限制了车架形状，其形状通常以H形、U型居多（如图1所示）。

由于电动折叠自行车车架结构的限制和电动折叠自行车常常用于运动、健身，代驾等，经常出现电动折叠自行车车架断裂现象。研究电动折叠自行车车架结构优化设计，开发长寿命、高耐振性的电动折叠自行车势在必行。

目前行业内，折叠电动自行车执行GB17761—2018《电动自行车安全技术规范》国家标准，车架机械安全实验方法之一是测试车架/前叉组合件振动强度[1]。通常执行QB1880-2008《自行车 车架》标准，即：在车架将电机、电池、控制器按实际位置组装完成后，分别在前管部位加载荷49 N，鞍管部位加载荷490 N，中轴部位加载荷196 N，共计735 N;振动的次数10万次，加振部位的加速度19.6 m/s（如图2所示）[2]。

根据多年的经验，能够满足运动健身、代驾需求的电动折叠车车架耐振性测试应该是加载荷90 kg，振动次数10万次以上。为满足此要求，通过实验了解车架各部的应力状态。将车架不同的部位贴应变片，分别为A片、B片、C片、D片、E片、F片。分别在前管部位加载荷10 kg，鞍管部位加载荷60 kg，进行中轴耐振性试验（如图3所示）。

测试数据如表1。

测试结果表明，电动折叠自行车在耐振性试验时，其车架不同部位的应力分布是不同的，而受力最大处是A、D断面。测试结果为我们研究电动折叠自行车车架结构优化设计提供了依据。

1    不等壁电动折叠自行车车架设计

利用不同管壁的管材设计等强车架是车架结构优化的方法之一。设计等强车架是将车架内受力大的部位（A片处和D片处）管材壁加厚，根据以往的经验，D处通常设计壁厚为2.5 mm。根据等强原理，而B片处和C片处的壁厚为74.6×2.5/98.6≈1.9 mm;E片处和F片处的管材壁厚为60.5×2.5/98.6≈1.6 mm。通过上述结构优化设计，既满足了车架强度要求，同时减轻了车架质量（重量），提高了产品的技术含量。

2    电动折叠自行车车架局部补强设计

在前面的实验中，在A、D断面受力最大处是车架主管的下方（D片处），这样通过管材断面加厚会造成工艺复杂，车架成本增加。为提高受力点的强度通常采用局部补强（如图4所示）。

由于采用局部补强，车架D片处管材壁厚由2.5 mm减少为2.3 mm。经测试，减少管材壁厚采用补强方式，车架也通过了载荷为90 kg、10万次的耐振实验。

3    补强管方式的优化设计

为了研究补强管的方式，我们先看两个实验的结果。当补强管是直管时，应变片显示的数据是91.1 N/mm2 ; 当补强管是弯管时，应变片显示的数据是76.3 N/mm2（如图5所示）。

由此可见，补强管的形状也会影响车架的受力状态。因此在电动折叠自行车车架设计中，通常采用弯管补强。通过采用了弯管补强，大大提升车架耐振性，满足了载荷为90 kg、10万次的耐振实验。

4    折叠器凸凹槽设计

折叠器设计通常采用四连杆锁紧机构或凸轮锁紧机构，该机构共同特点是：在锁紧车架时，过始点后折叠器会有少量回弹。此外锁紧车架时，仅靠折叠器转轴和快锁连杆锁紧，由于转轴存在间隙，导致在耐振实验或骑行时会有折叠器前部和后部串动摩擦产生，直接影响折叠自行车车架的强度。为了改变这种现象，在折叠器的设计时采用在折叠器前部设计有凸台，在折叠器后部设计有凹槽（如图6所示）。电动折叠自行车车架折叠器在锁紧时，通过凸台和凹槽的作用，就不会产生折叠器前部和后部串动摩擦，大大提升了折叠自行车车架强度。

5    折叠器自动安全锁紧结构设计

折叠自行车为使用安全通常设计安全钩（如图7所示）。

该结构需要在车架上焊接安全钩固定座，因焊接应力的作用，在电动折叠自行车车架的耐振性试验和使用过程中经常出现在此处断裂现象，影响车架强度。为解决这一问题，可采用折叠器自动安全锁紧结构设计（如图8所示）。

该结构是通过在推块上安装的碰钩和折叠器上的固定碰钩相互作用，达到锁紧功能。再通过推块后端安装的弹簧，在弹簧的作用下实现自动锁紧。

通过上述研究并采取综合的技术方案，大大提升了电动折叠自行车车架的强度。

6    结束语

关于电动折叠自行车车架的长寿命优化设计，不仅仅限于折叠自行车车架强度的寿命，通过对车架强度耐久性的调查研究和计算机解析法在车架设计中的不断应用，我们了解了各种形状的车架在实际测试中变弱的位置，采用补强的方式极大地提高了车架的强度，延长产品的使用寿命。针对电动折叠自行车构造复杂化、多样化的特点，采用计算机分析的方法并不能完全满足车架的长寿化设计要求，还需要依赖于各方面的技术提升和支持。

参考文献

[1]中华人民共和国工业和信息化部.电动自行车安全技术规范：GB 17761—2018[S/OL].[2018-05-15].http：//c.gb688. cn/bzgk/gb/ showGb？type=online&hcno=72969DAA3DA5795AD2163528FF57166C

[2]中国轻工业联合会.自行车车架：QB 1880—2008[S].北京：中国轻工业出版社，2008