自行车前叉振动特性及动力反应研究

　　O引言

　　前叉是自行车的一个主要组成部件，它承受荷载的相当一部分，并车骑行时起缓冲减振作用。然而，我国长期以来生产的自行车，在人们骑行过程中，前叉经常发生断裂，即使用户得不到安全保障，又严重地影响了生产厂家的经济效益和质量信誉。我们研制了一种新型前叉，在不改变原有前叉的材质和重量的前提下，只改变前叉的几何尺寸、材料质量的分布情况，从而提高了前叉的抗振能力，睹绝了断裂现象的发生。用研制的新前叉和原有的老前叉分别与相同的车架组成两种车体结构系统做振动试验，测试结果表明，新前叉比老前叉的振动响应明显改善，动应力显著下降。下面分别从理论和试验方面进行研究，这自行车的设计和制造提供动态理论依据。

　　1力学模型

　　自行车车体结构系统基本对称而可简化为平面刚架，车体各管为刚性联接，车体与前轮、后轮的两处联接视为铰支座。将车体结构系统离散成为29个节点，共分30个单元的力学模型。图1表示车体的节点编号及单元的划分，它相当于用30根只有弹性而无惯性的无重梁把27个具有集中质量的小球连接而构成的多自由度的振动系统。图2表示车体的等效质量模型。

　　2理论分析

　　自行车在道路上骑行时，由于路面不平而产生随机加速度激励，使车体产生随机振动。为了研究简便，只限自行车在标准道路上作直线平稳行驶，此时的车体主要承受竖直方向的上下振动，且以简振为主，属多自由度系统的强迫振动，其动力反应计算的矩阵形式为

　　式中的分别是与第j个振型对应的频率、相当质量及相当荷载。再应用坐标变换关系式(3)，即可从上式中的坐标v，计算出结构系统各处相应的位移。

　　3算例及试验

　　3.1算例

　　以26英寸飞鸽牌标定自行车为例，分别采用总质量相同而分布位置不同的新、老两种前叉与相同型号的车架安装成新、老两种车体作为计算对象。结构节点坐标及单元几何特性数据见图1、表1、表2和表3。理论计算新、老两种车体结构系统的前各阶固有频率见表4。其中前叉的单元号是从下起至上止。

　　根据静态应力分析可知，前叉根部(节点10处)为应力危险区域。振动理论计算前叉根部动应力见表5和图3。由此可知:在低频范围内，前叉根部的动应力较大。并且新前叉根部的动应力始终小于老前叉根部的动应力。这就是新前叉组成的自行车在骑行时不易发生断裂的理论依据。以上计算是未计阻尼情况下得出的，当考虑阻尼时(取阻尼比泞~0.04)，相对误差在3%以内，认为阻尼影响不大。