兩輪車側(cè)架剎車器

◆貴陽(yáng)市第五中學(xué) 吳景濤 劉丹 郭夢(mèng)娜

兩輪車小巧、價(jià)廉，尤其是電動(dòng)自行車，其動(dòng)力足、無(wú)噪聲，低碳環(huán)保，是不錯(cuò)的代步工具。

兩輪車大多有一個(gè)停車輔助裝置——側(cè)架。停車時(shí)放下側(cè)架，車身三點(diǎn)著地，保持平穩(wěn)。但側(cè)架存在一些安全隱患。我們?cè)慷眠@樣一起交通事故：兩輪車的駕駛員向左轉(zhuǎn)彎時(shí)車速很快，內(nèi)偏角較大，未收起的側(cè)架插入地面，車輛失去控制翻倒在地，所幸后方機(jī)動(dòng)車剎車及時(shí)，才未造成人員傷亡。

能否在啟動(dòng)車輛時(shí)就讓電動(dòng)車的側(cè)架自動(dòng)收起？向老師提及這個(gè)想法后，老師鼓勵(lì)我們觀察、研究校園內(nèi)電動(dòng)車的行駛情況。經(jīng)過(guò)觀察，我們發(fā)現(xiàn)電動(dòng)車的側(cè)架僅由一根彈簧和一根襯腳構(gòu)成，側(cè)架被放下時(shí)會(huì)外翹，著地點(diǎn)與前后輪構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，被收起時(shí)向后靠攏，與前后輪平行。雖然這種設(shè)計(jì)方便停車，但啟動(dòng)車輛后如果忘記收起側(cè)架，向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輛易因側(cè)架蹭地而翻倒。

一、兩輪車轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)偏的機(jī)理

經(jīng)測(cè)量，兩輪電動(dòng)車側(cè)架被放下時(shí)，偏角約為12°。在一般的平面十字路口直角轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑為20 米至30 米，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)所需向心力僅由車輛內(nèi)偏動(dòng)作提供，據(jù)此可構(gòu)建分析研究模型。

兩輪車轉(zhuǎn)彎時(shí)，向心力來(lái)自地面的靜摩擦力、地面的支持力和重力平衡。兩輪車轉(zhuǎn)彎時(shí)為什么會(huì)內(nèi)偏？我們對(duì)車輪與地面的接觸位置進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)了奧秘。

如圖1，地面的支持力FN與摩擦力f 的合力，即地面對(duì)車輪的作用力必須經(jīng)過(guò)車的重心，這就是兩輪車轉(zhuǎn)彎時(shí)需內(nèi)偏的原因。這樣，偏角θ和轉(zhuǎn)彎速度v 之間存在必然聯(lián)系，即：

圖1 兩輪車內(nèi)偏轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪與地面接觸位置的受力分析

圖3 測(cè)試改造后的自行車在斜坡路面停車的效果

圖4 后剎車處并聯(lián)剎車線

圖5 放下側(cè)架，剎車線繃緊（左）；收起側(cè)架，剎車線放松

圖6 加裝側(cè)架剎車器后的電動(dòng)車斜面停車實(shí)驗(yàn)

g 取9.8 m/s2，當(dāng)θ=12°，R=20 m時(shí)，v≈23.24 km/h。當(dāng)R=30 m 時(shí)，v ≈28.46 km/h。

查找資料后我們得知，市售兩輪電動(dòng)車時(shí)速都達(dá)到了49 km，所以電動(dòng)車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，如未收起側(cè)架，易造成交通事故。

二、兩輪車的其他問(wèn)題

不僅電動(dòng)車，自行車、摩托車也是如此。在采訪多個(gè)兩輪車車主后，我們發(fā)現(xiàn)使用兩輪車時(shí)還有以下問(wèn)題：在斜坡停車時(shí)不能順坡停；電動(dòng)車的一邊扶手也是油門，如果大人離開車輛時(shí)未關(guān)閉電源，他人誤旋油門就會(huì)啟動(dòng)車輛，引發(fā)安全事故。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)反復(fù)討論，確定了將側(cè)架與后剎車聯(lián)動(dòng)的改進(jìn)方案：側(cè)架被放下時(shí)，聯(lián)動(dòng)剎車抱死后輪，后輪不動(dòng)；側(cè)架被收起時(shí)，聯(lián)動(dòng)剎車松開后輪，車輛正常行駛。

三、設(shè)計(jì)目標(biāo)

（一）停車時(shí)，放下側(cè)架，后輪剎車抱死后輪，車輛停下。啟動(dòng)車輛時(shí)如若忘記收起側(cè)架，則不能啟動(dòng)車輛。故欲行車必須收起側(cè)架，避免車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)蹭地的危險(xiǎn)。

（二）在斜面停車時(shí)，由于側(cè)架被放下，剎車抱死車輪，不會(huì)溜車。

（三）停車時(shí)放下側(cè)架，剎車抱死，他人無(wú)意觸碰油門，車輛也不會(huì)啟動(dòng)。

四、設(shè)計(jì)過(guò)程

（一）以自行車為研究對(duì)象進(jìn)行觀察思考

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

剎車是通過(guò)前面的杠桿結(jié)構(gòu)（剎車手），利用剎車線將拉力傳遞至剎車處。自行車的側(cè)架由一根彈簧與鋼筋旋轉(zhuǎn)組成。我們將剎車線鋼繩的一端固定在側(cè)架上，外殼固定在側(cè)架中心旁的鋼管上，剎車線另一頭與剎車部件鉸鏈連接處連接。通過(guò)調(diào)整剎車線的長(zhǎng)度并反復(fù)試驗(yàn)，找到臨界點(diǎn)。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）放下側(cè)架，自行車不能被推動(dòng)；收起側(cè)架，自行車能正常騎行。

（2）在斜面順坡可停車，停車時(shí)無(wú)須借助手剎。

（二）以電動(dòng)車為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的方案設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在后剎車處附近的螺帽上設(shè)計(jì)一個(gè)部件將側(cè)架固定在橫梁處，將剎車線外殼固定。

2.實(shí)驗(yàn)效果

（1）可在坡度為10°的斜坡路面平穩(wěn)停車。

（2）車輛啟動(dòng)時(shí)側(cè)架自動(dòng)收起，松開剎車，手動(dòng)剎車正常工作，車輛能安全行駛。

（3）停車時(shí)誤擰油門，車輛不會(huì)啟動(dòng)。

五、創(chuàng)新點(diǎn)

將兩輪車的側(cè)架與剎車聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，停車時(shí)，側(cè)架被自動(dòng)放下的同時(shí)剎車抱死后車輪，車輛平穩(wěn)?？俊＿@種設(shè)計(jì)解決了兩輪車在斜面停車時(shí)易滑、轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)架易蹭地、誤擰油門啟動(dòng)車輛等安全問(wèn)題，使兩輪車的使用更加安全。

專家點(diǎn)評(píng)

吳景濤、劉丹、郭夢(mèng)娜等同學(xué)的兩輪車側(cè)架剎車器，是一件富有原創(chuàng)性的小發(fā)明。這項(xiàng)發(fā)明的完成，充分體現(xiàn)了三位同學(xué)：

其一，具有良好的創(chuàng)新和協(xié)作精神。高中階段學(xué)習(xí)十分緊張，三位同學(xué)能抽出一定的課余時(shí)間，發(fā)揮自己的特長(zhǎng)，協(xié)作完成這個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目，難能可貴。

其二，不斷打磨和提升作品的精細(xì)度，便于推廣應(yīng)用，具有良好的工匠意識(shí)。這些正是當(dāng)代青少年應(yīng)具備的素養(yǎng)。