電動自行車設計之結構力學模型構想

梁 正

（江蘇省自行車電動車協會，江蘇 無錫 214000）

電動自行車設計之結構力學模型構想

梁 正

（江蘇省自行車電動車協會，江蘇 無錫 214000）

在2016年7月的《電動自行車》中，作者討論了數學建模對電動自行車規范設計的重要意義，但是關于如何進行電動自行車數字建模的問題則未及論述。文章在此基礎上，對電動自行車數學建模問題進行了更深入的探討。

靜力學；電動自行車；數學模型

作為個人代步交通工具，電動自行車主要涉及的因素有兩方面，一是產品的主體——電動自行車，二是產品的客體——使用者。主客體兩者之間存在一定的對應性，也存在著一定的變量關系。所謂對應性，就是每位使用者經常使用一輛特定的電動自行車；所謂變量關系就是使用者由于身高、體重、年齡、健康狀況等是不相同的，每輛電動自行車的結構、類型、重量、動力等也不同；使用者選擇什么類型電動自行車，什么電動自行車被何使用者選用，這是一個變量關系。當這種變量關系超出了適合的對應性范圍，這時就可能會出現一些問題；如超重帶來的結構強度問題和動力不足問題，超速帶來的交通事故和安全問題等。

為了避免這些問題的發生，設計者并不能一味通過無限放大車體結構、增加材料厚度、加大電機功率來解決；既不科學，也增加了成本，還會造成不必要的浪費。我們必須對電動自行車從符合社會使用的實際要求進行科學設計。數學建模即是一種有效的科學設計電動自行車的方法。

電動自行車數學建模包括的設計因素很多，是一個系統工程；需要一一研究。本文只就電動自行車的靜力學結構強度模型問題闡述一點管見構想。

1. 電動自行車設計所涉及的結構強度因素

（1）主體的結構強度；即電動自行車整體的組合強度。

影響電動自行車整體組合強度的因素包括：

① 材料種類、材質、密度、形狀、厚薄、強度特性、重量等；

② 受力種類、方向、強度、振動幅度等；

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、支承部位壓強等；

（3）速度：≤20km/h = 5.6m/S；重力加速度等。

（4）環境耐受特性：耐高溫（55℃），耐低溫（-20℃）；耐雨濕、淋、浸、冰；耐腐蝕等。

這些因素，關系到電動自行車的機械結構性能，質量可靠性能、使用安全性能和使用壽命等關鍵內容，必須在設計中認真對待，不容忽略。

2.電動自行車的靜力學結構強度分析

分析電動自行車的靜力學結構強度的意義在于必須周密考慮電動自行車各項可預測的變量，了解它們在靜止狀態下的情況，以解決電動自行車設計中各變量的關系。

對于受重力（G）已經在文中列出了其構成元素：車體自重（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是最后才能確定數值的元素；因為它必須在支承力F確定后，達到支承力F的要求。根據這個要求，可以得到：

g1的質量=F-（g2∪g3∪g4）由重力轉換得到。

但我們要求組成g1的車體結構強度值＞F值的范圍，具體數值系數如何，需要根據可靠性設計規范要求確定；因為只有這樣，才能確保車輛的承載安全性。

那么，g2、g3、g4究竟選擇多少才是合適的呢？

作為人體重量這個元素，GB17761—1999中確定為75kg，但隨著我國國民生活水平的提高，人們的富營養化趨勢，根據人體身高重量比值，超過80kg的群體應該不是極少數，是大有人在的；另一方面，在電動自行車的使用中，家長帶著孩子，如：接送孩子上幼兒園、上學等，這也是現實存在的事實，也是合理的用途；作為社會商品的電動自行車是不能忽略而視而不見的；按75kg確定的電動自行車承載質量標準，顯然是不完全符合實際情況的。因此，以一個家長帶一個孩子的限值確定不同車型的設計要求，g2設為100kg～120kg應是較為合乎情理和實際的。

作為承載物，g3設定在20kg較合理，即以日常生活中到超市買一袋10kg米和其他一些小件日用品等為依據，滿足人們出行日常生活的需求。

電動自行車的輔件附件，以網籃、衣架、工具箱為基本配置，g4一般設定為10kg～12kg即可。

因此，電動自行車的受重力

從上式可以看出，電動自行車除自重以外，必須能夠承受130kg～152kg質量的重力。這就是靜止狀態情況下的電動自行車結構強度的基本要求。

但僅此還是不夠的，根據力的分布原理，一定質量所施加的(重)力主要集中在作用點(重力點)上，這樣就需要對重力點承受重力的數據進行進一步分析。

以上圖為例，可以得出電動自行車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上。如圖片中①②就承載了整個電動自行車的大部分質量，這些重力集中在前叉接片和車架的平叉接片上，并通過他們施加到了輪軸上。而輪軸又通過輻條進一步將這些重力傳遞分散到了輪輞和輪胎上。

實際上圖片中①②各自承擔的受重力也不是等量的，由于電動自行車加載重心的偏后，所以，圖片中②所承受的重力要大于圖片中①。

在整個電動自行車的大部分重力集中到了前叉接片和車架后平叉接片上及輪軸上以后，我們就要重點研究一下接片及連接部位和輪軸的承載能力了。

設受重力G=mg=152kg×9.8=1490N，設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)，后平叉接片與輪軸承受的重力為1120N(取整數)；以接片寬度為3mm，開口直徑φ12，以夾角60°計，有效承載截面積為37.68mm2；前叉接片與前軸受力強度為9.82N/mm2，后平叉接片與后軸受力強度為29.72N/mm2。

而圖片中③是騎行人體重力點位置，圖片中④是人體重力通過鞍管力壁傳遞的關鍵部位；這些部位的結構強度能否達到要求，對電動自行車設計的安全性能至關重要。曾有企業因為在圖片中④的位置上處理不當，導致鞍管批量折斷，發生了很多起的顧客摔傷、跌傷事故，造成大量的經濟損失。

當圖片中③強度足夠時，則施力點轉移到圖片中位置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。

在確定了電動自行車結構和各重力點的分布以后，我們接下來就要選擇符合這些條件的電動自行車的材料了。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，這就需要設計者根據需要嚴謹地確定了。具體的材料強度數據可以實驗測得，也可以查詢有關標準手冊，但一定要在結構上達到強度數據的要求。

上述只是例舉說明了在靜止狀態情況下，對電動自行車結構設計強度的要求；但電動自行車是在行駛中的代步交通工具，還會有各種振動、沖擊、落重等的情況，這就要對電動自行車的結構進行運動狀態的力學強度分析。

3. 用數學模型實現電動自行車的強度設計

上面對靜止狀態狀態下，電動自行車的質量、重力和受力動量、沖量情況進行了舉例分析。通過分析，可以認識到，電動自行車的結構與強度是可以通過力學分解和數學計算解決的。所以，建立電動自行車設計的數學模型是可以實現的。

電動自行車設計的數學建模工作是一個系統工程，也是進行產品設計的科學工具；如果經過科學分析，現有電動自行車的數據和構造不符合實際情況，設計者也應該大膽地進行科學創新，讓電動自行車產業煥發新的生機。當然，電動自行車數學建模工作需要考慮和解決的問題也很多，本文只是通過列舉提出了電動自行車設計之結構力學建模的一個課題。

[ 1 ]梁正.數字建模對電動自行車規范設計的重要意義[ J ].電動自行車，2016（7）：40-42.

編輯：傅金睿

行業簡訊

上海市公安局發布通告加強電動車消防安全管理

上海市公安局發布《上海市公安局關于加強本市電動車消防安全管理的通告》，明確任何人不得將電動自行車停放在疏散通道、安全出口、樓梯間等處。物業服務企業或管理單位應設置電動自行車集中存放點，存放點應獨立設置或與建筑其他部位采取防火分隔，配備必要的消防設施器材。

據消防部門介紹，在很多電動車火災中，不少人員傷亡并不是由明火直接造成的，而是因為吸入了有毒煙氣。目前幾乎所有電動車使用的裝飾性部件都是易燃材質，一旦起火會迅速形成煙氣。此前上海市消防局曾聯合公安部上海消防研究所進行了一次現場實驗，3輛停放在1樓樓道內的電動車起火后，濃煙快速封堵逃生通道，明火燃燒79秒2樓煙氣溫度已達到126.7℃，最高溫一度竟達到1105.9℃。