肖磊 楊麗 李世隆 高黨尋 耿娜 何紫齊

摘要：電動自行車作為重要的交通工具之一，隨著現(xiàn)代制造技術的不斷發(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。電動自行車在提高安全性能的同時，材料輕量化及制造工藝的改善是實現(xiàn)電動自行車行業(yè)發(fā)展的關鍵點。此文對當前電動自行車材料輕量化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進行了分析，探討了電動自行車車架材料輕量化制造工藝，綜述了輕量化領域中新材料、新工藝的最新研究進展，總結了目前國內外研究的熱點、難點問題。此文基于目前的研究現(xiàn)狀，提出了電動自行車車架輕量化技術的發(fā)展趨勢，旨在促進行業(yè)輕量化發(fā)展，為行業(yè)生產制造提供參考。

關鍵詞：電動自行車；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，以及國家倡導綠色環(huán)保低碳的生產生活方式，人們對電動自行車制造業(yè)提出了更高的要求，希望其在具有高質量、高可靠性的同時，還能夠在原材料消耗及能源消耗等方面進行全面有效的控制[1，2]。

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

1? ? 車架材料輕量化發(fā)展及應用現(xiàn)狀

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

1.1? ? 鋁合金和鎂合金材料

鋁合金和鎂合金車架具有質量（重量）輕、塑性好的特點，與鋼鐵材料相比，其熱導率更高，并且具有良好的抗腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，且實際加工成型容易，是當前發(fā)展比較成熟的車架輕量化材料。同時，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可以加強使用的舒適度。因此，鋁合金和鎂合金已作為結構部件廣泛應用于電動自行車車架部件[8]。雖然鋁合金和鎂合金的強度要低于鋼材料，但是利用現(xiàn)代生產技術進行改進后，其強度基本可以達到電動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，極大地改善了電動自行車的使用安全性。增加鋁合金和鎂合金材料在電動自行車生產制造中的應用范圍，是電動自行車材料輕量化發(fā)展的重要方向之一。在電動自行車車架制造中應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。

當前阻礙鋁合金和鎂合金應用的主要原因是經濟性問題，因其原材料成本較高，加工設備造價較高，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)模應用，有可能會造成原材料采購的資金壓力，從而推高電動自行車整車制造成本。在電動自行車車架的選材中，我們要綜合考慮各方面的因素。

1.2? ? 碳纖維復合材料

碳纖維復合材料是由有機纖維經過一系列熱處理轉化而成，含碳量高于90%的無機高性能纖維，是一種力學性能優(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，是新一代增強纖維。碳纖維復合材料具有質量（重量）輕、抗腐蝕性強、產品成型穩(wěn)定、結構強度高的特點，且防銹和吸震性能好，設計自由性高，可以在提升整車舒適性的同時，起到一定的美化裝飾效果。

當前，我國電動自行車車架生產中碳纖維復合材料應用較少，主要受限于價格因素。

1.3? ? 鈦合金材料

鈦合金具有質量（重量）輕、結構強度高、韌性好、耐腐蝕等特點，近年來越來越多地被應用于高端電動自行車上，是電動自行車高端化的標志。

鈦合金材料的應用難點在鈦合金的焊接工藝方面。鈦合金的焊接對于保護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行保護[10]。

1.4? ? 高強度鋼材料

根據屈服強度的不同，鋼鐵材料分為低強度鋼、高強度鋼與超高強度鋼三種。根據實際測試，在同一正常環(huán)境中，低強度鋼的屈服強度在210 MPa以下，而高強度鋼的屈服強度則高于220 MPa，低于550 MPa；當鋼材料的屈服強度高于550 MPa時，則其為超高強度鋼。根據強化機理的不同，高強度鋼分為普通與先進兩種。

高強度鋼材料是在電動自行車車架中應用較多的材料，高強度鋼材料在等級相同的情況下，能夠對鋼板的厚度進行調整和控制，從而實現(xiàn)減輕整車車身質量（重量）的目標。其中，普通高強度鋼材料主要包括碳錳鋼（C-Mn鋼）、烘烤硬化鋼（BH鋼）、高強度無間隙原子鋼（HSS-IF鋼）和高強度低合金鋼（HSLA鋼）等材料；先進高強度鋼材料主要包括貝氏體鋼、復相鋼、熱成型鋼等材料。隨著鋼鐵冶金技術的不斷發(fā)展，高強度鋼材料在電動自行車車架中的應用越來越多，但仍舊存在一些技術性難題，影響其應用。如伴隨著鋼材料的剛性和強度的提升，其成型性能會下降，并且也會降低其伸長率，難以有效控制高強度鋼成型與焊接性能，極大地增加了材料的加工難度，制造工藝也難以達到理想要求。雖然，目前我國在獨立生產高強度鋼的技術領域取得了一定的突破，但仍舊與世界先進技術水平存在一定的差距。

2? ? 輕量化制造加工工藝的應用現(xiàn)狀

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

2.1? ? 機器人焊接工藝

電動自行車產品的生產過程很難離開金屬結構件的焊接。近年來，隨著車架各種結構件的設計升級以及高端車型的個性化設計，焊接的需求量越來越多，這對于車架鋼結構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，存在工人勞動強度大、生產效率低、焊接質量不穩(wěn)定等問題，因此對于電動自行車車架的焊接，迫切需要自動化且焊接工藝成熟的焊接方法來解決上述問題。相關人員通過自動化的車架焊接機器人設備，對車架焊接工藝進行合理規(guī)劃，可以實現(xiàn)機器人自動化焊接。機器人焊接質量取決于機器人自身精度、弧焊包的功能、原材料質量、下料精度、組對精度和工裝夾具的合理設計。相關人員通過合理設計機器人焊接路徑規(guī)劃，讓焊接工藝與機器人焊接路徑、姿態(tài)達成匹配，能夠達到焊縫質量要求，并解決以往復雜工件焊接質量和效率不高的問題。見圖2。

例如，浙江綠源電動車有限公司車架生產車間采用自動化焊接機器人進行車架焊接生產，機器人重復定位精度可達±0.1 mm，在實現(xiàn)高效率的同時保證了焊接質量的穩(wěn)定性，為企業(yè)產品質量提供了保證。見圖3。

2.2? ? 激光焊接工藝

激光焊接成型技術屬于近年來高速發(fā)展的新型焊接技術，特別適用于特種合金的焊接。應用激光焊接成型技術進行車架焊接加工，能夠實現(xiàn)對不同材質及厚度的金屬型材進行焊接成型的目的，減少了由于搭邊等問題造成的原材料浪費，使零件結構得到優(yōu)化，有效提高了材料的利用率，從而優(yōu)化車架的力學性能，提升車架強度。

2.3? ? 碳纖維復合材料應用工藝

碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性大、強度高而成為一種先進的車架材料，目前主要應用于少數高端車型中。

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

3? ? 結束語

電動自行車輕量化應用的推動，需要材料技術的不斷發(fā)展以及生產制造工藝的不斷完善，對此生產企業(yè)需加大對電動自行車制造的創(chuàng)新力度，從根本上改善其材料性能和制造成本的經濟性，從而實現(xiàn)輕量化的目標，推動我國電動自行車行業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。

電動自行車車架輕量化，不僅能夠減輕車身質量（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。

參考文獻

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