自行车新国标GB 3565—2022疲劳强度解读与试验探讨Interpretation and Test Research of Fatigue Strength in the New Standard GB 3565—2022 for Bicycles

钱烈辉　张皓羽　陶泽成

摘要：此文对新国标自行车安全要求GB 3565—2022中五大关键部件的疲劳强度规定与旧标准做分析解读，并对实现加载动态力的各类参数对疲劳失效的影响和实现做分析与探讨。

关键词：疲劳强度；循环动态力；GB 3565

0    引言

2022年，中国自行车电动自行车规模以上企业营业收入2 100亿元，同比增长3%；实现利润超100亿元，同比增长20%以上。由此可见，我国自行车产业发展仍处于世界生产与销售的大国地位。产品的升级换代与消费群体的更迭将带动中国自行车产业的新一轮发展。

2022年年底，自行车安全要求GB（/T）3565—2022的9个标准相继正式发布，新国标GB 3565的水平与国际标准同步，同时结合国内实际增添了共享单车的安全要求，继续为我国自行车产品安全提供技术支撑。其中，GB/T 3565.1—2022于2023年8月1日起正式实施，其他部分将于2023年10月1日起正式实施。

1    新国标关键部件疲劳强度分析与解读

此次新国标修订最大的变化点是加强了对自行车关键部件的疲劳强度的要求。作为自行车安全性能的重要考核指标，疲劳性能一直是行业关注的重点。自行车的五大关键部件：车架前叉组合、车把、鞍座与鞍管、链轮曲柄、脚蹬，都是承受骑行者运动荷载的重要部件，对这几个关键部件的疲劳强度的要求也是保证整车安全的关键。

疲劳失效是指部件的材料在重复或交变应力作用下，所受交变应力在多次循环后，在某些部位由于内部的晶体变化出现微裂纹，并持续扩大，达到某个临界点出现突然断裂现象。这种断裂一旦在自行车部件中发生，往往将导致灾难性的人身伤亡事故。统计分析显示，在汽车零部件的破坏中，85%是由疲劳失效引起的；在航空工程中，60%～80%的断裂是由结构材料的疲劳破坏引起的。疲劳失效对于自行车安全性的影响也同样如此[1]。

新国标采用国际标准ISO 4210—2014版要求，相对于2005版有较大变化，甚至部分项目有颠覆性的变化，这将对我国目前自行车内销市场产生非常大的影响。

新国家标准疲劳项目的变化如下（见表1—表5）。

a.   新增加疲劳项目6个

增加的项目分别是车架脚蹬力、车架水平力、车架垂直力、车架耐振强度的4个疲劳强度和前叉盘闸/碟刹座的疲劳强度，以及鞍座与鞍管夹紧装置的疲劳强度。

自行车车架作为整个自行车的最核心的部件，承受着骑行者的全部质量（重量）和运动产生的动载荷，力值大且受力分量复杂，旧标准中仅仅是冲击强度已不能体现实际使用中的路况。因此新修订的标准更加科学。

新国标重视前叉盘闸/碟刹座的疲劳强度，针对目前自行车广泛使用碟刹和盘闸，频繁刹车对固定座反复施力易导致固定座失效这一现象，增加了一个考核指标，强化了车架在制造中对该部件的关注和安全考量。

鞍座与鞍管夹紧装置新增加疲劳强度，是模拟骑行上下颠簸时使用者体重对鞍座的疲劳加载试验，也是一个关系骑行者安全的项目。

b.   修改疲劳项目5个

修改的项目主要是车把、曲柄、鞍管疲劳试验力的修改与循环次数调整，部分是动态力的方向和加载位置的改变，如改变车把疲劳分类标准，增加疲劳力和循环次数；增加前叉疲劳循环次数，并且增加疲劳试验后的冲击测试；在脚蹬的动态耐久试验中，增加负荷并下降试验次数到原来的1/10。

c.   修改测试频率

新版GB 3565—2022要求，疲劳测试的力应当被逐步施加和释放，频率不超过10 Hz；舊版GB 3565—2005要求，频率不超过25 Hz。这说明了动态力频率更加贴近实际。

d．新增加测试环境的说明

测试时，塑料件在温度为23℃±5℃的环境下放置2 h，然后在此温度下进行测试。之前标准对此未做规定，这个项目主要针对鞍座塑料部件。

2    试验循环动态力的分析与实现

标准中规定的动态力的准确加载是新国标试验方法的关键部分。动态力是2015年新增的计量术语，指随时间变化的力，包括循环力、随机力和冲击力等，在这里讨论的动态力是指循环力。

循环动态力的主要参数有：频率、幅值、波形、应力比、循环次数。部件在动态力作用下各部位均发生了相应的应变，应变导致材料内部产生应力，材料疲劳失效主要来自材料内部的应力。

本研究具体讨论循环动态力的参数对部件疲劳失效的贡献度。在标准中，条款对动态力做明确的峰值的要求和循环次数的要求，其他的参数是隐含的。

2.1    循环动态力的幅值的影响与控制

为了研究动态力对材料失效的影响，依据改变应力的方法，本研究把动态力按振幅变化情况分为变幅循环动态力和恒幅循环动态力。

变幅循环动态力是非稳定的循环动态力，应力和变化幅度都随时间周期性变化；恒幅循环动态力的力值振幅是恒定的，标准中主要涉及的是恒幅循环动态力，即稳定变应力，是应力随时间周期性变化，变化幅度保持常数的情况。

恒幅循环动态力分为对称循环动态力（应力比r等于-1，见图1）、 脉动循环力（应力比r等于0，见图2）、非对称循环动态力（应力比r不等于1，见图3）。当r=1时，就为静态力了（见图4）。

根据加载动态力的性质，自行车疲劳项目中单个力源的动态力性质分类如表6所示。

标准规定了测试循环力的峰值，这是最重要的参数，也是对材料疲劳失效贡献最大的因子。

在循环动态力的力值控制方面易出现以下问题。

a.目前，实现循环动态力采用的方式是：将气动系统、液压系统以及电子作动缸系统作为加载力源。而在控制力的大小方面，测试技术均已采用了闭环控制，将力传感器作为峰值监测的主要工具。但问题在于，试验机制造商在选择动态力监测的传感器时，经常关注的是传感器的静态特性，忽略了传感器的动态响应特性，因此采用了不符合要求的传感器。

b.在力值控制中，脉动循环动态力的要求不能完全实现。在标准中，力值加载到预定峰值后需要力值完全卸载，也就是脉动循环动态力归零，但实际上，许多试验设备出现了加载力源卸载迟滞现象，加载力不能及时清零，导致脉动循环动态力（见图5）曲线上移，变成了非对称循环动态力（见图6），应力比变小，不符合标准的要求。其主要原因来自于加载源的频率响应特性，在气源加载和油压加载源中主要是由于伺服流量阀的响应频率低于测试动态力加载频率所导致的。

2.2     循环动态力的波形影响与控制

新国标对循环动态力没有明确要求波形，但指出了“疲劳测试的力应当被逐步施加和释放”，实际要求理想的加载力是正弦波（见图7），不应有加载冲击或是力值阶跃现象，而应实现加载正弦波的控制，使气缸或油缸的气源或压力油压稳定，伺服阀流量控制精度稳定。

此外，新国标在动态力达到峰值点的保持时间上没有规定，即达到力值后立即卸载而不需要保持载荷，那曲线就是正弦波，如果保持荷载波形就会变成驻波（见图8），实际上这对试样的影响是不同的。

2.3    循环动态力的频率影响与控制

根据材料学的数据，没有证据表明频率对疲劳失效存在大的相关性。所以在此次标准修改中，根据实际载荷情况，新国标将试样频率不大于25 Hz修改为不大于10 Hz。在實际试样中，由于车架、链轮曲柄、鞍座的刚性较差，在加载到标准要求的幅值时，位移量都比较大，加载频率就比较难提高，一般控制在1 Hz～2 Hz。

而车把、鞍管刚性好，在加载到峰值时，变形小，相对频率就可以提高。

3   总结

新国标的修订对五大关键部件的强度要求提高到了一个新的高度，需要自行车生产企业在产品设计、生产中必须重点考虑，而市场监督检测机构对试验设备的准确性与力值加载的可控性需要重新审视。

参考文献

[1] 范海艇，邱正，屠淳，卢小犇.自行车疲劳试验机关于动态力值的在线校准方法研究与误差分析[J]. 中国自行车，2017（7）：96-99.

[2] 国家市场监督管理总局.自行车安全要求：GB 3565.2—2022 [S].北京：中国标准出版社，2022.