电动自行车车架材料轻量化及制造加工工艺的应用研究

肖磊 杨丽 李世隆 高党寻 耿娜 何紫齐

摘要：电动自行车作为重要的交通工具之一，随着现代制造技术的不断发展，以及綠色环保低碳的要求，在其未来发展中将逐渐朝着轻量化方向发展。电动自行车在提高安全性能的同时，材料轻量化及制造工艺的改善是实现电动自行车行业发展的关键点。此文对当前电动自行车材料轻量化发展现状及趋势进行了分析，探讨了电动自行车车架材料轻量化制造工艺，综述了轻量化领域中新材料、新工艺的最新研究进展，总结了目前国内外研究的热点、难点问题。此文基于目前的研究现状，提出了电动自行车车架轻量化技术的发展趋势，旨在促进行业轻量化发展，为行业生产制造提供参考。

关键词：电动自行车；材料轻量化；车架；制造加工工艺

0    引言

随着“中国制造2025”的不断发展，以及国家倡导绿色环保低碳的生产生活方式，人们对电动自行车制造业提出了更高的要求，希望其在具有高质量、高可靠性的同时，还能够在原材料消耗及能源消耗等方面进行全面有效的控制[1，2]。

中国自行车行业经历了由小到大、由弱变强的发展，如今行业正经历转向高质量发展的变革[3-5]。近年来，随着我国电动自行车保有量的不断增加，电动自行车产业面临着严峻的原材料消耗问题及能耗问题，当前行业要可持续发展，需要适应制造业转型升级的要求，车架材料轻量化就是在保证电动自行车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低电动自行车的整车材料消耗和能源消耗，进而提高电动自行车的动力性、安全性等综合性能，从而达到低碳节能减排的目标[6]。

1    车架材料轻量化发展及应用现状

2019年4月15日，电动自行车新国标GB 17761—2018《电动自行车安全技术规范》开始正式实施，新国标中规定了装配完整的电动自行车的整车质量（重量）应小于或等于55 kg。伴随着新国标的实施以及新材料技术的进步，铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维和树脂复合材料以及高强度钢等新型材料，因质量（重量）轻、结构强度高、耐腐蚀、外观漂亮等优点，逐渐替代自行车原有的铁制车身，在自行车行业中获得大量应用[7]。高强度新型材料的应用，在质量（重量）减轻的条件下，保持了整体车身的机械性能。未来，新型材料在自行车上的用量将会继续增加。图1为浙江绿源电动车有限公司典型的电动自行车车架。

1.1    铝合金和镁合金材料

铝合金和镁合金车架具有质量（重量）轻、塑性好的特点，与钢铁材料相比，其热导率更高，并且具有良好的抗腐蚀性和尺寸稳定性等优点，且实际加工成型容易，是当前发展比较成熟的车架轻量化材料。同时，镁合金具有优异的变形及能量吸收能力，用于与人体直接接触的部件时可以加强使用的舒适度。因此，铝合金和镁合金已作为结构部件广泛应用于电动自行车车架部件[8]。虽然铝合金和镁合金的强度要低于钢材料，但是利用现代生产技术进行改进后，其强度基本可以达到电动自行车车架轻量化的要求[9]。更为重要的是，铝合金和镁合金吸收碰撞能量的能力高于钢铁材料，极大地改善了电动自行车的使用安全性。增加铝合金和镁合金材料在电动自行车生产制造中的应用范围，是电动自行车材料轻量化发展的重要方向之一。在电动自行车车架制造中应用的铝合金和镁合金材料，主要有铸造铝镁合金与挤压成型铝镁合金两种。

当前阻碍铝合金和镁合金应用的主要原因是经济性问题，因其原材料成本较高，加工设备造价较高，使得制造成本较高。如果铝合金和镁合金在行业中大规模应用，有可能会造成原材料采购的资金压力，从而推高电动自行车整车制造成本。在电动自行车车架的选材中，我们要综合考虑各方面的因素。

1.2    碳纤维复合材料

碳纤维复合材料是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维复合材料具有质量（重量）轻、抗腐蚀性强、产品成型稳定、结构强度高的特点，且防锈和吸震性能好，设计自由性高，可以在提升整车舒适性的同时，起到一定的美化装饰效果。

当前，我国电动自行车车架生产中碳纤维复合材料应用较少，主要受限于价格因素。

1.3    钛合金材料

钛合金具有质量（重量）轻、结构强度高、韧性好、耐腐蚀等特点，近年来越来越多地被应用于高端电动自行车上，是电动自行车高端化的标志。

钛合金材料的应用难点在钛合金的焊接工艺方面。钛合金的焊接对于保护气体的条件要求特别高，少量的N2或O2可使钛合金焊缝接头变脆，因此钛合金的焊接必须采用纯度较高的惰性气体进行保护[10]。

1.4    高强度钢材料

根据屈服强度的不同，钢铁材料分为低强度钢、高强度钢与超高强度钢三种。根据实际测试，在同一正常环境中，低强度钢的屈服强度在210 MPa以下，而高强度钢的屈服强度则高于220 MPa，低于550 MPa；当钢材料的屈服强度高于550 MPa时，则其为超高强度钢。根据强化机理的不同，高强度钢分为普通与先进两种。

高强度钢材料是在电动自行车车架中应用较多的材料，高强度钢材料在等级相同的情况下，能够对钢板的厚度进行调整和控制，从而实现减轻整车车身质量（重量）的目标。其中，普通高强度钢材料主要包括碳锰钢（C-Mn钢）、烘烤硬化钢（BH钢）、高强度无间隙原子钢（HSS-IF钢）和高强度低合金钢（HSLA钢）等材料；先进高强度钢材料主要包括贝氏体钢、复相钢、热成型钢等材料。随着钢铁冶金技术的不断发展，高强度钢材料在电动自行车车架中的应用越来越多，但仍旧存在一些技术性难题，影响其应用。如伴随着钢材料的刚性和强度的提升，其成型性能会下降，并且也会降低其伸长率，难以有效控制高强度钢成型与焊接性能，极大地增加了材料的加工难度，制造工艺也难以达到理想要求。虽然，目前我国在独立生产高强度钢的技术领域取得了一定的突破，但仍旧与世界先进技术水平存在一定的差距。

2    轻量化制造加工工艺的应用现状

自行车车架的发展在朝着高强度轻量化的方向前进的同时，也对制造加工工艺提出了更高的要求。

2.1    机器人焊接工艺

电动自行车产品的生产过程很难离开金属结构件的焊接。近年来，随着车架各种结构件的设计升级以及高端车型的个性化设计，焊接的需求量越来越多，这对于车架钢结构的焊接效率提出了更高的要求。传统车架焊接方法多采用手工焊接方式，存在工人劳动强度大、生产效率低、焊接质量不稳定等问题，因此对于电动自行车车架的焊接，迫切需要自动化且焊接工艺成熟的焊接方法来解决上述问题。相关人员通过自动化的车架焊接机器人设备，对车架焊接工艺进行合理规划，可以实现机器人自动化焊接。机器人焊接质量取决于机器人自身精度、弧焊包的功能、原材料质量、下料精度、组对精度和工装夹具的合理设计。相关人员通过合理设计机器人焊接路径规划，让焊接工艺与机器人焊接路径、姿态达成匹配，能够达到焊缝质量要求，并解决以往复杂工件焊接质量和效率不高的问题。见图2。

例如，浙江绿源电动车有限公司车架生产车间采用自动化焊接机器人进行车架焊接生产，机器人重复定位精度可达±0.1 mm，在实现高效率的同时保证了焊接质量的稳定性，为企业产品质量提供了保证。见图3。

2.2    激光焊接工艺

激光焊接成型技术属于近年来高速发展的新型焊接技术，特别适用于特种合金的焊接。应用激光焊接成型技术进行车架焊接加工，能够实现对不同材质及厚度的金属型材进行焊接成型的目的，减少了由于搭边等问题造成的原材料浪费，使零件结构得到优化，有效提高了材料的利用率，从而优化车架的力学性能，提升车架强度。

2.3    碳纤维复合材料应用工艺

碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性大、强度高而成为一种先进的车架材料，目前主要应用于少数高端车型中。

目前，各厂家的碳纤维复合车架多采用人工加工方式，碳纤维复合材料在加工的过程中，受尺寸控制、加工温度等因素影响，容易产生毛刺、分层、撕裂、拉丝等多种缺陷，从而导致碳纤维制品表面质量受到影响。

3    结束语

电动自行车轻量化应用的推动，需要材料技术的不断发展以及生产制造工艺的不断完善，对此生产企业需加大对电动自行车制造的创新力度，从根本上改善其材料性能和制造成本的经济性，从而实现轻量化的目标，推动我国电动自行车行业持续健康的发展。

电动自行车车架轻量化，不仅能够减轻车身质量（重量），而且还能提高安全性能，缓解交通堵塞，為人们提供更好的生活，这是行业未来的发展方向。

参考文献

[1] 国务院.国务院关于印发《中国制造2025》的通知[EB/OL].（2015-05-19）[2022-08-26].http：// www. gov.cn/ zhengce/ content/2015-05/19/content_9784.htm..

[2] 姚茜嵘.《中国制造2025》技术创新驱动方针下智能制造对经济增长的影响[J].中国市场，2022，8（1107）：1-4.

[3] 倪捷.绿源倪捷：从“一部车骑10年”看行业高质量发展[J].中国自行车，2022，04（8）：29-31.

[4] 陈建龙.浙江电动自行车数字化改革的路径和成效[J].中国自行车，2022，04 （8）：40-42.

[5] 倪捷.电动自行车产业20周年发展历程回顾与展望[J].电动自行车，2020，05（10）：25-26.

[6] 李世隆，肖磊，杨丽，等.中国电动自行车行业缺陷产品召回制度研究[J].中国自行车，2022，04（8）：80-82.

[7] 王殊，师春生，赵乃勤，项忠霞.自行车车架材料以及镁合金的应用[J].材料导报，2006，20（8）：87-89.

[8] 刘瑞堂，刘文博，刘锦云.工程材料力学性能[M] .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.

[9] 李亚江，陈茂爱，孙俊生.实用焊接技术手册[M] .石家庄：河北科学技术出版社，2002.

[10] 肖磊，吴宗江，杨丽，等.自行车车架焊接的自动化发展研究[J] .中国自行车，2021，5 （10）：56-57.