基于輪軸原理的新型自行車手剎裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

齊非凡，夏百花

（安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 200601）

0 引言

當(dāng)下的剎車裝置有不足之處，有新型裝置可以替代它。本文從應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)背景，裝置優(yōu)勢(shì)，知識(shí)背景，裝置原理，可行性分析，外觀設(shè)計(jì)這些方面來(lái)說(shuō)明新型剎車裝置。

自行車是一種很普遍的交通工具，從自行車問(wèn)世以來(lái)，人們對(duì)于自行車有很多的改進(jìn)，目的都是為了讓它更加實(shí)用。這里介紹一種新型自行車手剎裝置，用它可以替代目前的手剎裝置。

1 應(yīng)用前景

自行車是當(dāng)下重要的交通工具之一，共享單車更是讓騎自行車出行成為普遍的方式，如圖1所示。騎自行車出行可以鍛練身體，減少環(huán)境污染，方便快捷，可謂是一舉多得。中國(guó)是人口大國(guó)，同樣是自行車生產(chǎn)大國(guó)。根據(jù)市場(chǎng)分析調(diào)查報(bào)告統(tǒng)計(jì)，78%的中國(guó)家庭擁有自行車，中國(guó)擁有的自行車總數(shù)多達(dá)4.5億輛。近年來(lái)，我國(guó)自行車產(chǎn)量一直在5 000～6 000萬(wàn)輛左右波動(dòng)，變化不大。由此可見(jiàn)，自行車在中國(guó)有巨大的市場(chǎng)。由此帶來(lái)新型自行車剎車裝置的巨大市場(chǎng)。

圖1 共享單車

2 設(shè)計(jì)背景

現(xiàn)有的剎車裝置由于其空間構(gòu)造方式導(dǎo)致它有一些不足之處。第一，剎車過(guò)程較為煩瑣，人們完成一個(gè)剎車動(dòng)作，手指要多次運(yùn)動(dòng)，這影響了人們的騎行體驗(yàn)[1]。第二，剎車所用的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，煩瑣的剎車過(guò)程必然會(huì)導(dǎo)致剎車時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。在需要緊急剎車制動(dòng)時(shí)，這會(huì)增加事故的發(fā)生率[2]。第三，剎車時(shí)人們四指都在剎車把手上，這讓人們對(duì)自行車的掌控力降低，人們對(duì)于自行車不能很好地掌控[3]。在路況不好時(shí)，會(huì)增加事故的發(fā)生率。

3 裝置優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于現(xiàn)有的剎車裝置，新型裝置有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。第一，使用簡(jiǎn)便。人們只要握緊把手，像擰油門一樣擰動(dòng)手腕就可以完成剎車。第二，剎車時(shí)間短，降低事故發(fā)生率。簡(jiǎn)單的剎車方式自然讓剎車所需的時(shí)間減短，減少事故發(fā)生率。第三，在剎車時(shí)對(duì)自行車掌控力增加。人們?cè)趧x車時(shí)可以用力握住車把手，即便路況不好也能從容應(yīng)對(duì)。

4 知識(shí)背景

由輪和軸組成，能繞共同軸線旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，叫作輪軸[4]。此系統(tǒng)可以繞共軸線旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于以軸心為支點(diǎn)，半徑為桿的杠桿系統(tǒng)。所以，輪軸能夠改變扭力的力矩，從而達(dá)到改變扭力的大小。日常生活中常見(jiàn)的絞盤、石磨、駕駛盤、扳手、自來(lái)水龍頭的扭柄等都是輪軸類機(jī)械。外環(huán)叫作輪，內(nèi)環(huán)叫作軸。輪軸兩個(gè)環(huán)是同心圓。輪和軸的半徑相差越大就越省力，但同時(shí)越費(fèi)距離。輪軸的實(shí)質(zhì)是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)杠桿．使用輪軸時(shí)，一般情況下作用在輪上的力和軸上的力的作用線都與輪和軸相切，因此，它們的力臂就是對(duì)應(yīng)的輪半徑和軸半徑．由于輪半徑總是大于軸半徑，因此當(dāng)動(dòng)力作用于輪時(shí)，輪軸為省力費(fèi)距離杠桿，如圖2所示。

圖2 剎車裝置

5 裝置原理

此剎車裝置，由輔助部分和輪軸系統(tǒng)組成，如圖3所示。以右手把手為例。輔助部分固定在鋼鐵圓管上，輪軸系統(tǒng)安裝在輔助部分上[5]。旋轉(zhuǎn)輪部分就會(huì)帶動(dòng)左邊的軸部分旋轉(zhuǎn)，軸部分上固定有剎線，軸旋轉(zhuǎn)，剎線就纏繞在軸上，從而達(dá)到拉動(dòng)剎線，剎車制動(dòng)的目的。在剎車完成后，剎線帶動(dòng)輪軸回到原裝態(tài)。考慮到人們手腕力量可能不夠，在輪部分人手手掌根下方和手指末端做一個(gè)突出設(shè)計(jì)，方便人們擰動(dòng)手腕，剎車制動(dòng)。

圖3 剎車裝置結(jié)構(gòu)示意圖

6 可行性分析

6.1 空間結(jié)構(gòu)層面

首先，在手握車把手時(shí)，人手所能擰動(dòng)的最大角度大約是70°，所以輪軸也會(huì)旋轉(zhuǎn)70°。剎車時(shí)，剎線大約需要收縮1 cm。剎車線固定在軸上，軸旋轉(zhuǎn)70°，剎線就要收縮1 cm，通過(guò)這些條件可以計(jì)算出軸端直徑約為1.6 cm。現(xiàn)有的剎車裝置應(yīng)用了杠桿原理，人們用較小的力就可以有很好的省力效果，人們所提供的力和對(duì)剎線的拉力之比大約為1∶2。輪軸在這里我們也按照這一比例來(lái)設(shè)計(jì)新型裝置。輪的直徑為3.3 cm。直徑3.3 cm的把手，人手是可以穩(wěn)定地握住的。考慮到部分人手腕的力量不夠大，為了更加容易擰動(dòng)把手，需要在人手掌根部的下方和手指的末端做一個(gè)突出的裝置。這兩個(gè)裝置可以看成是增加了輪部分的半徑，改變了輪端與軸端的半徑比，從而更省力。

6.2 力量層面

使用現(xiàn)有的剎車裝置，在一般情況下剎車的所需的力大約為60 N,在緊急情況下人剎車所的用力大約為120 N。使用新型剎車裝置，很容易提供60 N的力，最大可以提供200 N的力。也就是說(shuō)，使用新型裝置剎車在力量上沒(méi)有問(wèn)題。

6.3 其他細(xì)節(jié)

第一，把手用摩擦系數(shù)大的材料覆蓋，而且把手上有凹槽，這都是為了增大手指握把手時(shí)的摩擦力。第二，在使用新型裝置時(shí)，人們會(huì)不經(jīng)意間擰動(dòng)把手，讓剎線收縮。但由于剎車片設(shè)計(jì)，剎車線微小的收縮不會(huì)讓剎車片與車輪接觸，產(chǎn)生摩擦力，阻止車輛行駛。第三，使用新型裝置，自行車的一些配件空間結(jié)構(gòu)也要改變。首先是車把鋼鐵圓管的直徑需要改到1 cm左右，這樣才能讓新型裝置安裝在自行車上。其次剎車線的形狀也要改變。已有剎車線的末端體積過(guò)大，不能夠安裝在狹小的空間中，所以要將其體積縮小。

6.4 外觀設(shè)計(jì)

相較于當(dāng)下的剎車裝置復(fù)雜的外形，此裝置主體外形簡(jiǎn)潔,呈圓柱體形狀。裝置安裝在自行車上后，一眼看去給人一種沒(méi)有剎車裝置的錯(cuò)覺(jué)。簡(jiǎn)潔的裝置與當(dāng)下自行車簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)理念不謀而合。整個(gè)裝置不僅使用起來(lái)簡(jiǎn)便快捷，外觀設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)潔大方。

由以上的分析和比較可以看出新型自行車手剎裝置是完全切實(shí)可行的，而且實(shí)用性、外觀都比當(dāng)下剎車裝置要優(yōu)越。