自行车、电动自行车车架振动试验说明

前言

中国是自行车的生产和销售大国之一，更是全球电动自行车生产和销售第一大国。自行车、电动自行车充分满足了人们短途出行的需求，电动自行车更是成为外卖配送活动强有力的助力工具，给人们日常生活提供了极大便利。据2020年中国自行车产业大会披露的数据，2019年中国自行车保有量近4亿辆；同时据智研咨询整理的数据，2021年中国电动自行车保有量达3.25亿辆，且近年呈现持续上升趋势。行业快速发展，产品质量更需强有力保障。

自行车、电动自行车的定义参考国标GB 3565—2005和GB 17761—2018，两者都属于道路交通工具的非机动车辆，在其主体结构中，车架起主要承载作用，因此车架品质好坏是决定车辆承载力、稳定性和耐久性优劣的关键要素。在自行车、电动自行车质量确认和检测过程中，车架振动试验无疑是车架质量评价的关键试验。车架振动试验模拟了车辆在实际骑行过程中可能遇到的最为剧烈、高频的振动场景，以保障车辆在行驶过程中车架机械性能的可靠性和稳定性。自行车、电动自行车车架振动强度试验目前采用的方法标准为QB 1880—2008《自行车 车架》，标准的6.2.2车架振动强度章节也给出了振动计算公式，但是，一些读者及试验人员对计算公式的表达、表述及公式的来源还存在困惑，本文即针对振动强度试验展开讨论。

1 振幅加速度公式分析讨论

QB 1880—2008《自行车 车架》的6.2.2 车架振动强度章节给出了振动计算公式：

式中：——自由落体加速度，按表1的数值代入；

——半振幅，单位为cm；

——振动频率，在6.6～10 Hz，但应避免其共振频率。

表1 QB 1880—2008《自行车 车架》自行车车架振动试验条件[1]

基于上述两点疑问，本文从振动的原理入手进行了理论推导和确认，具体如下：

按照QB 1880—2008《自行车 车架》的“图19自行车车架振动示意图”的图示和振幅加速度公式，我们用来表示图示的半振幅（见图1）。

图1 自行车车架振动装置示意图

自行车车架振动的试验方式为车架按要求加载后，前轴作为振源，做竖直直线往复振动，这个振动模型从物理上来说属于简谐振动模型。接下来，我们按照简谐振动模型进行公式推导。

简谐振动的加速度公式：

式中：——简谐振动加速度，单位为m/s；

——简谐振动振幅，单位为m；

——简谐振动角速度，单位为rad/s；

φ——简谐振动初相位，单位为rad。

由于三角函数取值范围为-1～1，简谐振动的加速度最大值应为：

根据角速度的定义，我们可知：

式中：——简谐振动频率，单位为Hz。

使用2替代，我们能够得到简谐振动的加速度最大值：

这里需要注意简谐振动振幅的定义（见图2）：

图2 简谐振动振幅的时间曲线图

简谐振动的振幅为与平衡位置的最大位移，而QB 1880—2008《自行车 车架》定义的振幅2为振动的最高点和最低点的距离。因此2实际上等价于2，即=。我们将其代入公式3得到简谐振动的加速度最大值：

我们用自由落体加速度的倍数最大值（G）来表示简谐振动的加速度最大值，即：

式中：——自由落体加速度的倍数最大值，量纲为1；

——自由落体加速度，单位为m/s；

——简谐振动频率，单位为Hz。

我们对公式5进行计算：

我们将重力加速度值代入公式6，并进行单位换算，即半振幅，单位为cm：

式中：——自由落体加速度的倍数最大值，量纲为1；

——简谐振动频率，单位为Hz；

——QB 1880—2008《自行车 车架》定义的半振幅，单位为cm。

我们对比QB 1880—2008《自行车 车架》里面的公式，可以得出如下结论：

实际上应为自由落体加速度倍数的最大值，是一个无量纲量，或者说量纲为1。按照上文表1所述，其值应为2（男式自行车、载重自行车）或1.8（女式自行车）。

在QB 1880—2008《自行车 车架》振幅加速度的公式中，和、的关系是正确的，但是中间步骤因为少了圆周率π的关系，出现了异议。

“±”实际上代表的是加速度的方向，即表示正向加速度最大倍数和负向加速度最大倍数。

2 设备参数确定

自行车、电动自行车车架振动试验机振源结构为电动机驱动的偏心轮带动车辆前轴做竖直直线往复运动，振动试验机的振幅与偏心距和电机轴径向跳动成正比。根据上文表1对振动频率6.6～10 Hz的要求，我们取=2时，计算可得对应的半振幅为0.50～1.15 cm，当电机轴径向跳动为常数时，可以认为偏心轮偏心距介于0.50减去电机轴径向跳动值与1.15减去电机轴径向跳动值之间，单位为cm。当然，实际的情况比理论状态复杂得多，影响因素也更多，如频率示值误差等。因此，通常振动试验机的偏心距可以设置为0.50减去电机轴径向跳动值与1.15减去电机轴径向跳动值之间的一个数值，通过设备校准，在最大振动加速度为2 g时，确认对应设备振动频率值，以此频率值作为日常试验振动频率。为了保证数据可靠性，校准过程建议采用负载模式进行。

对于=1.8的情形，我们可以按照上述方式确认偏心距和试验振动频率，偏心距介于0.45减去电机轴径向跳动值与1.03减去电机轴径向跳动值之间，单位为cm。当一台设备同时兼顾女式自行车和其他类型自行车时，该设备可以取0.50减去电机轴径向跳动值与1.03减去电机轴径向跳动值之间的数值，通过设备校准，分别获得两个加速度情形下对应的试验振动频率值。

3 结束语

本文通过理论计算对自行车车架振动试验的振幅加速度公式进行了验证，指出了公式书写和注释方面的问题，并予以相应解释，为设备参数状态调整提供了理论基础。设备在实际使用过程中，影响因素多于理论情况，仍需要通过校准手段来确认设备的试验振动频率设定值，且为了减少偏差，提高试验可靠性，校准过程建议采用负载模式进行。