基于剪切增稠流體應(yīng)用于共享單車剎車裝置的研究

劉子揚(yáng)

摘 要：針對(duì)共享單車剎車失靈導(dǎo)致騎行者受傷的安全隱患，文章在分析目前常見(jiàn)的剎車種類、對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析之后，提出把剪切增稠流體應(yīng)用于共享單車剎車裝置的設(shè)想，并提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，嘗試尋找解決辦法。

關(guān)鍵詞：剎車裝置;剪切增稠流體;共享單車

當(dāng)今，共享單車成為人們外出的一種重要交通工具，其綠色、便捷、資源豐富的特點(diǎn)深受喜愛(ài)。然而，在眾多媒體上不時(shí)看到諸多共享單車因剎車失靈而導(dǎo)致騎行者受傷的報(bào)道，因而，人們?cè)谑褂霉蚕韱诬嚂r(shí)，對(duì)剎車靈敏度、安全度的要求遠(yuǎn)高于其它需求，而單車本身在高速、坡路、轉(zhuǎn)彎、雨雪天行駛等特殊情況下，也對(duì)剎車裝置性能提出了更高要求。目前，共享單車多采用膠皮剎、鼓剎、碟剎等剎車方式，膠皮剎、鼓剎存在明顯不足，碟剎是當(dāng)前較為先進(jìn)的剎車方式。本文嘗試設(shè)計(jì)一種把剪切增稠流體應(yīng)用于剎車裝置的全新剎車方式，以進(jìn)一步滿足人們對(duì)共享單車安全度的需求。

一、目前共享單車剎車裝置狀況研究

首先介紹一些本篇文章涉及到的相關(guān)概念及知識(shí)。“制動(dòng)”概念：給運(yùn)動(dòng)物體（或系統(tǒng)）施加一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力或阻力矩（機(jī)械性、阻尼性、電磁性、液壓性等），使之減速或停止運(yùn)動(dòng)的過(guò)程?！凹羟性龀硪后w”，其實(shí)是一種處在固液混合狀態(tài)的納米粒子溶劑，通常狀態(tài)下以液態(tài)形式存在。原理：不受沖擊時(shí)，粒子互不干擾呈液態(tài);受到?jīng)_擊，粒子激烈碰撞變固態(tài)?！白孕熊噭x車”，一個(gè)簡(jiǎn)單的杠桿系統(tǒng)，在車把手處用很小的力，通過(guò)剎車裝置傳遞給車輪（車圈或車軸）很大的阻力，達(dá)到給自行車制動(dòng)的目的。

（一）常見(jiàn)的機(jī)械摩擦制動(dòng)器種類

一是徑向作用式制動(dòng)器（塊式、帶式），如膠皮剎、鼓剎;二是軸向作用式制動(dòng)器（盤式），如碟剎，碟剎又分油碟剎車和線碟剎車。

（二）目前自行車剎車種類

按制動(dòng)力的作用點(diǎn)不同，分為剎輪圈和剎輪軸兩種，剎輪圈類常見(jiàn)的如膠皮剎，剎輪軸類常見(jiàn)的如鼓剎（抱剎）、羅拉剎、碟剎。

（三）共享單車各品牌采用的剎車種類

“小藍(lán)”采用前抱剎后羅拉剎方式，“小鳴”采用前后雙抱剎（鼓剎）方式，“ofo”采用傳統(tǒng)的前夾剎（膠皮剎）后抱剎（鼓剎）方式，“Mobike”使用電剎車系統(tǒng)，“Mobike Lite”則升級(jí)為碟剎。

（四）常見(jiàn)剎車方式的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

膠皮剎：由兩塊剎車膠皮對(duì)車圈互夾產(chǎn)生摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝、保養(yǎng)與維修，性價(jià)比高;缺點(diǎn)是雨天、泥地或涉水路面易打滑，用力過(guò)大或?qū)е螺喬ケ?，安裝不當(dāng)會(huì)使車圈變形;不良的剎車皮會(huì)損傷車圈乃至輪圈開裂，影響剎車力度和剎車皮使用壽命;長(zhǎng)距離制動(dòng)，剎車皮摩擦面過(guò)熱易使制動(dòng)力衰減或喪失。

鼓剎：通過(guò)液壓將裝在剎車鼓內(nèi)的剎車片往外推，剎車片與隨輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的剎車鼓發(fā)生摩擦，使車輪減速。優(yōu)點(diǎn)是成本較低、不怕泥水、性能優(yōu)良、維護(hù)簡(jiǎn)單、剎片的耐久度好。缺點(diǎn)是不易散熱、剎車系統(tǒng)反應(yīng)較慢、剎車的踩踏力道不易控制、不利于做高頻率的剎車動(dòng)作、構(gòu)造復(fù)雜零件多、維修不易。

羅拉剎：專為城市休閑車發(fā)明的剎車系統(tǒng)，分為兩大類，一類是凸輪型，一類是磨擦片型。凸輪型，由拉線牽動(dòng)拉桿，使凸輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，頂動(dòng)六個(gè)滑塊，每?jī)蓚€(gè)滑塊頂起一塊剎車塊，三角剎車塊同時(shí)動(dòng)作，與剎車鼓體內(nèi)部磨擦制動(dòng);另一種磨擦片型就像摩托車的離合器，動(dòng)作也像。從外型上區(qū)分，帶一個(gè)大散熱片的是磨擦片式，焊有散熱片的是凸輪式。羅拉剎的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)受到外界如塵土或雨水的侵入影響，幾乎零磨損，制動(dòng)力平穩(wěn)，可以不同氣象條件下獲得很好的剎車力，它的調(diào)校和傳統(tǒng)的抱閘基本一樣，內(nèi)部不需調(diào)整，而只要調(diào)整接線行程即以。

碟剎：碟式剎車系統(tǒng)的工作原理是在花鼓上安裝一塊和車輪同步旋轉(zhuǎn)的碟盤，并在前叉與車架上裝置卡鉗，再透過(guò)卡鉗內(nèi)的剎車塊夾緊碟盤，達(dá)到剎車的目的。碟剎分為機(jī)械式和油壓式兩種，機(jī)械式碟剎是通過(guò)手動(dòng)捏動(dòng)剎車把，使剎車把與剎車夾器之間連接的線管內(nèi)的鋼絲線拉緊，帶動(dòng)剎車夾收緊，從而讓來(lái)令片夾在碟片上制動(dòng);而油壓碟剎則是用高密度的礦物油代替鋼線，當(dāng)捏動(dòng)剎車把時(shí)，剎車把的機(jī)械構(gòu)造會(huì)壓縮線管內(nèi)的空間，使線管內(nèi)的油壓增大，通過(guò)油的壓力壓動(dòng)剎車夾器。

碟式剎車系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是雨天、重度越野或長(zhǎng)距離下坡制動(dòng)時(shí)效果較好，散熱效果好，在高速剎車時(shí)能迅速制動(dòng)。其中油剎手感和使用效果相較機(jī)械碟剎有明顯優(yōu)勢(shì)，操作靈活，性能超強(qiáng)，但根據(jù)使用情況，要定期換油，調(diào)試安裝以及保養(yǎng)、維護(hù)比較繁瑣會(huì)，或有漏油現(xiàn)象;機(jī)械碟剎比較容易保養(yǎng)，性能比較可靠，安裝調(diào)試比較輕松，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是重量較大、維護(hù)麻煩，價(jià)格貴，抱死速度相對(duì)較慢，對(duì)車圈的控制手感上沒(méi)有v剎好。

二、把剪切增稠流體應(yīng)用于共享單車剎車裝置的研究

（一）外形設(shè)計(jì)（如圖方案一）

方案一

（二）剎車裝置的研究

（1）主要結(jié)構(gòu)組件。剎車把手、復(fù)位彈簧、推桿、活塞1、剎車油杯、油管、活塞2、剪切增稠流體、流體箱、轉(zhuǎn)子、軸承、密封墊圈、圓錐齒輪副（齒輪2、齒輪3）、聯(lián)軸器、齒輪1（與車輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)）、外罩。

（2）安裝部位、應(yīng)用原理。安裝部位：剎車油杯及剎車把手固定在車把處，油管順車架走線固定，齒輪組及剪切增稠流體箱固定在車輪軸及車架上。應(yīng)用原理：車把手處應(yīng)用省力杠桿原理，油推活塞2應(yīng)用帕斯卡原理，剪切增稠流體給轉(zhuǎn)子施加阻力應(yīng)用剪切增稠流體性質(zhì)，齒輪組處應(yīng)用了兩軸平行齒輪傳動(dòng)和兩軸不平行齒輪傳動(dòng)原理。

（3）工作過(guò)程。在剎車把手處施加較小力通過(guò)杠桿放大傳遞給推桿，推桿推動(dòng)活塞1壓縮油，在油壓作用下活塞2把剪切增稠流體推到容器上部，使轉(zhuǎn)子完全浸沒(méi)在剪切增稠流體中;轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)中受到流體阻力迅速減速再通過(guò)齒輪3、2、1依次作用于車輪，達(dá)到使車輪減速的目的。松開剎車把手時(shí)，復(fù)位彈簧拉動(dòng)剎車把手恢復(fù)原位，通過(guò)杠桿作用推桿拉動(dòng)活塞1回到原位，油壓減小，活塞2因下方油壓減小在上下液體壓力及自重合力作用下下移至原位，剪切增稠流體在重力作用下下降至轉(zhuǎn)子下表面下方，轉(zhuǎn)子不受流體阻力，齒輪不受阻力，車輪不受阻力正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

三、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)想方案主要是用油壓方式控制剪切增稠流體液面高度對(duì)轉(zhuǎn)子施加阻力，轉(zhuǎn)子再通過(guò)齒輪把阻力傳遞給車輪，達(dá)到使車輪瞬間減速的目的;也可采用機(jī)械線拉的方式控制圖1中活塞2上下移動(dòng)來(lái)控制剪切增稠流體高度，再把剪切增稠流體對(duì)轉(zhuǎn)子的阻力傳遞給車輪，此兩種剎車方式的控制部分與油碟剎車和線碟剎車相同，既可作為油碟剎車和線碟剎車的輔助剎車裝置，也可單獨(dú)成為剎車裝置使用，不足之處是剪切增稠流體箱、圓錐齒輪副、直齒齒輪等設(shè)計(jì)會(huì)增加共享單車的總質(zhì)量，使騎行舒適度受到一定影響，但其應(yīng)用前景廣泛，可以應(yīng)用到其它功能自行車，甚至電動(dòng)自行車、摩托車、汽車等機(jī)動(dòng)車輛領(lǐng)域。

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