(昆山出入境檢驗(yàn)檢疫局, 昆山 215300)

自行車緊急制動導(dǎo)致前翻的安全性分析

錢烈輝

(昆山出入境檢驗(yàn)檢疫局, 昆山 215300)

自行車;緊急制動;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，越來越多的人喜歡外出騎行，響應(yīng)低碳節(jié)能環(huán)保的號召，騎行能夠帶給人們健康、樂趣和親近大自然的感受。很多騎行者對健身用途的山地車車況性能并不了解，隨著騎行族數(shù)量的增加，安全事故層出不窮。2013年國家質(zhì)檢總局發(fā)布的《產(chǎn)品傷害監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究報(bào)告》中統(tǒng)計(jì)：2013年全國自行車、助力車及零部件產(chǎn)品傷害達(dá)13 280人次，占各類非機(jī)動車、助力摩托車類交通工具的65.78%，各類傷害中由車禍引起的有10 545起，占79.10%。歐盟非食品類消費(fèi)產(chǎn)品的快速警報(bào)系統(tǒng)(RAPEX)2015年報(bào)報(bào)告：自行車類產(chǎn)品共發(fā)生214起預(yù)警召回信息，占全部信息的10%。

在各類自行車引起的傷害中最致命也最頻繁的是自行車騎行中出現(xiàn)的前翻問題，特別是目前流行的山地車、越野車等，從目前收集的信息來看前翻的主要原因?yàn)樵诟咚衮T行狀態(tài)下車輛前輪卡死。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，如最近國內(nèi)多家自行車廠家?guī)资f臺山地車被召回，就是存在誤操作的情況下碟剎桿卡入前輪碟剎盤的空隙中，導(dǎo)致前輪鎖死引起翻車事故；其次，也發(fā)生過車輛剎車控制線纏繞車輪導(dǎo)致前輪卡死而發(fā)生翻車事故；另外，容易引起人們忽視的一個(gè)原因是在正常騎行時(shí)騎行者緊急制動前輪，也會導(dǎo)致車輛前翻，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)，筆者通過力學(xué)運(yùn)動學(xué)理論以及實(shí)際自行車參數(shù)對自行車騎行中緊急制動的安全性進(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 自行車騎行的力學(xué)模型

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

圖1 制動時(shí)車輪受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of force of the wheel in condition of braking

考慮到自行車在急剎車時(shí)出現(xiàn)的翻車現(xiàn)象與自行車轉(zhuǎn)動有關(guān)，因此不能將自行車簡化為質(zhì)點(diǎn)，而應(yīng)當(dāng)將自行車視為一個(gè)有一定長度和高度的剛體[1]。

分析的狀態(tài)為，制動時(shí)車輪若被鎖死，車輪與地面發(fā)生滑動瞬間的力學(xué)狀態(tài)。為了分析各個(gè)參數(shù)對自行車前翻的影響，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)分析制動時(shí)制動力也就是減速度(制動力產(chǎn)生)的影響。兩種方法的示意圖如圖2和圖3所示，圖中符號含義如表1所示。

2 自行車騎行力學(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為人與車重心G1的轉(zhuǎn)動慣量。

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 based on 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 the landing spot of front wheel as origin point of the coordinate

表1 力學(xué)分析示意圖中的符號含義Tab.1 Meanings of the symbols in schematic diagrams formechanics analysis

假設(shè)輪胎與地面的摩擦系數(shù)為μ，則有

f1=μ·N1

(2)

f2=μ·N2

(3)

車輛緊急制動時(shí)，當(dāng)車輛發(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)可簡化為

于是得出車輛前翻的第一個(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《自行車急剎車時(shí)的力學(xué)現(xiàn)象與分析》[1]、苗英愷等《自行車急剎車時(shí)的力學(xué)分析》[3]、曹正正等《自行車急剎車時(shí)翻車現(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)際典型自行車參數(shù)代入條件進(jìn)行討論，例如按照日本自行車產(chǎn)業(yè)省出版的《自行車實(shí)用便覽》[2]中對當(dāng)前流行的自行車參數(shù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，以l1=0.6 m，h=1 m的輕快車為例，得出當(dāng)μ>0.6時(shí)，存在發(fā)生翻車的風(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，就是通常所說的抓地力。經(jīng)查閱：山地車等花紋輪胎與瀝青等路面的摩擦系數(shù)為0.7～0.8，輕快車公路車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

車輛緊急制動時(shí)，車輛出現(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

于是得出車輛前翻的第二個(gè)必要條件：a->g·l1/h。

仍按照日本自行車產(chǎn)業(yè)省出版的《自行車實(shí)用便覽》[2]中對當(dāng)前流行的自行車參數(shù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，以l1=0.6 m，h=1 m的輕快車為例，制動中發(fā)生翻車的第二個(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協(xié)會BA(JANPAN)-2013《一般自行車及兒童自行車安全要求》[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，也就是說制動減速度超過5.88 m·s-2時(shí)，車輛存在前翻的危險(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)，輪胎上的制動力不低于60 N，并且不大于200 N”也是基于制動力過大產(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導(dǎo)致車輛前翻。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)生車輪前翻，人與車的重心需越過前輪與地面接觸點(diǎn)的鉛垂線，如圖4所示。

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

人與車騎行的動能轉(zhuǎn)換成重心提高的勢能如下

式中：g為重力加速度；Δh為重心高度差。

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

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

3 分析與討論

3.1 發(fā)生自行車前翻的充分必要條件

3.2 如何確保騎行中不發(fā)生翻車情況

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

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

3.3 具體案例實(shí)證

在大量碟剎山地車召回案例中，發(fā)現(xiàn)快拆桿容易卡入碟剎盤的空隙中導(dǎo)致前輪急停，前輪從滾動瞬間變?yōu)榛瑒?，地面摩擦力瞬間轉(zhuǎn)換為制動力，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)，就會發(fā)生前翻事故，引起重大傷亡。

若要避免車輛發(fā)生前翻，應(yīng)控制車閘參數(shù)防止前輪被鎖死，使車閘產(chǎn)生的摩擦力小于地面與車輪的最大靜摩擦力，另一方面若車閘產(chǎn)生的摩擦力過大，一旦發(fā)生車輪滑動，便無法起到制動作用，因此車閘的制動力設(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) 自行車騎行過程中緊急制動時(shí)，騎行者應(yīng)先制動后閘，再制動前閘，避免在高速狀態(tài)下前輪卡死。

(3) 目前兒童自行車已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但測試不合格率非常高，成人騎行的自行車特別是山地車的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還是空白，建議在自行車的安全標(biāo)準(zhǔn)中對前閘最大制動力進(jìn)行限制，并作為自行車制造企業(yè)和檢測監(jiān)管部門對自行車設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的重要條件。

[1] 梁法庫.自行車急剎車時(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.自行車實(shí)用便覽[M].4版.東京:財(cái)團(tuán)法人自行車產(chǎn)業(yè)振興協(xié)會出版社,1957:23-24.

[3] 苗英愷,陳佳.自行車急剎車時(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.自行車急剎車時(shí)翻車現(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 一般自行車及兒童自行車安全要求[S].

[6] GB 14746-2006 兒童自行車安全要求[S].

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

[8] 錢烈輝,張學(xué)鋒.淺析歐盟自行車新標(biāo)準(zhǔn)對制動性能的新要求[J].中國自行車,2006(9):42-43.

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

[10] 許斌,宋芳,駱海清,等.國內(nèi)外主要自行車頭盔標(biāo)準(zhǔn)對比淺析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,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

U484

A

1001-4012(2017)11-0778-04

2017-03-22

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