自行車新國標(biāo)GB 3565—2022疲勞強(qiáng)度解讀與試驗探討Interpretation and Test Research of Fatigue Strength in the New Standard GB 3565—2022 for Bicycles

錢烈輝　張皓羽　陶澤成

摘要：此文對新國標(biāo)自行車安全要求GB 3565—2022中五大關(guān)鍵部件的疲勞強(qiáng)度規(guī)定與舊標(biāo)準(zhǔn)做分析解讀，并對實現(xiàn)加載動態(tài)力的各類參數(shù)對疲勞失效的影響和實現(xiàn)做分析與探討。

關(guān)鍵詞：疲勞強(qiáng)度；循環(huán)動態(tài)力；GB 3565

0? ? 引言

2022年，中國自行車電動自行車規(guī)模以上企業(yè)營業(yè)收入2 100億元，同比增長3%；實現(xiàn)利潤超100億元，同比增長20%以上。由此可見，我國自行車產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍處于世界生產(chǎn)與銷售的大國地位。產(chǎn)品的升級換代與消費(fèi)群體的更迭將帶動中國自行車產(chǎn)業(yè)的新一輪發(fā)展。

2022年年底，自行車安全要求GB（/T）3565—2022的9個標(biāo)準(zhǔn)相繼正式發(fā)布，新國標(biāo)GB 3565的水平與國際標(biāo)準(zhǔn)同步，同時結(jié)合國內(nèi)實際增添了共享單車的安全要求，繼續(xù)為我國自行車產(chǎn)品安全提供技術(shù)支撐。其中，GB/T 3565.1—2022于2023年8月1日起正式實施，其他部分將于2023年10月1日起正式實施。

1? ? 新國標(biāo)關(guān)鍵部件疲勞強(qiáng)度分析與解讀

此次新國標(biāo)修訂最大的變化點(diǎn)是加強(qiáng)了對自行車關(guān)鍵部件的疲勞強(qiáng)度的要求。作為自行車安全性能的重要考核指標(biāo)，疲勞性能一直是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。自行車的五大關(guān)鍵部件：車架前叉組合、車把、鞍座與鞍管、鏈輪曲柄、腳蹬，都是承受騎行者運(yùn)動荷載的重要部件，對這幾個關(guān)鍵部件的疲勞強(qiáng)度的要求也是保證整車安全的關(guān)鍵。

疲勞失效是指部件的材料在重復(fù)或交變應(yīng)力作用下，所受交變應(yīng)力在多次循環(huán)后，在某些部位由于內(nèi)部的晶體變化出現(xiàn)微裂紋，并持續(xù)擴(kuò)大，達(dá)到某個臨界點(diǎn)出現(xiàn)突然斷裂現(xiàn)象。這種斷裂一旦在自行車部件中發(fā)生，往往將導(dǎo)致災(zāi)難性的人身傷亡事故。統(tǒng)計分析顯示，在汽車零部件的破壞中，85%是由疲勞失效引起的；在航空工程中，60%～80%的斷裂是由結(jié)構(gòu)材料的疲勞破壞引起的。疲勞失效對于自行車安全性的影響也同樣如此[1]。

新國標(biāo)采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4210—2014版要求，相對于2005版有較大變化，甚至部分項目有顛覆性的變化，這將對我國目前自行車內(nèi)銷市場產(chǎn)生非常大的影響。

新國家標(biāo)準(zhǔn)疲勞項目的變化如下（見表1—表5）。

a.? ?新增加疲勞項目6個

增加的項目分別是車架腳蹬力、車架水平力、車架垂直力、車架耐振強(qiáng)度的4個疲勞強(qiáng)度和前叉盤閘/碟剎座的疲勞強(qiáng)度，以及鞍座與鞍管夾緊裝置的疲勞強(qiáng)度。

自行車車架作為整個自行車的最核心的部件，承受著騎行者的全部質(zhì)量（重量）和運(yùn)動產(chǎn)生的動載荷，力值大且受力分量復(fù)雜，舊標(biāo)準(zhǔn)中僅僅是沖擊強(qiáng)度已不能體現(xiàn)實際使用中的路況。因此新修訂的標(biāo)準(zhǔn)更加科學(xué)。

新國標(biāo)重視前叉盤閘/碟剎座的疲勞強(qiáng)度，針對目前自行車廣泛使用碟剎和盤閘，頻繁剎車對固定座反復(fù)施力易導(dǎo)致固定座失效這一現(xiàn)象，增加了一個考核指標(biāo)，強(qiáng)化了車架在制造中對該部件的關(guān)注和安全考量。

鞍座與鞍管夾緊裝置新增加疲勞強(qiáng)度，是模擬騎行上下顛簸時使用者體重對鞍座的疲勞加載試驗，也是一個關(guān)系騎行者安全的項目。

b.? ?修改疲勞項目5個

修改的項目主要是車把、曲柄、鞍管疲勞試驗力的修改與循環(huán)次數(shù)調(diào)整，部分是動態(tài)力的方向和加載位置的改變，如改變車把疲勞分類標(biāo)準(zhǔn)，增加疲勞力和循環(huán)次數(shù)；增加前叉疲勞循環(huán)次數(shù)，并且增加疲勞試驗后的沖擊測試；在腳蹬的動態(tài)耐久試驗中，增加負(fù)荷并下降試驗次數(shù)到原來的1/10。

c.? ?修改測試頻率

新版GB 3565—2022要求，疲勞測試的力應(yīng)當(dāng)被逐步施加和釋放，頻率不超過10 Hz；舊版GB 3565—2005要求，頻率不超過25 Hz。這說明了動態(tài)力頻率更加貼近實際。

d．新增加測試環(huán)境的說明

測試時，塑料件在溫度為23℃±5℃的環(huán)境下放置2 h，然后在此溫度下進(jìn)行測試。之前標(biāo)準(zhǔn)對此未做規(guī)定，這個項目主要針對鞍座塑料部件。

2? ? 試驗循環(huán)動態(tài)力的分析與實現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的動態(tài)力的準(zhǔn)確加載是新國標(biāo)試驗方法的關(guān)鍵部分。動態(tài)力是2015年新增的計量術(shù)語，指隨時間變化的力，包括循環(huán)力、隨機(jī)力和沖擊力等，在這里討論的動態(tài)力是指循環(huán)力。

循環(huán)動態(tài)力的主要參數(shù)有：頻率、幅值、波形、應(yīng)力比、循環(huán)次數(shù)。部件在動態(tài)力作用下各部位均發(fā)生了相應(yīng)的應(yīng)變，應(yīng)變導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，材料疲勞失效主要來自材料內(nèi)部的應(yīng)力。

本研究具體討論循環(huán)動態(tài)力的參數(shù)對部件疲勞失效的貢獻(xiàn)度。在標(biāo)準(zhǔn)中，條款對動態(tài)力做明確的峰值的要求和循環(huán)次數(shù)的要求，其他的參數(shù)是隱含的。

2.1? ? 循環(huán)動態(tài)力的幅值的影響與控制

為了研究動態(tài)力對材料失效的影響，依據(jù)改變應(yīng)力的方法，本研究把動態(tài)力按振幅變化情況分為變幅循環(huán)動態(tài)力和恒幅循環(huán)動態(tài)力。

變幅循環(huán)動態(tài)力是非穩(wěn)定的循環(huán)動態(tài)力，應(yīng)力和變化幅度都隨時間周期性變化；恒幅循環(huán)動態(tài)力的力值振幅是恒定的，標(biāo)準(zhǔn)中主要涉及的是恒幅循環(huán)動態(tài)力，即穩(wěn)定變應(yīng)力，是應(yīng)力隨時間周期性變化，變化幅度保持常數(shù)的情況。

恒幅循環(huán)動態(tài)力分為對稱循環(huán)動態(tài)力（應(yīng)力比r等于-1，見圖1）、 脈動循環(huán)力（應(yīng)力比r等于0，見圖2）、非對稱循環(huán)動態(tài)力（應(yīng)力比r不等于1，見圖3）。當(dāng)r=1時，就為靜態(tài)力了（見圖4）。

根據(jù)加載動態(tài)力的性質(zhì)，自行車疲勞項目中單個力源的動態(tài)力性質(zhì)分類如表6所示。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測試循環(huán)力的峰值，這是最重要的參數(shù)，也是對材料疲勞失效貢獻(xiàn)最大的因子。

在循環(huán)動態(tài)力的力值控制方面易出現(xiàn)以下問題。

a.目前，實現(xiàn)循環(huán)動態(tài)力采用的方式是：將氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電子作動缸系統(tǒng)作為加載力源。而在控制力的大小方面，測試技術(shù)均已采用了閉環(huán)控制，將力傳感器作為峰值監(jiān)測的主要工具。但問題在于，試驗機(jī)制造商在選擇動態(tài)力監(jiān)測的傳感器時，經(jīng)常關(guān)注的是傳感器的靜態(tài)特性，忽略了傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，因此采用了不符合要求的傳感器。

b.在力值控制中，脈動循環(huán)動態(tài)力的要求不能完全實現(xiàn)。在標(biāo)準(zhǔn)中，力值加載到預(yù)定峰值后需要力值完全卸載，也就是脈動循環(huán)動態(tài)力歸零，但實際上，許多試驗設(shè)備出現(xiàn)了加載力源卸載遲滯現(xiàn)象，加載力不能及時清零，導(dǎo)致脈動循環(huán)動態(tài)力（見圖5）曲線上移，變成了非對稱循環(huán)動態(tài)力（見圖6），應(yīng)力比變小，不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。其主要原因來自于加載源的頻率響應(yīng)特性，在氣源加載和油壓加載源中主要是由于伺服流量閥的響應(yīng)頻率低于測試動態(tài)力加載頻率所導(dǎo)致的。

2.2? ? ?循環(huán)動態(tài)力的波形影響與控制

新國標(biāo)對循環(huán)動態(tài)力沒有明確要求波形，但指出了“疲勞測試的力應(yīng)當(dāng)被逐步施加和釋放”，實際要求理想的加載力是正弦波（見圖7），不應(yīng)有加載沖擊或是力值階躍現(xiàn)象，而應(yīng)實現(xiàn)加載正弦波的控制，使氣缸或油缸的氣源或壓力油壓穩(wěn)定，伺服閥流量控制精度穩(wěn)定。

此外，新國標(biāo)在動態(tài)力達(dá)到峰值點(diǎn)的保持時間上沒有規(guī)定，即達(dá)到力值后立即卸載而不需要保持載荷，那曲線就是正弦波，如果保持荷載波形就會變成駐波（見圖8），實際上這對試樣的影響是不同的。

2.3? ? 循環(huán)動態(tài)力的頻率影響與控制

根據(jù)材料學(xué)的數(shù)據(jù)，沒有證據(jù)表明頻率對疲勞失效存在大的相關(guān)性。所以在此次標(biāo)準(zhǔn)修改中，根據(jù)實際載荷情況，新國標(biāo)將試樣頻率不大于25 Hz修改為不大于10 Hz。在實際試樣中，由于車架、鏈輪曲柄、鞍座的剛性較差，在加載到標(biāo)準(zhǔn)要求的幅值時，位移量都比較大，加載頻率就比較難提高，一般控制在1 Hz～2 Hz。

而車把、鞍管剛性好，在加載到峰值時，變形小，相對頻率就可以提高。

3? ?總結(jié)

新國標(biāo)的修訂對五大關(guān)鍵部件的強(qiáng)度要求提高到了一個新的高度，需要自行車生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)中必須重點(diǎn)考慮，而市場監(jiān)督檢測機(jī)構(gòu)對試驗設(shè)備的準(zhǔn)確性與力值加載的可控性需要重新審視。

參考文獻(xiàn)

[1] 范海艇，邱正，屠淳，盧小犇.自行車疲勞試驗機(jī)關(guān)于動態(tài)力值的在線校準(zhǔn)方法研究與誤差分析[J]. 中國自行車，2017（7）：96-99.

[2] 國家市場監(jiān)督管理總局.自行車安全要求：GB 3565.2—2022 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2022.