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

        2016-02-09 02:57:17
        新能源科技 2016年12期
        關(guān)鍵詞:重量重力電動(dòng)

        梁 正

        (江蘇省自行車(chē)電動(dòng)車(chē)協(xié)會(huì),江蘇 無(wú)錫 214000)

        電動(dòng)自行車(chē)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(chē)電動(dòng)車(chē)協(xié)會(huì),江蘇 無(wú)錫 214000)

        在2016年7月的《電動(dòng)自行車(chē)》中,作者討論了數(shù)學(xué)建模對(duì)電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē);數(shù)學(xué)模型

        作為個(gè)人代步交通工具,電動(dòng)自行車(chē)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(chē),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(chē);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(chē)的結(jié)構(gòu)、類(lèi)型、重量、動(dòng)力等也不同;使用者選擇什么類(lèi)型電動(dòng)自行車(chē),什么電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的方法。

        電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)整體的組合強(qiáng)度。

        影響電動(dòng)自行車(chē)整體組合強(qiáng)度的因素包括:

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

        ② 受力種類(lèi)、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(chē)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(chē)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(chē)的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

        分析電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)是不能忽略而視而不見(jiàn)的;按75kg確定的電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(mǎi)一袋10kg米和其他一些小件日用品等為依據(jù),滿(mǎn)足人們出行日常生活的需求。

        電動(dòng)自行車(chē)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(chē)的受重力

        從上式可以看出,電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的大部分質(zhì)量,這些重力集中在前叉接片和車(chē)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(chē)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(chē)的大部分重力集中到了前叉接片和車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(xún)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(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求;但電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)產(chǎn)業(yè)煥發(fā)新的生機(jī)。當(dāng)然,電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(chē)規(guī)范設(shè)計(jì)的重要意義[ J ].電動(dòng)自行車(chē),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(chē)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(chē)消防安全管理的通告》,明確任何人不得將電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(chē)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肓擞卸緹煔狻D壳皫缀跛须妱?dòng)車(chē)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(chē)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℃。

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