【正文】 安全標(biāo)準(zhǔn)及主要零部件標(biāo)準(zhǔn)要與國際標(biāo)準(zhǔn)完全接軌，近年來歐盟、日本等國家和北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 地區(qū)新的自行車安全標(biāo)準(zhǔn)的推行，使得企業(yè)原有的檢測設(shè)備和檢測能力不適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，對碳纖維自行車出口貿(mào)易的產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高要求，急需一些與新標(biāo)準(zhǔn)配套的檢測設(shè)備。 自行車具有無污染、有強(qiáng)身健體功能和價(jià)格便宜等特點(diǎn) , 被人們廣泛使用 , 尤其變速自行車 , 具有較好的調(diào)速功能 , 爬坡性能好 , 是丘陵城市消費(fèi)者的主要交通工具之一。目前的疲勞試驗(yàn)機(jī)主要有以下三種 : 采用凸輪 杠桿機(jī)構(gòu)撥鏈 , 該裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊 , 但使用后易產(chǎn)生磨損 , 影響撥鏈準(zhǔn)確性 , 且通用性不好 。 通過小型電動(dòng)機(jī)或電磁鐵 , 牽引鋼繩進(jìn)行自動(dòng)撥鏈 , 效果也不盡人意。 自行車是重要的交通工具之一，與人們的切身利益息息相關(guān)。 疲勞失效是機(jī)器零部件失效的主要形式，因此 疲勞試驗(yàn)是檢測材料的重要手段，在疲勞試驗(yàn)中判斷試件十是否破壞，傳統(tǒng)方法主要以目測宏觀裂紋的出現(xiàn)為依據(jù)，這種觀測方法往往難以保證準(zhǔn)確地給出材料的疲勞壽命，而且也不能提供裂紋隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量變化而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息。 自行車騎行過程中 ,容易引起顛簸振動(dòng) ,加上頻繁的剎車制動(dòng) ,產(chǎn)生瞬間的沖擊作用 ,當(dāng)這種瞬間的沖擊力累積到一定的次數(shù) ,如果車把不具有足夠的強(qiáng)度 ,車把的薄弱環(huán)節(jié)就會(huì)失效。疲勞破壞常常是由一些微小的表面裂紋引起的 ,在交變應(yīng)力的作用下 ,這些微小裂紋就會(huì)擴(kuò)展而當(dāng)一條主要裂紋的尺寸達(dá)到臨界值時(shí) ,構(gòu)件就發(fā)生破壞。機(jī)械制造、化工生產(chǎn)、建筑工程等許多方面都面臨材料結(jié)構(gòu)疲勞的影響。 疲勞失效是機(jī)器零部件失效的主要形式 ,因此疲勞試驗(yàn)是檢驗(yàn)材料性能的重要手段 ,在疲勞試驗(yàn)中判斷試件是否破壞 ,傳統(tǒng)方法主要以目測宏觀裂紋的出現(xiàn)為依據(jù) ,這北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 種觀測方法往往難以保證準(zhǔn)確地給出材料的疲勞壽命 ,而且也不能提供裂紋隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量變化而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息。 材料試驗(yàn)機(jī)是在各種條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)等的機(jī)械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零部件動(dòng)態(tài)不平衡量的精密測試儀器，可以對材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎 曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗(yàn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、建材、建工、航空航天、造船、交通運(yùn)輸、等工業(yè)部門以及大專院校、科研院所的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室。材料試驗(yàn)機(jī)的種類很多，有多種不同的分類方法。其中靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)一個(gè)主要組成部分。 自行車車把部件是自行車?yán)锓浅Ｖ匾牟考?,因此自行車車把部件的疲勞試驗(yàn)是對自行車疲勞試驗(yàn)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本課題所研制的自行車疲勞試驗(yàn)機(jī)包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。 課題研究意義 自行車的質(zhì)量檢測是自行車制造及使用的重要安全保障要素之一。為此，開展自行車疲勞耐久試驗(yàn)是非常重要和必要的，也越來越受到自行車生產(chǎn)廠家的關(guān)注。自行車的車架是受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，它承受著整車及載荷的重量，接受動(dòng)力傳遞裝置的扭矩，通過驅(qū)動(dòng)輪與路面的附著作用，產(chǎn)生對自行車的牽引力；自行車架受著路面作用于車輪的各種力及力矩承受著 自行車在不平路面行駛時(shí)產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)載荷等。因此，自行車車架和前叉必須有足夠的強(qiáng)度和剛性，而且在重量、造型等方面也有相應(yīng)的要求。靜強(qiáng)度是指在承受沖擊載荷時(shí)，車架抵抗永久變形的能力。實(shí)踐證明，目前碳纖維北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 自行車車架和前叉的主要損壞形式 是疲勞破壞，一般先在局部區(qū)域（焊接接頭處）產(chǎn)生裂紋，然后裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。通過對碳纖維自行車整車及關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析及壽命預(yù)估，不但可以對現(xiàn)行自行車車架前叉進(jìn)行剩余壽命評估，而且能有效地指導(dǎo)新型自行車的開發(fā)，提高了國內(nèi)碳纖維自行車的設(shè)計(jì)水平，具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。而國內(nèi) /吉林在此方面尚無有效檢測手段，此課題成功開發(fā)可填補(bǔ)國內(nèi) /吉林在此方面的空白，通過研究形成試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，在條件成熟的基礎(chǔ)上可上升為國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國外研究現(xiàn)狀 20 世紀(jì)中葉以來，隨著碳纖維技術(shù)和山地自行車運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，國內(nèi)外的一些公司對碳纖維山地車架的制造工藝進(jìn)行了大量的研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，推出了各種性能優(yōu)異的碳纖維車架，使碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)。其車架重量較鉻鉬鋼車架輕，強(qiáng)度、剛度卻比鉻鉬鋼車架高，因此一經(jīng)研制成功，便被用作專門的比賽用車。他們先用纖維編織機(jī)將碳纖維編成車架狀的“骨架”，再放置在模腔內(nèi)，注入樹脂后進(jìn)行加溫加壓固化，再對其表面進(jìn)行光整處理。傳統(tǒng)型的 碳纖維管和鋁合金接頭的粘接式車架也讓位于整體車架。到了 90 年代，國外廠商將粘接型和整體型進(jìn)行了“混合”技術(shù)。美國 Trek 公司應(yīng)用其 OCLV 專利技術(shù)，精確控制了碳纖維車架成型過程中的溫度和壓力，消除了車架制作過程中多層多方向?qū)盈B碳纖維之間產(chǎn)生的氣泡，從而使車架具有了最大的強(qiáng)度 —— 質(zhì)量比 ；在車架碳纖維結(jié)構(gòu)部段連接方面， Trek 公司采用階梯式連接法 (STEP JOINT)，保持了管壁厚度的一致性與連貫性。日本、意大利等企業(yè)的疲勞測試機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但因技術(shù)封鎖，只向我國提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不提供試驗(yàn)方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)；即使提供相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)范，我國的車型和路況與其國家的截然不同，試驗(yàn)規(guī)范亦無實(shí)用價(jià)值。另外 ,由于疲勞試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展 ,為適應(yīng)多種疲勞試驗(yàn)?zāi)康?,而出現(xiàn)疲勞試驗(yàn)機(jī)。它能實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷、高頻率、低消耗 ,從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間 ,降低了試驗(yàn)費(fèi)用。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 80 年代初期，臺(tái)灣是世界上最大的自行車出口基地，然而到了 80 年代中期，臺(tái)灣自行車工業(yè)由于其高科技含量低 ,失去了在國際市場上的競爭力。 1985 年，臺(tái)灣最大的自行車廠商之一捷安特 (Giant)公司與臺(tái)灣材料研究室 (MRL)共同開發(fā)碳纖維自行車，他們在不長的時(shí)間內(nèi)取得了一系列科研成果，成功地開發(fā)了一種新穎的鋁合金金屬壓注接頭膠接碳纖維自行車構(gòu)架。臺(tái)灣的碳纖維自行車安全測試機(jī)多采用氣動(dòng)控制，設(shè)備可靠性差，檢測精度難以保證。朝著特種、專業(yè)化方向發(fā)展 。朝著自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展 。 我國計(jì)量檢測事業(yè)的歷史悠久，但試驗(yàn)機(jī)制造行業(yè)在舊中國是空白，中華人民共和國成立后，黨和政府十分重視計(jì)量檢測技術(shù)的發(fā)展，采取了許多重要措施來發(fā)展儀器儀表工業(yè)。我國萬能材料試驗(yàn)機(jī)市場已形成一定的規(guī)模，試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展日趨大型化、智能化、動(dòng)靜態(tài)功能復(fù)合化，有的試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品已出口到國外，遠(yuǎn)銷到亞洲和歐美市場，具有一定的競爭能力。 國內(nèi)的碳纖維自行車在最近幾年取得了較大的進(jìn)展。深圳中華自行車公司自籌資金在 1993 年底建成一個(gè)生產(chǎn)廠，生產(chǎn)自行車用碳纖維管，目前已研制出可焊接碳纖維管自行車。但是隨著碳纖維自行車國際貿(mào)易的發(fā)展，我國自行車安全質(zhì)量檢測設(shè)備卻達(dá)不到歐洲國家標(biāo)準(zhǔn)，所以只有在消 化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更深入的研究開發(fā)一種碳纖維自行車綜合疲勞測試平臺(tái)，并結(jié)合客戶所在國家的自行車道路標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際情況制定企業(yè)的檢測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用，提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量，對于我國碳纖維自行車企業(yè)而言，具有廣闊的市場應(yīng)用價(jià)值和產(chǎn)業(yè)化前景。 同時(shí)具有各測試部件安裝簡單可靠、具有數(shù)字控制能力、檢測結(jié)果可自動(dòng)生成報(bào)表顯示等功能。 試驗(yàn)臺(tái)整體方案的設(shè)計(jì) 針對自行車疲勞測試的方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 進(jìn)行 深入的調(diào)研與 理論分析 ， 得到了相應(yīng)的 設(shè)計(jì)方案 ，并 設(shè)計(jì)出試驗(yàn)機(jī)的總體方案，如圖 所示。這樣采集 計(jì) 算 反饋 再采集 再計(jì)算 再反饋，直到輸出的力值與設(shè)定值相等為止，閉環(huán)控制保證了力控制的準(zhǔn)確和可靠。在其總體設(shè)計(jì)思路中，主要通過測試工作臺(tái)及組合夾具安裝 （ 1） 被測零部件，通過升降臺(tái)的升降、平移及角度調(diào)整等功能，將加載裝置按要求作用于被測部件。 圖 疲勞綜合測試試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成圖 測試部件的分析 目前，自行車整車檢測標(biāo)準(zhǔn)： CPSC 151歐洲標(biāo)準(zhǔn)： EN 1476 EN 14766 以及日本標(biāo)準(zhǔn)： JIS D9301。 本次設(shè)計(jì)是以EN14764 歐洲標(biāo)準(zhǔn) （ 2） 為依據(jù)進(jìn)行的分析檢測。不論以哪種方式試北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 驗(yàn)的受試自行車，在試驗(yàn)前都應(yīng)將輪胎充足氣，并按制造商的建議說明調(diào)整車閘；如有輪緣部，應(yīng)將閘皮和輪輞間的間隙調(diào)整到制造商規(guī)定的最大值。 表 各標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)試驗(yàn)的速度和制動(dòng)距離 表 標(biāo)準(zhǔn)代號 干態(tài)制動(dòng) 濕態(tài)制動(dòng) 備注 試驗(yàn)速度/ 制動(dòng)距離 /m 試驗(yàn)速度/ 制動(dòng)距離 /m 使用兩個(gè)車閘 單用 后閘 使用兩個(gè)車閘 單用后閘 ISO 4210 25 7 15 16 9 19 JIS D9301 GD5m以上 25 16 9 行程 GD GD5m以下 16 EN14764 25 7 15 16 5 10 JIS D9301 與 ISO 4210 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法基本相同。與 ISO 4210 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法相同；另一種供選擇的試驗(yàn)方法是試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)，由試驗(yàn)測得制動(dòng)力，然后經(jīng)計(jì)算求得制動(dòng)距離。最后還要有一次道路試驗(yàn)，借以檢驗(yàn)其平穩(wěn)、安全、停住的特性。 CPSC 1512 標(biāo)準(zhǔn)要求：制動(dòng)試驗(yàn)的速度和制動(dòng)距離詳見表 。 h1 制動(dòng)距離 /m 備注 手閘 16 ≤ 24 腳蹬曲柄速率 60r/min，相當(dāng)于行程大于 腳閘 16 24 腳蹬曲柄速率 60r/min，相當(dāng)于行程大北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 于 腳閘與手閘并用 16 24 腳蹬曲柄速率 60r/min，相當(dāng)于行程大于 車架 腳蹬力 測 試分析 在 EN14764 標(biāo)準(zhǔn)中對車架 腳蹬力疲勞試驗(yàn)有要求。在施加這作用力時(shí)，保證在開始對第二個(gè)腳蹬軸施加作用力時(shí)，先對施加于第一個(gè)腳蹬軸的作用力減為最大力的 5%或比最大力的 5%更小的力。 圖 車架 — 用腳蹬力進(jìn)行疲勞測試 圖 車架 水平力 測試分析 在 EN 14764 中對車架 水平力疲勞試驗(yàn)有要求。保證前后軸的中心在同一水平線上。 北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 圖 車架 水平力進(jìn)行疲勞測試 圖 車架 垂直力 測 試分析 在 EN 14764 中對車架 垂直力疲勞試驗(yàn)有要求。安裝一個(gè)合適的滾輪在前軸上以使得車架在測試力的作用下前后方向自由滑動(dòng)。在管子上端安全固定一個(gè)水平朝后的加長裝置（圖 3 所示 E），以至于該管子的長度（如圖 所示尺寸 h）將與座夾緊固的中心相當(dāng)?shù)?H位置為特殊車架可推薦的最高鞍座高度，或如果最高鞍座高度不能確定，則尺寸 h 應(yīng)為 250mm。 EN 14764 標(biāo)準(zhǔn)與 ISO 4210 要求是一致的，但 EN14764 中增加了對碳纖維材質(zhì)前叉的要求：在試驗(yàn)時(shí)其最大偏移峰值不論在哪個(gè)方向上應(yīng)不超過其原始值的 20%。 將前叉及前叉組合件安裝在模擬前管的夾具上，并擰緊軸承如圖 。 圖 前叉 — 彎曲疲勞測試 圖 曲柄組合件 測試分析 CPSC 1512 標(biāo)準(zhǔn)對曲柄組合件的疲勞試驗(yàn)不做要求； JIS D 9301 標(biāo)準(zhǔn)與 ISO 4210 相同，其中 JIS D 9301 標(biāo)準(zhǔn)對除鐵類材料外的曲柄組合件的曲柄長度在 140mm 以下的，荷重為 700N。 5） N EN 14764 標(biāo)準(zhǔn)要求中對碳纖維制成的曲柄，在試驗(yàn)時(shí)任一曲柄的最大偏移峰值均不應(yīng)超過其原始值的 20%。 a）與水平面呈 45度的曲柄測試方法 將由兩個(gè)腳蹬軸（有必要的話，加上加長裝置），兩個(gè)曲柄和鏈輪（或其他驅(qū)動(dòng)部分），裝在專用的軸承中的中軸，安裝在帶有軸承座的模擬中接頭的專用夾具上如圖 所示。用一根長度適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)鏈固定在最大鏈輪或單獨(dú)的鏈輪上以防止整個(gè)組合件轉(zhuǎn)動(dòng)，將這個(gè)傳動(dòng)鏈牢固的固定在一個(gè)合適的支