基于剪切增稠流體應用于共享單車剎車裝置的研究

劉子揚

摘 要：針對共享單車剎車失靈導致騎行者受傷的安全隱患，文章在分析目前常見的剎車種類、對其優缺點進行對比分析之后，提出把剪切增稠流體應用于共享單車剎車裝置的設想，并提出創新設計方案，嘗試尋找解決辦法。

關鍵詞：剎車裝置;剪切增稠流體;共享單車

當今，共享單車成為人們外出的一種重要交通工具，其綠色、便捷、資源豐富的特點深受喜愛。然而，在眾多媒體上不時看到諸多共享單車因剎車失靈而導致騎行者受傷的報道，因而，人們在使用共享單車時，對剎車靈敏度、安全度的要求遠高于其它需求，而單車本身在高速、坡路、轉彎、雨雪天行駛等特殊情況下，也對剎車裝置性能提出了更高要求。目前，共享單車多采用膠皮剎、鼓剎、碟剎等剎車方式，膠皮剎、鼓剎存在明顯不足，碟剎是當前較為先進的剎車方式。本文嘗試設計一種把剪切增稠流體應用于剎車裝置的全新剎車方式，以進一步滿足人們對共享單車安全度的需求。

一、目前共享單車剎車裝置狀況研究

首先介紹一些本篇文章涉及到的相關概念及知識。“制動”概念：給運動物體（或系統）施加一個與運動方向相反的阻力或阻力矩（機械性、阻尼性、電磁性、液壓性等），使之減速或停止運動的過程。“剪切增稠液體”，其實是一種處在固液混合狀態的納米粒子溶劑，通常狀態下以液態形式存在。原理：不受沖擊時，粒子互不干擾呈液態;受到沖擊，粒子激烈碰撞變固態。“自行車剎車”，一個簡單的杠桿系統，在車把手處用很小的力，通過剎車裝置傳遞給車輪（車圈或車軸）很大的阻力，達到給自行車制動的目的。

（一）常見的機械摩擦制動器種類

一是徑向作用式制動器（塊式、帶式），如膠皮剎、鼓剎;二是軸向作用式制動器（盤式），如碟剎，碟剎又分油碟剎車和線碟剎車。

（二）目前自行車剎車種類

按制動力的作用點不同，分為剎輪圈和剎輪軸兩種，剎輪圈類常見的如膠皮剎，剎輪軸類常見的如鼓剎（抱剎）、羅拉剎、碟剎。

（三）共享單車各品牌采用的剎車種類

“小藍”采用前抱剎后羅拉剎方式，“小鳴”采用前后雙抱剎（鼓剎）方式，“ofo”采用傳統的前夾剎（膠皮剎）后抱剎（鼓剎）方式，“Mobike”使用電剎車系統，“Mobike Lite”則升級為碟剎。

（四）常見剎車方式的工作原理及優缺點

膠皮剎：由兩塊剎車膠皮對車圈互夾產生摩擦力，從而實現制動。優點是重量輕，結構簡單，便于安裝、保養與維修，性價比高;缺點是雨天、泥地或涉水路面易打滑，用力過大或導致輪胎抱死，安裝不當會使車圈變形;不良的剎車皮會損傷車圈乃至輪圈開裂，影響剎車力度和剎車皮使用壽命;長距離制動，剎車皮摩擦面過熱易使制動力衰減或喪失。

鼓剎：通過液壓將裝在剎車鼓內的剎車片往外推，剎車片與隨輪胎轉動的剎車鼓發生摩擦，使車輪減速。優點是成本較低、不怕泥水、性能優良、維護簡單、剎片的耐久度好。缺點是不易散熱、剎車系統反應較慢、剎車的踩踏力道不易控制、不利于做高頻率的剎車動作、構造復雜零件多、維修不易。

羅拉剎：專為城市休閑車發明的剎車系統，分為兩大類，一類是凸輪型，一類是磨擦片型。凸輪型，由拉線牽動拉桿，使凸輪組轉動，頂動六個滑塊，每兩個滑塊頂起一塊剎車塊，三角剎車塊同時動作，與剎車鼓體內部磨擦制動;另一種磨擦片型就像摩托車的離合器，動作也像。從外型上區分，帶一個大散熱片的是磨擦片式，焊有散熱片的是凸輪式。羅拉剎的優點是不會受到外界如塵土或雨水的侵入影響，幾乎零磨損，制動力平穩，可以不同氣象條件下獲得很好的剎車力，它的調校和傳統的抱閘基本一樣，內部不需調整，而只要調整接線行程即以。

碟剎：碟式剎車系統的工作原理是在花鼓上安裝一塊和車輪同步旋轉的碟盤，并在前叉與車架上裝置卡鉗，再透過卡鉗內的剎車塊夾緊碟盤，達到剎車的目的。碟剎分為機械式和油壓式兩種，機械式碟剎是通過手動捏動剎車把，使剎車把與剎車夾器之間連接的線管內的鋼絲線拉緊，帶動剎車夾收緊，從而讓來令片夾在碟片上制動;而油壓碟剎則是用高密度的礦物油代替鋼線，當捏動剎車把時，剎車把的機械構造會壓縮線管內的空間，使線管內的油壓增大，通過油的壓力壓動剎車夾器。

碟式剎車系統的優點是雨天、重度越野或長距離下坡制動時效果較好，散熱效果好，在高速剎車時能迅速制動。其中油剎手感和使用效果相較機械碟剎有明顯優勢，操作靈活，性能超強，但根據使用情況，要定期換油，調試安裝以及保養、維護比較繁瑣會，或有漏油現象;機械碟剎比較容易保養，性能比較可靠，安裝調試比較輕松，維護相對簡單，但缺點是重量較大、維護麻煩，價格貴，抱死速度相對較慢，對車圈的控制手感上沒有v剎好。

二、把剪切增稠流體應用于共享單車剎車裝置的研究

（一）外形設計（如圖方案一）

方案一

（二）剎車裝置的研究

（1）主要結構組件。剎車把手、復位彈簧、推桿、活塞1、剎車油杯、油管、活塞2、剪切增稠流體、流體箱、轉子、軸承、密封墊圈、圓錐齒輪副（齒輪2、齒輪3）、聯軸器、齒輪1（與車輪同軸轉動）、外罩。

（2）安裝部位、應用原理。安裝部位：剎車油杯及剎車把手固定在車把處，油管順車架走線固定，齒輪組及剪切增稠流體箱固定在車輪軸及車架上。應用原理：車把手處應用省力杠桿原理，油推活塞2應用帕斯卡原理，剪切增稠流體給轉子施加阻力應用剪切增稠流體性質，齒輪組處應用了兩軸平行齒輪傳動和兩軸不平行齒輪傳動原理。

（3）工作過程。在剎車把手處施加較小力通過杠桿放大傳遞給推桿，推桿推動活塞1壓縮油，在油壓作用下活塞2把剪切增稠流體推到容器上部，使轉子完全浸沒在剪切增稠流體中;轉子在轉動中受到流體阻力迅速減速再通過齒輪3、2、1依次作用于車輪，達到使車輪減速的目的。松開剎車把手時，復位彈簧拉動剎車把手恢復原位，通過杠桿作用推桿拉動活塞1回到原位，油壓減小，活塞2因下方油壓減小在上下液體壓力及自重合力作用下下移至原位，剪切增稠流體在重力作用下下降至轉子下表面下方，轉子不受流體阻力，齒輪不受阻力，車輪不受阻力正常轉動。

三、結語

本文設想方案主要是用油壓方式控制剪切增稠流體液面高度對轉子施加阻力，轉子再通過齒輪把阻力傳遞給車輪，達到使車輪瞬間減速的目的;也可采用機械線拉的方式控制圖1中活塞2上下移動來控制剪切增稠流體高度，再把剪切增稠流體對轉子的阻力傳遞給車輪，此兩種剎車方式的控制部分與油碟剎車和線碟剎車相同，既可作為油碟剎車和線碟剎車的輔助剎車裝置，也可單獨成為剎車裝置使用，不足之處是剪切增稠流體箱、圓錐齒輪副、直齒齒輪等設計會增加共享單車的總質量，使騎行舒適度受到一定影響，但其應用前景廣泛，可以應用到其它功能自行車，甚至電動自行車、摩托車、汽車等機動車輛領域。

參考文獻

[1] 黃首清.扒一扒共享單車的特殊設計（講座）[D].清華大學，2018.

[2] 張玉鵬.基于剪切增稠流體的高樓逃生緩降器的設計[J].中國科技投資，2016（33）.

[3] 章文英，李銀海，李瑞敏.電動自行車后輪碟剎安裝設計[J].金華職業技術學院學報， 2006（3）.

[4] 陳夢群.自行車碟剎剎車檢測系統研發[D].杭州電子科技大學，2012.

[5] 文琳.圖解電動自行車結構與維修[M].中國電力出版社，2009.

[6]摩拜單車這 10 大設計讓它與眾不同[EB/OL].設計癖.http：//www.shejipi.com/156833.html.