電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)之結(jié)構(gòu)力學(xué)模型構(gòu)想

梁 正

（江蘇省自行車電動(dòng)車協(xié)會(huì)，江蘇 無(wú)錫 214000）

電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)之結(jié)構(gòu)力學(xué)模型構(gòu)想

梁 正

（江蘇省自行車電動(dòng)車協(xié)會(huì)，江蘇 無(wú)錫 214000）

在2016年7月的《電動(dòng)自行車》中，作者討論了數(shù)學(xué)建模對(duì)電動(dòng)自行車規(guī)范設(shè)計(jì)的重要意義，但是關(guān)于如何進(jìn)行電動(dòng)自行車數(shù)字建模的問(wèn)題則未及論述。文章在此基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)自行車數(shù)學(xué)建模問(wèn)題進(jìn)行了更深入的探討。

靜力學(xué)；電動(dòng)自行車；數(shù)學(xué)模型

作為個(gè)人代步交通工具，電動(dòng)自行車主要涉及的因素有兩方面，一是產(chǎn)品的主體——電動(dòng)自行車，二是產(chǎn)品的客體——使用者。主客體兩者之間存在一定的對(duì)應(yīng)性，也存在著一定的變量關(guān)系。所謂對(duì)應(yīng)性，就是每位使用者經(jīng)常使用一輛特定的電動(dòng)自行車；所謂變量關(guān)系就是使用者由于身高、體重、年齡、健康狀況等是不相同的，每輛電動(dòng)自行車的結(jié)構(gòu)、類型、重量、動(dòng)力等也不同；使用者選擇什么類型電動(dòng)自行車，什么電動(dòng)自行車被何使用者選用，這是一個(gè)變量關(guān)系。當(dāng)這種變量關(guān)系超出了適合的對(duì)應(yīng)性范圍，這時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題；如超重帶來(lái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題和動(dòng)力不足問(wèn)題，超速帶來(lái)的交通事故和安全問(wèn)題等。

為了避免這些問(wèn)題的發(fā)生，設(shè)計(jì)者并不能一味通過(guò)無(wú)限放大車體結(jié)構(gòu)、增加材料厚度、加大電機(jī)功率來(lái)解決；既不科學(xué)，也增加了成本，還會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。我們必須對(duì)電動(dòng)自行車從符合社會(huì)使用的實(shí)際要求進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。數(shù)學(xué)建模即是一種有效的科學(xué)設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車的方法。

電動(dòng)自行車數(shù)學(xué)建模包括的設(shè)計(jì)因素很多，是一個(gè)系統(tǒng)工程；需要一一研究。本文只就電動(dòng)自行車的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模型問(wèn)題闡述一點(diǎn)管見(jiàn)構(gòu)想。

1. 電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)所涉及的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素

（1）主體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；即電動(dòng)自行車整體的組合強(qiáng)度。

影響電動(dòng)自行車整體組合強(qiáng)度的因素包括：

① 材料種類、材質(zhì)、密度、形狀、厚薄、強(qiáng)度特性、重量等；

② 受力種類、方向、強(qiáng)度、振動(dòng)幅度等；

③ 抗受力特性：沖擊、落重、彎曲、扭曲、耐磨、韌性等。

（2）受重支承能力：車體自重、承載人體重量、承載物重量、輔件附件重量、支承部位壓強(qiáng)等；

（3）速度：≤20km/h = 5.6m/S；重力加速度等。

（4）環(huán)境耐受特性：耐高溫（55℃），耐低溫（-20℃）；耐雨濕、淋、浸、冰；耐腐蝕等。

這些因素，關(guān)系到電動(dòng)自行車的機(jī)械結(jié)構(gòu)性能，質(zhì)量可靠性能、使用安全性能和使用壽命等關(guān)鍵內(nèi)容，必須在設(shè)計(jì)中認(rèn)真對(duì)待，不容忽略。

2.電動(dòng)自行車的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

分析電動(dòng)自行車的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的意義在于必須周密考慮電動(dòng)自行車各項(xiàng)可預(yù)測(cè)的變量，了解它們?cè)陟o止?fàn)顟B(tài)下的情況，以解決電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)中各變量的關(guān)系。

對(duì)于受重力（G）已經(jīng)在文中列出了其構(gòu)成元素：車體自重（g1）、承載人體重量（g2）、承載物重量（g3）、輔件附件重量（g4）等。在g1～g4中，g1是最后才能確定數(shù)值的元素；因?yàn)樗仨氃谥С辛確定后，達(dá)到支承力F的要求。根據(jù)這個(gè)要求，可以得到：

g1的質(zhì)量=F-（g2∪g3∪g4）由重力轉(zhuǎn)換得到。

但我們要求組成g1的車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值＞F值的范圍，具體數(shù)值系數(shù)如何，需要根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范要求確定；因?yàn)橹挥羞@樣，才能確保車輛的承載安全性。

那么，g2、g3、g4究竟選擇多少才是合適的呢？

作為人體重量這個(gè)元素，GB17761—1999中確定為75kg，但隨著我國(guó)國(guó)民生活水平的提高，人們的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)，根據(jù)人體身高重量比值，超過(guò)80kg的群體應(yīng)該不是極少數(shù)，是大有人在的；另一方面，在電動(dòng)自行車的使用中，家長(zhǎng)帶著孩子，如：接送孩子上幼兒園、上學(xué)等，這也是現(xiàn)實(shí)存在的事實(shí)，也是合理的用途；作為社會(huì)商品的電動(dòng)自行車是不能忽略而視而不見(jiàn)的；按75kg確定的電動(dòng)自行車承載質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，顯然是不完全符合實(shí)際情況的。因此，以一個(gè)家長(zhǎng)帶一個(gè)孩子的限值確定不同車型的設(shè)計(jì)要求，g2設(shè)為100kg～120kg應(yīng)是較為合乎情理和實(shí)際的。

作為承載物，g3設(shè)定在20kg較合理，即以日常生活中到超市買一袋10kg米和其他一些小件日用品等為依據(jù)，滿足人們出行日常生活的需求。

電動(dòng)自行車的輔件附件，以網(wǎng)籃、衣架、工具箱為基本配置，g4一般設(shè)定為10kg～12kg即可。

因此，電動(dòng)自行車的受重力

從上式可以看出，電動(dòng)自行車除自重以外，必須能夠承受130kg～152kg質(zhì)量的重力。這就是靜止?fàn)顟B(tài)情況下的電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基本要求。

但僅此還是不夠的，根據(jù)力的分布原理，一定質(zhì)量所施加的(重)力主要集中在作用點(diǎn)(重力點(diǎn))上，這樣就需要對(duì)重力點(diǎn)承受重力的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

以上圖為例，可以得出電動(dòng)自行車各部位承受的重力并不是平均和相同的，而是集中在一些主要的重力點(diǎn)上。如圖片中①②就承載了整個(gè)電動(dòng)自行車的大部分質(zhì)量，這些重力集中在前叉接片和車架的平叉接片上，并通過(guò)他們施加到了輪軸上。而輪軸又通過(guò)輻條進(jìn)一步將這些重力傳遞分散到了輪輞和輪胎上。

實(shí)際上圖片中①②各自承擔(dān)的受重力也不是等量的，由于電動(dòng)自行車加載重心的偏后，所以，圖片中②所承受的重力要大于圖片中①。

在整個(gè)電動(dòng)自行車的大部分重力集中到了前叉接片和車架后平叉接片上及輪軸上以后，我們就要重點(diǎn)研究一下接片及連接部位和輪軸的承載能力了。

設(shè)受重力G=mg=152kg×9.8=1490N，設(shè)①和②的重力分配比為1：3，則前叉接片和輪軸上承受的重力為370N(取整數(shù))，后平叉接片與輪軸承受的重力為1120N(取整數(shù))；以接片寬度為3mm，開(kāi)口直徑φ12，以?shī)A角60°計(jì)，有效承載截面積為37.68mm2；前叉接片與前軸受力強(qiáng)度為9.82N/mm2，后平叉接片與后軸受力強(qiáng)度為29.72N/mm2。

而圖片中③是騎行人體重力點(diǎn)位置，圖片中④是人體重力通過(guò)鞍管力壁傳遞的關(guān)鍵部位；這些部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否達(dá)到要求，對(duì)電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)的安全性能至關(guān)重要。曾有企業(yè)因?yàn)樵趫D片中④的位置上處理不當(dāng)，導(dǎo)致鞍管批量折斷，發(fā)生了很多起的顧客摔傷、跌傷事故，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。

當(dāng)圖片中③強(qiáng)度足夠時(shí)，則施力點(diǎn)轉(zhuǎn)移到圖片中位置④；但圖片中④前后部位置所受力的大小正好與圖片中③位置前后部位互換。

在確定了電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)和各重力點(diǎn)的分布以后，我們接下來(lái)就要選擇符合這些條件的電動(dòng)自行車的材料了。是選擇鋼鐵材料，還是鋁合金材料，或是碳纖維、鎂合金材料，或是互相搭配混合，這就需要設(shè)計(jì)者根據(jù)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卮_定了。具體的材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以實(shí)驗(yàn)測(cè)得，也可以查詢有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，但一定要在結(jié)構(gòu)上達(dá)到強(qiáng)度數(shù)據(jù)的要求。

上述只是例舉說(shuō)明了在靜止?fàn)顟B(tài)情況下，對(duì)電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求；但電動(dòng)自行車是在行駛中的代步交通工具，還會(huì)有各種振動(dòng)、沖擊、落重等的情況，這就要對(duì)電動(dòng)自行車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力學(xué)強(qiáng)度分析。

3. 用數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

上面對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)狀態(tài)下，電動(dòng)自行車的質(zhì)量、重力和受力動(dòng)量、沖量情況進(jìn)行了舉例分析。通過(guò)分析，可以認(rèn)識(shí)到，電動(dòng)自行車的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度是可以通過(guò)力學(xué)分解和數(shù)學(xué)計(jì)算解決的。所以，建立電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型是可以實(shí)現(xiàn)的。

電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)建模工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，也是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)工具；如果經(jīng)過(guò)科學(xué)分析，現(xiàn)有電動(dòng)自行車的數(shù)據(jù)和構(gòu)造不符合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)者也應(yīng)該大膽地進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新，讓電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)煥發(fā)新的生機(jī)。當(dāng)然，電動(dòng)自行車數(shù)學(xué)建模工作需要考慮和解決的問(wèn)題也很多，本文只是通過(guò)列舉提出了電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)之結(jié)構(gòu)力學(xué)建模的一個(gè)課題。

[ 1 ]梁正.數(shù)字建模對(duì)電動(dòng)自行車規(guī)范設(shè)計(jì)的重要意義[ J ].電動(dòng)自行車，2016（7）：40-42.

編輯：傅金睿

行業(yè)簡(jiǎn)訊

上海市公安局發(fā)布通告加強(qiáng)電動(dòng)車消防安全管理

上海市公安局發(fā)布《上海市公安局關(guān)于加強(qiáng)本市電動(dòng)車消防安全管理的通告》，明確任何人不得將電動(dòng)自行車停放在疏散通道、安全出口、樓梯間等處。物業(yè)服務(wù)企業(yè)或管理單位應(yīng)設(shè)置電動(dòng)自行車集中存放點(diǎn)，存放點(diǎn)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置或與建筑其他部位采取防火分隔，配備必要的消防設(shè)施器材。

據(jù)消防部門(mén)介紹，在很多電動(dòng)車火災(zāi)中，不少人員傷亡并不是由明火直接造成的，而是因?yàn)槲肓擞卸緹煔?。目前幾乎所有電?dòng)車使用的裝飾性部件都是易燃材質(zhì)，一旦起火會(huì)迅速形成煙氣。此前上海市消防局曾聯(lián)合公安部上海消防研究所進(jìn)行了一次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，3輛停放在1樓樓道內(nèi)的電動(dòng)車起火后，濃煙快速封堵逃生通道，明火燃燒79秒2樓煙氣溫度已達(dá)到126.7℃，最高溫一度竟達(dá)到1105.9℃。