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自行车主体结构力学分析与性能实验研究 |
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作者：东南大学 林钦辉 |
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——自行车钢架危险点的探究与测试
摘要：本实验主要探究自行车钢架危险点的位置，采用电测—半桥自补偿桥路的实验方法对多点进行受力分析及应力测试。通过对所选点分别进行静载（让一重为60kg 的同学在实验过程中先上车再下车来实现），平地行驶（让一重为60kg 的同学在平坦的道路上骑行），青砖地行驶（让一重60kg 的同学在铺有青砖的地上骑行），下台阶（让一重60kg 的同学骑自行车从两级台阶上冲下，台阶分别高153mm,105mm）及撞墙（让一重60kg 的同学骑车并以一定速度撞墙）实验确定各实验状态下各点的应变—应力关系分析构件表面应力状态从而确定危险点的位置。
关键词：自行车，电测技术，半桥自补偿桥路
引言：
自行车是我们日常生活中常见也不可缺少的工具，其力学稳定性及强度性能对我们的人身安全极其重要，所以对其主体结构的力学测试和分析是非常必要的。为此，我们小组决定对此课题进行研究。经讨论，我们决定采用电测—半桥自补偿桥路的实验方法。在前面的学习中我们已经初步接触过应变片的基本知识与使用方法及桥路的几种接线方法。这次，我们将运用所学知识对自行车钢架危险点进行探究与测试。在寻找资料的过程中并未见到有很系统的关于此实验的报告及相关资料，所以我们自己初步估测了危险点可能存在的位置，并联系实际生活中车辆的易损点确定了19 个点。在实验里，我们将实事求是，确保实验的可信度与真实性。
图 1
实验目的：
探究自行车钢架上的危险点，并根据实验结果对自行车设计改进提出初步意见。
实验原理：
自行车构件在受到一定程度的力的作用时会产生应变。应变片是最常用的测力学量传感元件，把应变片牢固的粘贴在测试体表面，当测件受力而发生变形时，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也相应发生变化，通过测量电路将其转换成电信号输出。再根据应变——应力关系确定构件表面应力状态从而确定车架在各种情况下的变形确定危险点。
实验材料：
动态电阻应变仪，计算机，USB 数据采集系统，自行车，应变片及导线等。
实验准备阶段：
1，选点：经初步力学分析和老师的指导，确定了前叉7 个点，横杠6 个点，后叉6 个点，总计19 个点。
2，贴片：刮去自行车构件上的保护漆，磨光，用酒精擦洗干净，最后贴上应变片和接线过滤片（如图2）。将所需温度补偿片亦准备就绪。
图 2
3，焊接：导线的暴露部分需先用焊锡包裹，将应变片连线焊到接线过滤片后测量电阻，其值应在120 左右，再在接线过滤片上焊上导线，再次测量电阻值，亦应在120 左右。若测量值不符，则应重新贴片。
4，整理：将接好的导线分别根据测点编号并标记，在自行车后架排列整齐准备实验（如图3）。
图 3
实验测量阶段：
1， 确定测点（19 个点分批测量）并将其所对应导线接上长导线，并与应变仪连接正确，通过信号采集器连接到电脑，利用电脑直接导出数据和图像（如图4）。
图4
实验流程
2， 每组点将分成：静载，平地行驶，下台阶，青砖地行驶，撞墙 5 个阶段进行测试。
3， 对于噪声大的点进行分析，尝试减小噪声并重新测量，对于数据丢失的点进行检查，如有必要，重新贴片测试。
数据分析：
在静载的实验中我们可以看出05，06 两点的应变都在340 左右，由于05，06 两点处于两对称构件相对应的点，因此其静载时所得的应变曲线基本上相吻合；07，08 两点受压应力作用，其变行相对来说比较小。
平地行驶是在静载的基础上进行的，从图中我们可以看出此时各构件既会承受拉力又会有压力的作用，但相对来说都比较小，对构件性能的要求不是很高。
青砖地行驶与平地行驶相比较，其图形曲线的波动变化比较明显，构件容易疲劳。05，06 两构件所受的应力相对来说也比较大。图中最后面有个突变是由急刹车引起的，这说明在突然刹车的时候对05，06 点所在构件的破坏是比较大的。
在台阶的实验中，我们选取的是两节高分别为 153mm 和105mm 的台阶。从实验中可看出07，08 点受到的应力比平地时大的多但其主要还是对05 和06 点所在的构件的冲击比较大。
从快速冲下台阶的实验中我们可以看出当速度增加时 05，06 两点所在构件受到的冲击是慢时的3~4 倍，同时我们可以看出在此实验后05，06 点所在构件已经屈服。
撞墙实验。 此实验中我们可以看到 05 号点的应变达到了接近10000 个微应变导致05号点所在构件明显变形。其他点所受的应力也是比较大的。06 号点的应变曲线与05 号的相差很远，我们认为很可能是碰撞的时候车轮与墙之间并不是垂直碰撞的，从而导致了这个结果。
由以上分析我们可以确定 05，06 点为危险点，在设计自行车时我们应注意05，06 点所在构件的抗拉压能力。
小结：
本实验的关键是点的选取和实验方案的设计，我们组的方案有可取之处，也有不足之处。首先在取点方面，我们并未经过精确的理论计算，而只是参照其它文献，实际生活中的经验和简要的力学分析而确定的，这就有可能导致漏选和选错点的结果；其次是选择桥路问题，我们采用的是桥路自补偿的接线方法，这样使得实验操作变得简便，得出的数据也能直接反映出贴片处的应变情况，但是这样就只能研究一个方向的应变情况，不能研究构件的弯曲和剪切情况。
实验过程中也出现了许多问题，如产生的噪声太大，应变片易脱落及线路连接等问题，但经过探索和分析最终问题都得到了妥善的解决。
此次实验从方案，方案实施过程及最终的数据处理都是由我们自主完成的。从实验问题的不断发现及解决中我们学到了很多：提高了我们动手操作的能力同时又锻炼了我们钻研，分析，自主解决问题及团体合作的能力；也让我们认识到了自己的不足和知识的不完善。
参考文献
[1]郭磊金先龙 申杰 张晓云 陈忆九 刘宁国 张建华 汽车——自行车碰撞事故三维仿真再现研究振动与冲击 第 25 卷第6 期万方数据
[2]王虹镁合金自行车车架应用进展 广西轻工业 2007 年2 月第2 期万方数据丁思远 自行车车架试验模态分析[J] 河南科技，1994，12，（12）：4
[3]钟佩思黄雪涛 卢立富 基于 AWE 的自行车车架的CEA 分析万方数据
[4]材料力学实验北京航空航天大学出版社 王育平 边力 滕桂荣 赵向东编著
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(10/14/2009) |
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