電動(dòng)自行車車架材料輕量化及制造加工工藝的應(yīng)用研究

肖磊 楊麗 李世隆 高黨尋 耿娜 何紫齊

摘要：電動(dòng)自行車作為重要的交通工具之一，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展，以及綠色環(huán)保低碳的要求，在其未來發(fā)展中將逐漸朝著輕量化方向發(fā)展。電動(dòng)自行車在提高安全性能的同時(shí)，材料輕量化及制造工藝的改善是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。此文對(duì)當(dāng)前電動(dòng)自行車材料輕量化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行了分析，探討了電動(dòng)自行車車架材料輕量化制造工藝，綜述了輕量化領(lǐng)域中新材料、新工藝的最新研究進(jìn)展，總結(jié)了目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題。此文基于目前的研究現(xiàn)狀，提出了電動(dòng)自行車車架輕量化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，旨在促進(jìn)行業(yè)輕量化發(fā)展，為行業(yè)生產(chǎn)制造提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；材料輕量化；車架；制造加工工藝

0? ? 引言

隨著“中國制造2025”的不斷發(fā)展，以及國家倡導(dǎo)綠色環(huán)保低碳的生產(chǎn)生活方式，人們對(duì)電動(dòng)自行車制造業(yè)提出了更高的要求，希望其在具有高質(zhì)量、高可靠性的同時(shí)，還能夠在原材料消耗及能源消耗等方面進(jìn)行全面有效的控制[1，2]。

中國自行車行業(yè)經(jīng)歷了由小到大、由弱變強(qiáng)的發(fā)展，如今行業(yè)正經(jīng)歷轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的變革[3-5]。近年來，隨著我國電動(dòng)自行車保有量的不斷增加，電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)面臨著嚴(yán)峻的原材料消耗問題及能耗問題，當(dāng)前行業(yè)要可持續(xù)發(fā)展，需要適應(yīng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求，車架材料輕量化就是在保證電動(dòng)自行車強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低電動(dòng)自行車的整車材料消耗和能源消耗，進(jìn)而提高電動(dòng)自行車的動(dòng)力性、安全性等綜合性能，從而達(dá)到低碳節(jié)能減排的目標(biāo)[6]。

1? ? 車架材料輕量化發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

2019年4月15日，電動(dòng)自行車新國標(biāo)GB 17761—2018《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》開始正式實(shí)施，新國標(biāo)中規(guī)定了裝配完整的電動(dòng)自行車的整車質(zhì)量（重量）應(yīng)小于或等于55 kg。伴隨著新國標(biāo)的實(shí)施以及新材料技術(shù)的進(jìn)步，鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維和樹脂復(fù)合材料以及高強(qiáng)度鋼等新型材料，因質(zhì)量（重量）輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐腐蝕、外觀漂亮等優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代自行車原有的鐵制車身，在自行車行業(yè)中獲得大量應(yīng)用[7]。高強(qiáng)度新型材料的應(yīng)用，在質(zhì)量（重量）減輕的條件下，保持了整體車身的機(jī)械性能。未來，新型材料在自行車上的用量將會(huì)繼續(xù)增加。圖1為浙江綠源電動(dòng)車有限公司典型的電動(dòng)自行車車架。

1.1? ? 鋁合金和鎂合金材料

鋁合金和鎂合金車架具有質(zhì)量（重量）輕、塑性好的特點(diǎn)，與鋼鐵材料相比，其熱導(dǎo)率更高，并且具有良好的抗腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，且實(shí)際加工成型容易，是當(dāng)前發(fā)展比較成熟的車架輕量化材料。同時(shí)，鎂合金具有優(yōu)異的變形及能量吸收能力，用于與人體直接接觸的部件時(shí)可以加強(qiáng)使用的舒適度。因此，鋁合金和鎂合金已作為結(jié)構(gòu)部件廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車車架部件[8]。雖然鋁合金和鎂合金的強(qiáng)度要低于鋼材料，但是利用現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)后，其強(qiáng)度基本可以達(dá)到電動(dòng)自行車車架輕量化的要求[9]。更為重要的是，鋁合金和鎂合金吸收碰撞能量的能力高于鋼鐵材料，極大地改善了電動(dòng)自行車的使用安全性。增加鋁合金和鎂合金材料在電動(dòng)自行車生產(chǎn)制造中的應(yīng)用范圍，是電動(dòng)自行車材料輕量化發(fā)展的重要方向之一。在電動(dòng)自行車車架制造中應(yīng)用的鋁合金和鎂合金材料，主要有鑄造鋁鎂合金與擠壓成型鋁鎂合金兩種。

當(dāng)前阻礙鋁合金和鎂合金應(yīng)用的主要原因是經(jīng)濟(jì)性問題，因其原材料成本較高，加工設(shè)備造價(jià)較高，使得制造成本較高。如果鋁合金和鎂合金在行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，有可能會(huì)造成原材料采購的資金壓力，從而推高電動(dòng)自行車整車制造成本。在電動(dòng)自行車車架的選材中，我們要綜合考慮各方面的因素。

1.2? ? 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是由有機(jī)纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成，含碳量高于90%的無機(jī)高性能纖維，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量（重量）輕、抗腐蝕性強(qiáng)、產(chǎn)品成型穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，且防銹和吸震性能好，設(shè)計(jì)自由性高，可以在提升整車舒適性的同時(shí)，起到一定的美化裝飾效果。

當(dāng)前，我國電動(dòng)自行車車架生產(chǎn)中碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用較少，主要受限于價(jià)格因素。

1.3? ? 鈦合金材料

鈦合金具有質(zhì)量（重量）輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕等特點(diǎn)，近年來越來越多地被應(yīng)用于高端電動(dòng)自行車上，是電動(dòng)自行車高端化的標(biāo)志。

鈦合金材料的應(yīng)用難點(diǎn)在鈦合金的焊接工藝方面。鈦合金的焊接對(duì)于保護(hù)氣體的條件要求特別高，少量的N2或O2可使鈦合金焊縫接頭變脆，因此鈦合金的焊接必須采用純度較高的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)[10]。

1.4? ? 高強(qiáng)度鋼材料

根據(jù)屈服強(qiáng)度的不同，鋼鐵材料分為低強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼與超高強(qiáng)度鋼三種。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，在同一正常環(huán)境中，低強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度在210 MPa以下，而高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度則高于220 MPa，低于550 MPa；當(dāng)鋼材料的屈服強(qiáng)度高于550 MPa時(shí)，則其為超高強(qiáng)度鋼。根據(jù)強(qiáng)化機(jī)理的不同，高強(qiáng)度鋼分為普通與先進(jìn)兩種。

高強(qiáng)度鋼材料是在電動(dòng)自行車車架中應(yīng)用較多的材料，高強(qiáng)度鋼材料在等級(jí)相同的情況下，能夠?qū)︿摪宓暮穸冗M(jìn)行調(diào)整和控制，從而實(shí)現(xiàn)減輕整車車身質(zhì)量（重量）的目標(biāo)。其中，普通高強(qiáng)度鋼材料主要包括碳錳鋼（C-Mn鋼）、烘烤硬化鋼（BH鋼）、高強(qiáng)度無間隙原子鋼（HSS-IF鋼）和高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA鋼）等材料；先進(jìn)高強(qiáng)度鋼材料主要包括貝氏體鋼、復(fù)相鋼、熱成型鋼等材料。隨著鋼鐵冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，高強(qiáng)度鋼材料在電動(dòng)自行車車架中的應(yīng)用越來越多，但仍舊存在一些技術(shù)性難題，影響其應(yīng)用。如伴隨著鋼材料的剛性和強(qiáng)度的提升，其成型性能會(huì)下降，并且也會(huì)降低其伸長(zhǎng)率，難以有效控制高強(qiáng)度鋼成型與焊接性能，極大地增加了材料的加工難度，制造工藝也難以達(dá)到理想要求。雖然，目前我國在獨(dú)立生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼的技術(shù)領(lǐng)域取得了一定的突破，但仍舊與世界先進(jìn)技術(shù)水平存在一定的差距。

2? ? 輕量化制造加工工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀

自行車車架的發(fā)展在朝著高強(qiáng)度輕量化的方向前進(jìn)的同時(shí)，也對(duì)制造加工工藝提出了更高的要求。

2.1? ? 機(jī)器人焊接工藝

電動(dòng)自行車產(chǎn)品的生產(chǎn)過程很難離開金屬結(jié)構(gòu)件的焊接。近年來，隨著車架各種結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)升級(jí)以及高端車型的個(gè)性化設(shè)計(jì)，焊接的需求量越來越多，這對(duì)于車架鋼結(jié)構(gòu)的焊接效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)車架焊接方法多采用手工焊接方式，存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，因此對(duì)于電動(dòng)自行車車架的焊接，迫切需要自動(dòng)化且焊接工藝成熟的焊接方法來解決上述問題。相關(guān)人員通過自動(dòng)化的車架焊接機(jī)器人設(shè)備，對(duì)車架焊接工藝進(jìn)行合理規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化焊接。機(jī)器人焊接質(zhì)量取決于機(jī)器人自身精度、弧焊包的功能、原材料質(zhì)量、下料精度、組對(duì)精度和工裝夾具的合理設(shè)計(jì)。相關(guān)人員通過合理設(shè)計(jì)機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃，讓焊接工藝與機(jī)器人焊接路徑、姿態(tài)達(dá)成匹配，能夠達(dá)到焊縫質(zhì)量要求，并解決以往復(fù)雜工件焊接質(zhì)量和效率不高的問題。見圖2。

例如，浙江綠源電動(dòng)車有限公司車架生產(chǎn)車間采用自動(dòng)化焊接機(jī)器人進(jìn)行車架焊接生產(chǎn)，機(jī)器人重復(fù)定位精度可達(dá)±0.1 mm，在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)保證了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，為企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提供了保證。見圖3。

2.2? ? 激光焊接工藝

激光焊接成型技術(shù)屬于近年來高速發(fā)展的新型焊接技術(shù)，特別適用于特種合金的焊接。應(yīng)用激光焊接成型技術(shù)進(jìn)行車架焊接加工，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同材質(zhì)及厚度的金屬型材進(jìn)行焊接成型的目的，減少了由于搭邊等問題造成的原材料浪費(fèi)，使零件結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，有效提高了材料的利用率，從而優(yōu)化車架的力學(xué)性能，提升車架強(qiáng)度。

2.3? ? 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用工藝

碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性大、強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的車架材料，目前主要應(yīng)用于少數(shù)高端車型中。

目前，各廠家的碳纖維復(fù)合車架多采用人工加工方式，碳纖維復(fù)合材料在加工的過程中，受尺寸控制、加工溫度等因素影響，容易產(chǎn)生毛刺、分層、撕裂、拉絲等多種缺陷，從而導(dǎo)致碳纖維制品表面質(zhì)量受到影響。

3? ? 結(jié)束語

電動(dòng)自行車輕量化應(yīng)用的推動(dòng)，需要材料技術(shù)的不斷發(fā)展以及生產(chǎn)制造工藝的不斷完善，對(duì)此生產(chǎn)企業(yè)需加大對(duì)電動(dòng)自行車制造的創(chuàng)新力度，從根本上改善其材料性能和制造成本的經(jīng)濟(jì)性，從而實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，推動(dòng)我國電動(dòng)自行車行業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。

電動(dòng)自行車車架輕量化，不僅能夠減輕車身質(zhì)量（重量），而且還能提高安全性能，緩解交通堵塞，為人們提供更好的生活，這是行業(yè)未來的發(fā)展方向。

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