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        兩輪車側(cè)架剎車器

        2024-02-16 13:58:00貴陽市第五中學(xué)吳景濤劉丹郭夢娜
        發(fā)明與創(chuàng)新 2024年3期

        ◆貴陽市第五中學(xué) 吳景濤 劉丹 郭夢娜

        兩輪車小巧、價廉,尤其是電動自行車,其動力足、無噪聲,低碳環(huán)保,是不錯的代步工具。

        兩輪車大多有一個停車輔助裝置——側(cè)架。停車時放下側(cè)架,車身三點著地,保持平穩(wěn)。但側(cè)架存在一些安全隱患。我們曾目睹這樣一起交通事故:兩輪車的駕駛員向左轉(zhuǎn)彎時車速很快,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)動車剎車及時,才未造成人員傷亡。

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

        一、兩輪車轉(zhuǎn)彎時內(nèi)偏的機(jī)理

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

        兩輪車轉(zhuǎn)彎時,向心力來自地面的靜摩擦力、地面的支持力和重力平衡。兩輪車轉(zhuǎn)彎時為什么會內(nèi)偏?我們對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,即地面對車輪的作用力必須經(jīng)過車的重心,這就是兩輪車轉(zhuǎn)彎時需內(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)彎時車輪與地面接觸位置的受力分析

        圖3 測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)架剎車器后的電動車斜面停車實驗

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

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

        二、兩輪車的其他問題

        不僅電動車,自行車、摩托車也是如此。在采訪多個兩輪車車主后,我們發(fā)現(xiàn)使用兩輪車時還有以下問題:在斜坡停車時不能順坡停;電動車的一邊扶手也是油門,如果大人離開車輛時未關(guān)閉電源,他人誤旋油門就會啟動車輛,引發(fā)安全事故。

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

        三、設(shè)計目標(biāo)

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

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

        (三)停車時放下側(cè)架,剎車抱死,他人無意觸碰油門,車輛也不會啟動。

        四、設(shè)計過程

        (一)以自行車為研究對象進(jìn)行觀察思考

        1.實驗過程

        剎車是通過前面的杠桿結(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。通過調(diào)整剎車線的長度并反復(fù)試驗,找到臨界點。

        2.實驗結(jié)果

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

        (2)在斜面順坡可停車,停車時無須借助手剎。

        (二)以電動車為實驗對象的方案設(shè)計

        1.實驗過程

        在后剎車處附近的螺帽上設(shè)計一個部件將側(cè)架固定在橫梁處,將剎車線外殼固定。

        2.實驗效果

        (1)可在坡度為10°的斜坡路面平穩(wěn)停車。

        (2)車輛啟動時側(cè)架自動收起,松開剎車,手動剎車正常工作,車輛能安全行駛。

        (3)停車時誤擰油門,車輛不會啟動。

        五、創(chuàng)新點

        將兩輪車的側(cè)架與剎車聯(lián)動設(shè)計,停車時,側(cè)架被自動放下的同時剎車抱死后車輪,車輛平穩(wěn)???。這種設(shè)計解決了兩輪車在斜面停車時易滑、轉(zhuǎn)彎時側(cè)架易蹭地、誤擰油門啟動車輛等安全問題,使兩輪車的使用更加安全。

        專家點評

        吳景濤、劉丹、郭夢娜等同學(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間,發(fā)揮自己的特長,協(xié)作完成這個創(chuàng)新項目,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。這些正是當(dāng)代青少年應(yīng)具備的素養(yǎng)。

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