基于轮轴原理的新型自行车手刹装置设计与实验

2021-04-20齐非凡夏百花

无线互联科技 2021年4期

关键词：手刹轮轴刹车

齐非凡，夏百花

（安徽三联学院电子电气工程学院，安徽合肥 200601）

0 引言

当下的刹车装置有不足之处，有新型装置可以替代它。本文从应用前景，设计背景，装置优势，知识背景，装置原理，可行性分析，外观设计这些方面来说明新型刹车装置。

自行车是一种很普遍的交通工具，从自行车问世以来，人们对于自行车有很多的改进，目的都是为了让它更加实用。这里介绍一种新型自行车手刹装置，用它可以替代目前的手刹装置。

1 应用前景

自行车是当下重要的交通工具之一，共享单车更是让骑自行车出行成为普遍的方式，如图1所示。骑自行车出行可以锻练身体，减少环境污染，方便快捷，可谓是一举多得。中国是人口大国，同样是自行车生产大国。根据市场分析调查报告统计，78%的中国家庭拥有自行车，中国拥有的自行车总数多达4.5亿辆。近年来，我国自行车产量一直在5 000～6 000万辆左右波动，变化不大。由此可见，自行车在中国有巨大的市场。由此带来新型自行车刹车装置的巨大市场。

图1 共享单车

2 设计背景

现有的刹车装置由于其空间构造方式导致它有一些不足之处。第一，刹车过程较为烦琐，人们完成一个刹车动作，手指要多次运动，这影响了人们的骑行体验[1]。第二，刹车所用的时间过长，烦琐的刹车过程必然会导致刹车时间过长。在需要紧急刹车制动时，这会增加事故的发生率[2]。第三，刹车时人们四指都在刹车把手上，这让人们对自行车的掌控力降低，人们对于自行车不能很好地掌控[3]。在路况不好时，会增加事故的发生率。

3 装置优势

相对于现有的刹车装置，新型装置有如下几点优势。第一，使用简便。人们只要握紧把手，像拧油门一样拧动手腕就可以完成刹车。第二，刹车时间短，降低事故发生率。简单的刹车方式自然让刹车所需的时间减短，减少事故发生率。第三，在刹车时对自行车掌控力增加。人们在刹车时可以用力握住车把手，即便路况不好也能从容应对。

4 知识背景

由轮和轴组成，能绕共同轴线旋转的机械，叫作轮轴[4]。此系统可以绕共轴线旋转，相当于以轴心为支点，半径为杆的杠杆系统。所以，轮轴能够改变扭力的力矩，从而达到改变扭力的大小。日常生活中常见的绞盘、石磨、驾驶盘、扳手、自来水龙头的扭柄等都是轮轴类机械。外环叫作轮，内环叫作轴。轮轴两个环是同心圆。轮和轴的半径相差越大就越省力，但同时越费距离。轮轴的实质是可以连续旋转杠杆．使用轮轴时，一般情况下作用在轮上的力和轴上的力的作用线都与轮和轴相切，因此，它们的力臂就是对应的轮半径和轴半径．由于轮半径总是大于轴半径，因此当动力作用于轮时，轮轴为省力费距离杠杆，如图2所示。

图2 刹车装置

5 装置原理

此刹车装置，由辅助部分和轮轴系统组成，如图3所示。以右手把手为例。辅助部分固定在钢铁圆管上，轮轴系统安装在辅助部分上[5]。旋转轮部分就会带动左边的轴部分旋转，轴部分上固定有刹线，轴旋转，刹线就缠绕在轴上，从而达到拉动刹线，刹车制动的目的。在刹车完成后，刹线带动轮轴回到原装态。考虑到人们手腕力量可能不够，在轮部分人手手掌根下方和手指末端做一个突出设计，方便人们拧动手腕，刹车制动。

图3 刹车装置结构示意图

6 可行性分析

6.1 空间结构层面

首先，在手握车把手时，人手所能拧动的最大角度大约是70°，所以轮轴也会旋转70°。刹车时，刹线大约需要收缩1 cm。刹车线固定在轴上，轴旋转70°，刹线就要收缩1 cm，通过这些条件可以计算出轴端直径约为1.6 cm。现有的刹车装置应用了杠杆原理，人们用较小的力就可以有很好的省力效果，人们所提供的力和对刹线的拉力之比大约为1∶2。轮轴在这里我们也按照这一比例来设计新型装置。轮的直径为3.3 cm。直径3.3 cm的把手，人手是可以稳定地握住的。考虑到部分人手腕的力量不够大，为了更加容易拧动把手，需要在人手掌根部的下方和手指的末端做一个突出的装置。这两个装置可以看成是增加了轮部分的半径，改变了轮端与轴端的半径比，从而更省力。

6.2 力量层面

使用现有的刹车装置，在一般情况下刹车的所需的力大约为60 N,在紧急情况下人刹车所的用力大约为120 N。使用新型刹车装置，很容易提供60 N的力，最大可以提供200 N的力。也就是说，使用新型装置刹车在力量上没有问题。

6.3 其他细节

第一，把手用摩擦系数大的材料覆盖，而且把手上有凹槽，这都是为了增大手指握把手时的摩擦力。第二，在使用新型装置时，人们会不经意间拧动把手，让刹线收缩。但由于刹车片设计，刹车线微小的收缩不会让刹车片与车轮接触，产生摩擦力，阻止车辆行驶。第三，使用新型装置，自行车的一些配件空间结构也要改变。首先是车把钢铁圆管的直径需要改到1 cm左右，这样才能让新型装置安装在自行车上。其次刹车线的形状也要改变。已有刹车线的末端体积过大，不能够安装在狭小的空间中，所以要将其体积缩小。