电动自行车车架失效分析

(原)路西法

几年来，电动自行车产业有了空前发展，社会总拥有量已达2000多万量。近年电动自行车新品迭出，其中不乏有经典之作，也有一些遗憾不足之处，电动自行车产品设计应以造型为先，但也应充分考虑和保证整车的强度，车架是电动自行车的主要组成部分，车架强度在很大程度上决定整车的强度，车架设计应考虑骑行舒适、操纵灵活和足够的强度。笔者由于在检验机构从事检验工作多年，接触了大量车架在试验过程中的失效现象，也涉及到消费者在骑行过程中断裂而与生产企业打官司的案例，在此作一些案例分析，与业内人士共同探讨。
车架失效分应力疲劳破坏和应变疲劳破坏2种，而经统计目前电动自行车车架主要是出现应力疲劳破坏，电动自行车骑行速度较快，骑行过程中，容易引起颠簸振动，加上频繁的刹车制动，产生瞬间的冲击作用，当这种瞬间的冲击力累积到一定的次数，如果车架不具有足够的强度，车架薄弱环节就会失效。冲击力大小和疲劳断裂次数符合图1规律。
提高车架的强度除了在材料方面改进以外，更主要的是要从结构和工艺方面进行分析和研究，以求设计出既能满足外形设计要求，又能满足强度要求的结构方式。
目前市场上电动自行车车架的结构大致有u型、h型和菱形，而大多数是u型，u型车架的高应力危险区有3处：车架下管和前管连接处，车架中接头、车架下管和车架立管三者连接处，以及车架下管弯管处。主要失效形式有：车架下管接近前管连接处断裂，中接头连接处，车架下管或立管接近中接头附近断裂，车架下管弯曲处断裂或塑性变形失效。
这种u型车架在设计和焊接时应注意：尽可能避免在高危险区与管轴线相垂直的截面或截面的某一点出现应力过度集；在与管轴线相垂直的某一截面圆周方向上应尽可能避免出现连续的焊缝，这样会导致这一截面的强度大幅下降；适当的设计一些弹性缓冲结构，以利于缓解冲击力的大小和应力增大释放的时间，避免刚性冲击。下面以案例的形式分析几种典型车架断裂的原因，并探讨改进的方法。
案例1
失效现象：消费者在骑行过程中，车架下管、前管和加强筋焊接处头部边缘发生断裂。从断裂圆周面上可看到，与加强筋连接处的断裂面表层光滑，而圆周的对面断裂面则粗糙。
原因分析：从断裂面表层的晶粒粗细可看到，光滑区为断裂起始区，从车架结构来看，下管与加强筋头部焊接处为应力集中处，从图片上看到加强筋力钢板冲裁而成，因此应力集中处的应力实际上就集中在加强筋头部这个焊接点上，在骑行过程中存在应力破坏的可能性很大，如果此处截面的强度不足，更容易早早断裂，经测量该车架的管壁厚度仅为1.5mm，单弯梁女式车架下管管壁厚度正常应为2.0-2.5mm左右。
改进方案：将加强筋由钢板型结构改为槽钢型结构，焊缝为沿管材轴线方向，槽钢两侧面边缘，此方案虽然没有改变应力集中的位置，但在截面圆周上，加强筋头部的焊接点由原来的一点变成两点，在同样的冲击载荷下，每一焊接处的应力，将比原来一个焊接点的集中应力大大降低。
案例2
失效现象：车架立管与中避震连接处断裂。
原因分析：该车架无立叉，车架立管呈倒悬挂形式，立管与中避震连接处为应力集中处，立管与中接头直接焊接，无加强筋连接，此处钢性不足，整车在频繁的刹车制动过程中，立管承受绕中接头方向的反复弯曲扭矩力作用，如果行驶在高低不平的山路或乡间小道，冲击力较大，即使车架立管管壁较厚，当累计疲劳次数达到一定程度时，即会产生断裂。
特别说明：该种车形车架在按gb17761-1999《电动自行车通用技术条件》经车架/前叉组合件振动试验后，一般不会产生断裂现象，产生这种试验和实际骑行情况的差异，根本原因在于中避震器和避震前叉的作用，标准中规定，试验时振动频率为6.6-10hz，避震器发挥充分的弹性缓冲作用，而在骑行过程中，振动频率远远低于这个频率，避震器的缓冲作用减弱，如果将中避震经调整后变成无弹性的钢性体，避震前叉换成普通前叉，或原车架前叉不变，将振动频率调为3hz，振动加速度不变，振动幅度加大，则出现疲劳断裂的可能性将加大，目前部分欧盟国家在车架标准中规定，在做振动试验时，对于有避震器的车架，要用型式尺寸相同的钢性体来替代避震器做试验，其目的可能就是这个道理。
案例3
失效现象：按gb17761-1999《电动自行车通用技术条件》经车架/前叉组合件振动试验，第一次经4万次振动试验后，下管弯曲处与加强筋焊接头部产生裂纹，此处经改进后，重新经7万次数振动试验，中接头部下管与加强筋焊接处头部产生裂纹。
原因分析：下管弯曲处和中接头部为应力危险区，下管弯曲处的加强筋与下管焊接时，沿加强筋周边采用连续的满焊，下管弯曲处与加强筋头部焊接处，在与管轴线相垂直的那个截面的圆周方向上出现了近1/2周长的连续焊缝，这样削弱了这一截面的强度；中轴处加强筋为钢板结构，应力实际上就集中在加强筋头部这个焊接点上，在振动过程中应力破坏的可能性很大。
改进方案：下管弯曲处的加强筋与下管焊接时，沿加强筋周边不要采用连续的满焊，仅焊接加强筋两侧与下管轴线方向同向的焊缝；将中接头处的加强筋由钢板结构改为槽钢型结构，理由同案例1。
案例4
失效现象：按gb17761-1999《电动自行车通用技术条件》经车架/前叉组合件振动试验，经7万次振动试验后，车架立管与中接头连接处开裂。
原因分析：车架立管与中接头直接焊接，无连接立管、中接头和车架下管的加强筋，这种连接方式连接的立管轴向抗拉和绕中接头周向抗扭矩强度均较差，此处又为高应力危险区。
改进方案：在立管和下管间增加一个横撑杆，或在中接头处增加连接立管、中接头和车架下管的加强筋。
车架失效的现象多种多样，上述仅以几种常见典型的失效现象进行分析，导致失效的原因也是多方面的，本文仅从车架结构方面进行浅显分析，另外材料质量、管壁厚度和焊接工艺等对车架强度均有重大影响，产品设计时应综合考虑上列多种因素，确保整车既外形美观、骑行舒适，又要具备足够的强度。

(原)自由自在

水王大哥的帖子整的太专业了，和我们的生活距离太遥远，建议你整点，大家平时都接触过和遇到过的知识，通俗易懂嘛，生活中还用得上，多实用

(原)路西法

原帖由 自由自在 于 2008-1-8 01:17 发表
水王大哥的帖子整的太专业了，和我们的生活距离太遥远，建议你整点，大家平时都接触过和遇到过的知识，通俗易懂嘛，生活中还用得上，多实用

知道不
学问之美，在于使人一头雾水；诗歌之美，在于煽动男女出轨；女人之美，在于蠢得无怨无悔；男人之美，在于说谎说得白日见鬼

(原)轻风漫步

学无止境呀~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

(原)守望麦田、

提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽

(原)hc687094

无图不真相，这篇看不太懂

(原)dtwtd

确实看不懂

(原)忘了用户名

弄不懂

(原)网定春

太长了,没耐心看

(原)yyjj020628

:116IY的理论指导吗？