山地車助力改造安全性研究

摘 要：山地車經過電動助力改造后趨勢十分流行，給山地車愛好者帶來騎行方便。但是助力改造山地車騎行性能增加同時增加了極大的安全隱患。對改造后的助力山地車各種隱患進行的分析，全面研究消除隱患的各種方式。對限速器幾種方式分析進而選出最合適的限速方式，對電磁剎車方式分析進而選擇出最佳電磁剎車方式，超速報警和距離報警進一步分析更能提高山地車改造的防護等級。為山地車騎行者帶來全方位的騎行安全。

關鍵詞：山地車改造；安全防護；電磁剎車；限速器；安全報警

中圖分類號：U484 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

山地車是一種越野自行車，十分戶外運動的人喜愛。隨著山地車改造趨勢的流行，好多人在網上購買電動車配件，對山地車進行改造，改造成電動自行車。這種改造后的電動車既有電動車的性能又有山地越野車的性能。把騎行作為前提條件，以山地車為載體，在不改變原來山地車外觀和功能的情況下，助力騎行。以人力加電力驅動輔助方式騎行，不登不走，騎行十分舒適，輕松，跟隨性好，頂風爬坡性能優良，體能循序漸進。重大優勢在于節能環保，由于人力的參與，減少了鋰電池車載有限能源的電能消耗，與純電動驅動方式相比，在保證相同續航行程情況下，電池容量可減小一半。

1 山地車助力改造

山地車增加電動輔助改造方式一般有三種，前輪裝上電機，后輪裝上電機，中軸裝電機。三種方式改造價格和性能各部相同，前輪增加驅動一般費用低，后輪增加驅動結構相對復雜，中軸增加驅動扭矩大，價格高。具體何種方式的改造，需要根據個人財力和喜好而定。

現有網上山地車助力改造器件一般由液晶助力表，鋰電池，指撥調速轉把，電子斷電剎把，分體助力器，速度傳感器，力矩無刷控制器等組成。液晶助力表主要功能是電池電壓顯示，騎行里程數，騎行速度，檔位設定等多項功能。鋰電池主要是給其他器件提供24V直流電力。指撥調速轉把功能是騎行時速度的進行調節。電子斷電剎把功能是剎車時能及時切斷電機電源，給騎行者帶來安全防護。分體助力器主要由電機組成，一般固定在前輪或后輪軸上。電機通電時能提供前進動力。力矩無刷控制器是整個助力系統的控制核心，是助力系統的大腦。電機電流給出的大小，速度信號的處理都是通過力矩無刷控制器進行，控制器的好壞直接影響到山地車助力的效果。

2山地車安全防護

騎行電動山地車，需從人安全防護和山地車防護兩個方面考慮。

人的安裝防護。頭盔，野外騎行中難免會意外，帶上頭盔不但醒目，在路上其他人很容易看到你，最主要的是在碰撞時起著很好的保護作用。這是最重要的防護裝置。

束褲帶，騎行者在穿長褲時，褲腿腳很容易被絞入山地車輪盤。束褲帶能有效地避免褲腿絞入輪盤發生危險。

騎行手套，騎行手套的作用是吸汗，防滑，透氣，保護手掌及腕關節。

設備安全，尾燈，對于夜行是必要裝備，可以提示后方的車輛，保證騎行的安全。

車燈，在夜晚或光線不好的地方可以保證能看清道路情況，確保安全。

山地車防護。主要是剎車，山地車一般不用V 剎而碟剎，碟剎優點強度大能更好的適應惡劣的環境。在碟剎中，也分為兩類，一種為線拉式碟剎，一種為油壓式碟剎。線拉式碟剎為機械式剎車，應用更為廣泛。

3限速器的使用

由于改造后的電動山地車人力和電動同時作用，性能大大增加，騎行時速能達到30km/h以上，最高時騎行速度60km/h，速度遠遠大于正常騎行的速度。根據2108年新頒布的《電動自行車通用技術條件》，電動自行車是非機動車要求最高車速25km/h。超過25km/h則為機動車。所有提供的簡單的增加動力必須增加限速器。限速器可以有幾種方式：

第一種是控制器自身帶限速功能，電動車控制器一般都帶有限速功能，限速受到控制器中單片機控制，控制器有限速短接端口，直接短接脈沖寬度最大值會受到限制，限速為25km/h左右，達到限速的目的斷開則為額定最高速度。但是往往廠家為了追求改造后的速度效果，市面上好多助力改造器件都不具備限速功能，這就要求我們采用其他方式進行限速。

第二種是對指撥調速轉把電壓信號進行限制。指撥調速轉把一般為霍耳轉把，它輸出調速信號是一種轉動電壓會從1.0V-4.2V變化。轉動轉把時改變了霍耳元件磁場強度，從而改變了霍耳轉把的輸出電壓。然后把這個電壓輸入控制器，控制器再根據這個信號的大小進行PWM脈寬調制。只要限制赫爾轉把的最高輸出電壓就能很好地對最大速度進行控制。在調速把和全車線束插頭之間串聯一個可調電位器，輸出電壓進行分壓，就可以限制最高速度，調節原理如圖1。

圖1 限制最高速度原理圖

從圖1中可以看出，只要調節滑線電阻器的電阻大小就能對輸出電壓進行分壓，達到限速的目的。

4電磁剎車改造

由于山地車增加了電力助力裝置，動力性能更強勁。在一些下坡、雨天等特殊的環境下，即使性能良好的碟剎有時不能滿足自行車制動要求。

自行車安全要求新國標GB 3565-2005要求。自行車制動要求速度25km/h時，在干態的情況下使用兩個車閘制動距離為7m。在濕態的情況下使用兩個車閘制動距離為9m。這樣單純依靠人力機械剎車很難達到制動距離。

為了增加安全助力山地車的安全性。 采用電制動有以下幾種模式：

第一種最基本方式是采用能耗制動方式。山地助力車斷電后電動機仍然會高速運轉，電動機在高速運轉時就會產生很高的反電動勢；經過控制器轉換電壓后給電池瞬間高電壓充電，同時起到能耗制動作用。這種制動的方式效果沒有能源消耗和機械磨損，反而能給電池進行充電，屬于最環保、經濟的制動方式。這種制動方式的缺點是充電時間短，充電量十分有限，然而電池瞬間承受高壓會給電池使用壽命帶來一定的傷害。

第二種是采用通電摩擦制動原理。一般采用單片電磁制動器來進行制動。電磁制動器通斷電分離狀態下，銜鐵和線圈一般保持0.5mm的間隙，斷電時，銜鐵跟線圈是分離狀態，銜鐵跟隨著旋轉端一起旋轉。通電時，線圈產生磁場，產生磁力將銜鐵吸附，旋轉端和銜鐵立刻結合在一起，起著到剎車的效果。單片電磁制動器也有通電分離斷電剎車模式。通電分離和斷電分離最主要的區別時，在電池沒有電時銜鐵受彈簧的彈力作用旋轉端和銜鐵結合在一起。起著剎車的作用，山地車將無法騎行。所以一般選用電磁制動器通斷電分離方式剎車。

第三種采用電磁剎車輔助制動裝置方式，電磁剎車又稱電渦流緩速器。增加電磁剎車后，當制動觸發后，給直流通入電緩速器定子線圈，在定子線圈內就會產生磁場，該磁場會在相鄰磁軛板、鐵芯、氣隙、轉子之間形成磁場回路。轉子與定子之間相對運動時，相對運動使得導體在切割磁力線，根據物理學電磁感應原理，在導體內部就會產生感應電流現象， 感應電流同時也會產生另一個感應磁場，此磁場和已經存在磁場之間會有項作用力，作用力方向是會阻礙導體運動的方向。這樣起到非接觸時剎車作用。這樣剎車的好處是非接觸時的不會消耗剎車片。騎行時山地車故障率相對較低。

5超速報警

在山地車助力改造中一般都有騎行速度顯示，騎行時能及時發現速度。有時受光線等因素影響，騎行時超出限速范圍時并不能及時發現，這樣就會存在著騎行安全隱患。為了能及時發現可以增加速度報警裝置。速度報警一般是以單片機為設計核心，通過光電傳感器來檢測助力山地車的運轉速度，里程計算，最后用數顯能直觀的將速度顯示給騎行者，并且在速度高于一定的值時可自動向騎行者報警，從而達到安全警示作用。

超速報警硬件主要需要單片機、霍爾傳感器、測速檢測電路、速度顯示電路和喇叭報警驅動電路。報警電路就是在車速超過25km/h或指定速度時，單片機就在接受到速度傳感器傳來的信號，單片機輸出報警信號驅動報警電路的喇叭，達到報警目的。超速報警軟件需要用單片機專用編寫語言來進行程序編寫，軟件設計的核心內容是速度檢測程序。

6距離報警

在助力山地車騎行過程中有時會遇到固定障礙物或移動障礙物，如果不能及時反應會給安全行駛帶來極大隱患，可以借助距離測量設備進行預警或自動剎車，以保障騎行的安全。在距離測量中有毫米雷達波，激光雷達波，超聲波雷達等幾種模式，每種模式都有自己的優缺點。

（1）毫米雷達波測距是高精度、高分辨力、小天線口徑，光電制導和微波制導。毫米雷達器體積小、質量輕和分辨率高。穿透煙、霧、灰塵等的能力強，適合全天候使用。

（2）激光雷達隱蔽性好、分辨率高、抗有源干擾能力強。低空探測性能好。同樣具有體積小、質量輕特性。工作時受天氣變化影響大。激光一般在晴天氣里衰減較小，傳播距離遠。而在濃煙、大雨、濃霧等惡劣天氣里，衰減會增大，雷達傳播距離就會受到影響。

（3）超聲波雷達測距是超聲波的能量消耗較緩慢，在介質中傳播的距離比較遠，穿透性強，測距的方法簡單，成本低。超聲波的傳輸速度容易受天氣情況的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢，當汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實時變化，誤差較大。在測量較遠距離的目標時，其回波信號會比較的弱，影響測量精度。

從以上三種測距方式優缺點和成本來看，在助力山地車選用激光雷達測距可靠性和性價比相對最高。雷達測距裝置和電磁剎車必須配合使用，這種模式類似于汽車的自動駕駛功能。雷達測距后必須有專門的處理器處理電子信號，處理器根據山地車和固定障礙物或移動障礙物距離遠近進行判斷。可以根據距離遠近進行降速或啟動電磁剎車處理，確保騎行者的騎行安全，進而很好解決騎行過程中的意外安全隱患問題。

7結語

山地車增加助力系統后，性能增加同時會帶來極大的安全隱患。對山地車改造方式進行選擇，對人員自身防護和設備安全防護進行全方位分析。對改造后的助力山地車隱患進行的分析研究。在設備上通過在限速器、電磁剎車、超速報警、距離報警等方面進行分析，找出最適合安全防護措施。山地車助力改造后可以選擇其中的一種或幾種安全防護措施，進而給騎行者帶來方便的同時更能增加的騎行者安全防護。

參考文獻

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收稿日期：2018-06-20

作者簡介：劉一澤，男，安徽蚌埠人。