(昆山出入境檢驗(yàn)檢疫局, 昆山 215300)

自行車(chē)緊急制動(dòng)導(dǎo)致前翻的安全性分析

錢(qián)烈輝

(昆山出入境檢驗(yàn)檢疫局, 昆山 215300)

自行車(chē);緊急制動(dòng);前翻;安全性

在交通日益擁擠和空氣質(zhì)量日趨惡劣的情況下，越來(lái)越多的人喜歡外出騎行，響應(yīng)低碳節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，騎行能夠帶給人們健康、樂(lè)趣和親近大自然的感受。很多騎行者對(duì)健身用途的山地車(chē)車(chē)況性能并不了解，隨著騎行族數(shù)量的增加，安全事故層出不窮。2013年國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布的《產(chǎn)品傷害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究報(bào)告》中統(tǒng)計(jì)：2013年全國(guó)自行車(chē)、助力車(chē)及零部件產(chǎn)品傷害達(dá)13 280人次，占各類(lèi)非機(jī)動(dòng)車(chē)、助力摩托車(chē)類(lèi)交通工具的65.78%，各類(lèi)傷害中由車(chē)禍引起的有10 545起，占79.10%。歐盟非食品類(lèi)消費(fèi)產(chǎn)品的快速警報(bào)系統(tǒng)(RAPEX)2015年報(bào)報(bào)告：自行車(chē)類(lèi)產(chǎn)品共發(fā)生214起預(yù)警召回信息，占全部信息的10%。

在各類(lèi)自行車(chē)引起的傷害中最致命也最頻繁的是自行車(chē)騎行中出現(xiàn)的前翻問(wèn)題，特別是目前流行的山地車(chē)、越野車(chē)等，從目前收集的信息來(lái)看前翻的主要原因?yàn)樵诟咚衮T行狀態(tài)下車(chē)輛前輪卡死。引起前輪卡死的原因有很多：主要可能是外物介入前輪引起卡死，如最近國(guó)內(nèi)多家自行車(chē)廠家?guī)资f(wàn)臺(tái)山地車(chē)被召回，就是存在誤操作的情況下碟剎桿卡入前輪碟剎盤(pán)的空隙中，導(dǎo)致前輪鎖死引起翻車(chē)事故；其次，也發(fā)生過(guò)車(chē)輛剎車(chē)控制線纏繞車(chē)輪導(dǎo)致前輪卡死而發(fā)生翻車(chē)事故；另外，容易引起人們忽視的一個(gè)原因是在正常騎行時(shí)騎行者緊急制動(dòng)前輪，也會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛前翻，引起傷害事故。

為了減少傷害，給騎行者安全騎行提供警示和給生產(chǎn)企業(yè)安全設(shè)計(jì)提供參考，為標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)提供制定依據(jù)，筆者通過(guò)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論以及實(shí)際自行車(chē)參數(shù)對(duì)自行車(chē)騎行中緊急制動(dòng)的安全性進(jìn)行了全面的分析，并推導(dǎo)出了關(guān)鍵參數(shù)與理論公式。

1 自行車(chē)騎行的力學(xué)模型

自行車(chē)緊急制動(dòng)是個(gè)復(fù)雜的減速過(guò)程：首先騎行者通過(guò)閘把將剎車(chē)片與輪輞(或剎車(chē)片與碟片之間)壓緊后產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力F，由此產(chǎn)生了制動(dòng)力矩Q′；當(dāng)車(chē)輪被施加制動(dòng)扭矩Q′后，車(chē)輪角速率變小，而前進(jìn)速率在慣性作用下繼續(xù)保持；此時(shí)自行車(chē)前進(jìn)速率v>R0ω(R0為車(chē)輪半徑，ω為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速率)，車(chē)輪與地面之間發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，自行車(chē)車(chē)輪前進(jìn)速率大于自行車(chē)車(chē)輪接地的線速率，也就是車(chē)輪相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)為滑動(dòng)和滾動(dòng)的合成，因此產(chǎn)生相對(duì)靜摩擦力(制動(dòng)力)f；在手閘桿的握閘力逐漸增大的情況下，剎車(chē)片與輪輞之間的摩擦力F也逐漸增大，當(dāng)f>fmax(fmax為輪胎與地面的最大摩擦力)時(shí)，車(chē)輪被鎖死，此時(shí)車(chē)輪與地面之間的滾動(dòng)變成了純滑動(dòng)。車(chē)輪(包括前后輪)受到車(chē)閘產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩時(shí)的受力情況如圖1所示，其中：o為車(chē)輪圓心，W為車(chē)輪承重，T為車(chē)輪前進(jìn)的推動(dòng)力矩，N為地面支撐力。

圖1 制動(dòng)時(shí)車(chē)輪受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of force of the wheel in condition of braking

考慮到自行車(chē)在急剎車(chē)時(shí)出現(xiàn)的翻車(chē)現(xiàn)象與自行車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)，因此不能將自行車(chē)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，而應(yīng)當(dāng)將自行車(chē)視為一個(gè)有一定長(zhǎng)度和高度的剛體[1]。

分析的狀態(tài)為，制動(dòng)時(shí)車(chē)輪若被鎖死，車(chē)輪與地面發(fā)生滑動(dòng)瞬間的力學(xué)狀態(tài)。為了分析各個(gè)參數(shù)對(duì)自行車(chē)前翻的影響，采取不同的坐標(biāo)原點(diǎn)建立力學(xué)力矩方程。方法一，以人與車(chē)的重心為坐標(biāo)原點(diǎn)，重點(diǎn)分析地面摩擦力的影響；方法二，以前輪著地點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),重點(diǎn)分析制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力也就是減速度(制動(dòng)力產(chǎn)生)的影響。兩種方法的示意圖如圖2和圖3所示，圖中符號(hào)含義如表1所示。

2 自行車(chē)騎行力學(xué)分析

2.1以重心為坐標(biāo)原點(diǎn)的力學(xué)分析

以人與車(chē)重心G1為坐標(biāo)原點(diǎn)，重點(diǎn)分析地面摩擦力的影響，以G1點(diǎn)為軸心，建立力矩方程如下

式中:I為人與車(chē)重心G1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

假設(shè)輪胎與地面的摩擦系數(shù)為μ，則有

圖2 以重心為坐標(biāo)原點(diǎn)的力學(xué)分析示意圖Fig.2 Schematic diagram for mechanics analysis basedon the center of gravity as origin point of the coordinate

圖3 以前輪著地點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的力學(xué)分析示意圖Fig.3 Schematic diagram for mechanics analysis based on thelanding spot of front wheel as origin point of the coordinate

符號(hào)含義數(shù)值f1前輪所受的摩擦力f2后輪所受的摩擦力N1前輪所受的地面支撐力N2后輪所受的地面支撐力m1騎行者的質(zhì)量m2自行車(chē)的質(zhì)量l1人與車(chē)重心G1到前輪與地面接觸點(diǎn)的水平距離0．6m1)l2人與車(chē)重心G1到后輪與地面接觸點(diǎn)的水平距離0．51m1)h人與車(chē)重心G1距地面高度1m1)α2)人與車(chē)重心G1的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度，方向?yàn)槟鏁r(shí)針a-在緊急制動(dòng)情況下人和車(chē)的減速度 注：1)依據(jù)日本自行車(chē)產(chǎn)業(yè)省出版的《自行車(chē)便覽》[2]自行車(chē)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以輪徑為660mm的普通城市輕快車(chē)統(tǒng)計(jì)；2)統(tǒng)一規(guī)定以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?/p>

f1=μ·N1

(2)

f2=μ·N2

(3)

車(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生向前翻轉(zhuǎn)，力學(xué)平衡出現(xiàn)變化，后輪離地時(shí)N2=0，則有

式(1)可簡(jiǎn)化為

于是得出車(chē)輛前翻的第一個(gè)必要條件：μ>l1/h。

以上結(jié)論與一些力學(xué)論述是一致的，如梁法庫(kù)《自行車(chē)急剎車(chē)時(shí)的力學(xué)現(xiàn)象與分析》[1]、苗英愷等《自行車(chē)急剎車(chē)時(shí)的力學(xué)分析》[3]、曹正正等《自行車(chē)急剎車(chē)時(shí)翻車(chē)現(xiàn)象的力學(xué)分析》[4]結(jié)論是一致的，但以上作者未繼續(xù)進(jìn)行深入研究，僅提出一個(gè)必要條件，還存在其他條件。

如果以實(shí)際典型自行車(chē)參數(shù)代入條件進(jìn)行討論，例如按照日本自行車(chē)產(chǎn)業(yè)省出版的《自行車(chē)實(shí)用便覽》[2]中對(duì)當(dāng)前流行的自行車(chē)參數(shù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，以l1=0.6 m，h=1 m的輕快車(chē)為例，得出當(dāng)μ>0.6時(shí)，存在發(fā)生翻車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。

不同的路面和輪胎的摩擦力也不同，路面不太平整時(shí)，花紋胎的摩擦力比較大，因?yàn)檩喬ド系陌呒y可以很好地嵌入路面細(xì)微不平整的地方，使輪胎接觸地面的面積盡可能最大，牢牢抓住地面，就是通常所說(shuō)的抓地力。經(jīng)查閱：山地車(chē)等花紋輪胎與瀝青等路面的摩擦系數(shù)為0.7～0.8，輕快車(chē)公路車(chē)等花紋較淺的平胎與水泥地面的摩擦系數(shù)為0.5～0.7。從以上實(shí)際數(shù)據(jù)看出，目前路面的摩擦系數(shù)已基本達(dá)到致使自行車(chē)前翻的條件，因此有必要繼續(xù)進(jìn)行研究。

2.2以前輪著地點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的力學(xué)分析

以前輪著地點(diǎn)為軸心，建立力矩方程如下

N2·(l1+l2)+(m1+m2)a-·h

車(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)，車(chē)輛出現(xiàn)向前翻轉(zhuǎn)，力學(xué)平衡出現(xiàn)變化，后輪離地，N2=0，α>0，則有

于是得出車(chē)輛前翻的第二個(gè)必要條件：a->g·l1/h。

仍按照日本自行車(chē)產(chǎn)業(yè)省出版的《自行車(chē)實(shí)用便覽》[2]中對(duì)當(dāng)前流行的自行車(chē)參數(shù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，以l1=0.6 m，h=1 m的輕快車(chē)為例，制動(dòng)中發(fā)生翻車(chē)的第二個(gè)必要條件為：a->5.88 m·s-2。

這個(gè)結(jié)果剛好與日本自行車(chē)協(xié)會(huì)BA(JANPAN)-2013《一般自行車(chē)及兒童自行車(chē)安全要求》[5]5.2.5款“手閘閘把操作力為180 N時(shí)，不得產(chǎn)生5.88 m·s-2以上的減速度”相吻合，也就是說(shuō)制動(dòng)減速度超過(guò)5.88 m·s-2時(shí)，車(chē)輛存在前翻的危險(xiǎn)。

另一個(gè)實(shí)例就是GB 14746-2006《兒童自行車(chē)安全要求》[6]，該標(biāo)準(zhǔn)等效采用ISO 8098-2014Cycles—SafetyRequirementsforBicyclesforYoungChildren[7]，其中3.2.5款“手閘的握閘力為90 N時(shí)，輪胎上的制動(dòng)力不低于60 N，并且不大于200 N”也是基于制動(dòng)力過(guò)大產(chǎn)生大的減速度可能導(dǎo)致前翻的危險(xiǎn)而制定的。

2.3以能量守恒定律分析車(chē)輛前翻的騎行速率參數(shù)

有了地面摩擦系數(shù)的條件，同時(shí)又有了制動(dòng)力產(chǎn)生減速度的邊界條件后，還需要一定的騎行速率才會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛前翻。接著按照能量守恒定律計(jì)算騎行速率v的理論值，若要發(fā)生車(chē)輪前翻，人與車(chē)的重心需越過(guò)前輪與地面接觸點(diǎn)的鉛垂線，如圖4所示。

圖4 自行車(chē)前翻條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of overturn condition for bicycles

人與車(chē)騎行的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成重心提高的勢(shì)能如下

式中：g為重力加速度；Δh為重心高度差。

仍按照日本自行車(chē)產(chǎn)業(yè)省出版的《自行車(chē)實(shí)用便覽》[2]中對(duì)當(dāng)前流行的自行車(chē)參數(shù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，以l1=0.6 m，h=1 m的輕快車(chē)為例，代入得到v=1.8 m·s-1=6.5 km·h-1。

通過(guò)以上3個(gè)必要條件的計(jì)算，基本得出了車(chē)輛前翻的所有條件，滿足以上3個(gè)條件后，車(chē)輛就必然發(fā)生前翻了。

3 分析與討論

3.1發(fā)生自行車(chē)前翻的充分必要條件

3.2如何確保騎行中不發(fā)生翻車(chē)情況

首先，從第一個(gè)必要條件來(lái)看，若要避免車(chē)輛發(fā)生前翻，應(yīng)使μ

其次，從第二個(gè)必要條件來(lái)看，若要避免車(chē)輛發(fā)生前翻，應(yīng)使a-

3.3具體案例實(shí)證

在大量碟剎山地車(chē)召回案例中，發(fā)現(xiàn)快拆桿容易卡入碟剎盤(pán)的空隙中導(dǎo)致前輪急停，前輪從滾動(dòng)瞬間變?yōu)榛瑒?dòng)，地面摩擦力瞬間轉(zhuǎn)換為制動(dòng)力，導(dǎo)致a->g·l1/h，而此時(shí)騎行速率只要達(dá)到6.5 km·h-1(相當(dāng)于正常人快速步行速率)，就會(huì)發(fā)生前翻事故，引起重大傷亡。

若要避免車(chē)輛發(fā)生前翻，應(yīng)控制車(chē)閘參數(shù)防止前輪被鎖死，使車(chē)閘產(chǎn)生的摩擦力小于地面與車(chē)輪的最大靜摩擦力，另一方面若車(chē)閘產(chǎn)生的摩擦力過(guò)大，一旦發(fā)生車(chē)輪滑動(dòng)，便無(wú)法起到制動(dòng)作用，因此車(chē)閘的制動(dòng)力設(shè)計(jì)是制造商應(yīng)重點(diǎn)創(chuàng)新的方面[8-10]。

4 結(jié)論及建議

(2) 自行車(chē)騎行過(guò)程中緊急制動(dòng)時(shí)，騎行者應(yīng)先制動(dòng)后閘，再制動(dòng)前閘，避免在高速狀態(tài)下前輪卡死。

(3) 目前兒童自行車(chē)已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但測(cè)試不合格率非常高，成人騎行的自行車(chē)特別是山地車(chē)的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還是空白，建議在自行車(chē)的安全標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)前閘最大制動(dòng)力進(jìn)行限制，并作為自行車(chē)制造企業(yè)和檢測(cè)監(jiān)管部門(mén)對(duì)自行車(chē)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的重要條件。

[1] 梁法庫(kù).自行車(chē)急剎車(chē)時(shí)的力學(xué)現(xiàn)象與分析[J].力學(xué)與實(shí)踐，2000，22(5)：63-64.

[2] 石井敏夫.自行車(chē)實(shí)用便覽[M].4版.東京:財(cái)團(tuán)法人自行車(chē)產(chǎn)業(yè)振興協(xié)會(huì)出版社,1957:23-24.

[3] 苗英愷,陳佳.自行車(chē)急剎車(chē)時(shí)的力學(xué)分析[J].力學(xué)與實(shí)踐,2008,30(1):104-106.

[4] 曹正正,沈志強(qiáng),王成躍,等.自行車(chē)急剎車(chē)時(shí)翻車(chē)現(xiàn)象的力學(xué)分析[J].南昌教育學(xué)院學(xué)報(bào),2011,26(7):46-48.

[5] BA(JAPAN)-2013 一般自行車(chē)及兒童自行車(chē)安全要求[S].

[6] GB 14746-2006 兒童自行車(chē)安全要求[S].

[7] ISO 8098：2014 Cycles—Safety requirements for bicycles for young children[S].

[8] 錢(qián)烈輝,張學(xué)鋒.淺析歐盟自行車(chē)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制動(dòng)性能的新要求[J].中國(guó)自行車(chē),2006(9):42-43.

[9] 錢(qián)烈輝,張學(xué)峰,駱海青,等.嬰兒推車(chē)的減振結(jié)構(gòu)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(12):880-884.

[10] 許斌,宋芳,駱海清,等.國(guó)內(nèi)外主要自行車(chē)頭盔標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比淺析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2017,53(4):260-262.

SafetyAnalysisonBicycleOverturnCausedbyEmergencyBrake

QIANLiehui

(Kunshan Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Kunshan 215300, China)

bicycle; emergency brake; overturn; safety

10.11973/lhjy-wl201711002

2017-03-22

錢(qián)烈輝(1977-)，男，碩士，主要從事產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)分析工作，qlh77@163.com

U484

A

1001-4012(2017)11-0778-04