自行車緊急制動導致前翻的安全性分析

(昆山出入境檢驗檢疫局, 昆山 215300)

自行車緊急制動導致前翻的安全性分析

錢烈輝

(昆山出入境檢驗檢疫局, 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量日趨惡劣的情況下，越來越多的人喜歡外出騎行，響應低碳節能環保的號召，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，隨著騎行族數量的增加，安全事故層出不窮。2013年國家質檢總局發布的《產品傷害監測數據分析研究報告》中統計：2013年全國自行車、助力車及零部件產品傷害達13 280人次，占各類非機動車、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%。歐盟非食品類消費產品的快速警報系統(RAPEX)2015年報報告：自行車類產品共發生214起預警召回信息，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為在高速騎行狀態下車輛前輪卡死。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，如最近國內多家自行車廠家幾十萬臺山地車被召回，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，導致前輪鎖死引起翻車事故；其次，也發生過車輛剎車控制線纏繞車輪導致前輪卡死而發生翻車事故；另外，容易引起人們忽視的一個原因是在正常騎行時騎行者緊急制動前輪，也會導致車輛前翻，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企業安全設計提供參考，為標準制定機構提供制定依據，筆者通過力學運動學理論以及實際自行車參數對自行車騎行中緊急制動的安全性進行了全面的分析，并推導出了關鍵參數與理論公式。

1 自行車騎行的力學模型

自行車緊急制動是個復雜的減速過程：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)壓緊后產生滑動摩擦力F，由此產生了制動力矩Q′；當車輪被施加制動扭矩Q′后，車輪角速率變小，而前進速率在慣性作用下繼續保持；此時自行車前進速率v>R0ω(R0為車輪半徑，ω為車輪轉動角速率)，車輪與地面之間發生了相對滑動，自行車車輪前進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動為滑動和滾動的合成，因此產生相對靜摩擦力(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f>fmax(fmax為輪胎與地面的最大摩擦力)時，車輪被鎖死，此時車輪與地面之間的滾動變成了純滑動。車輪(包括前后輪)受到車閘產生的制動扭矩時的受力情況如圖1所示，其中：o為車輪圓心，W為車輪承重，T為車輪前進的推動力矩，N為地面支撐力。

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

考慮到自行車在急剎車時出現的翻車現象與自行車轉動有關，因此不能將自行車簡化為質點，而應當將自行車視為一個有一定長度和高度的剛體[1]。

分析的狀態為，制動時車輪若被鎖死，車輪與地面發生滑動瞬間的力學狀態。為了分析各個參數對自行車前翻的影響，采取不同的坐標原點建立力學力矩方程。方法一，以人與車的重心為坐標原點，重點分析地面摩擦力的影響；方法二，以前輪著地點為坐標原點,重點分析制動時制動力也就是減速度(制動力產生)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 自行車騎行力學分析

2.1 以重心為坐標原點的力學分析

以人與車重心G1為坐標原點，重點分析地面摩擦力的影響，以G1點為軸心，建立力矩方程如下

式中:I為人與車重心G1的轉動慣量。

圖2 以重心為坐標原點的力學分析示意圖Fig.2 Schematic diagram for mechanics analysis based on the center of gravity as origin point of the coordinate

圖3 以前輪著地點為坐標原點的力學分析示意圖Fig.3 Schematic diagram for mechanics analysis based on the landing spot of front wheel as origin point of the coordinate

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

假設輪胎與地面的摩擦系數為μ，則有

f1=μ·N1

(2)

f2=μ·N2

(3)

車輛緊急制動時，當車輛發生向前翻轉，力學平衡出現變化，后輪離地時N2=0，則有

式(1)可簡化為

于是得出車輛前翻的第一個必要條件：μ>l1/h。

以上結論與一些力學論述是一致的，如梁法庫《自行車急剎車時的力學現象與分析》[1]、苗英愷等《自行車急剎車時的力學分析》[3]、曹正正等《自行車急剎車時翻車現象的力學分析》[4]結論是一致的，但以上作者未繼續進行深入研究，僅提出一個必要條件，還存在其他條件。

如果以實際典型自行車參數代入條件進行討論，例如按照日本自行車產業省出版的《自行車實用便覽》[2]中對當前流行的自行車參數統計的數據，以l1=0.6 m，h=1 m的輕快車為例，得出當μ>0.6時，存在發生翻車的風險。

不同的路面和輪胎的摩擦力也不同，路面不太平整時，花紋胎的摩擦力比較大，因為輪胎上的斑紋可以很好地嵌入路面細微不平整的地方，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。經查閱：山地車等花紋輪胎與瀝青等路面的摩擦系數為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為0.5～0.7。從以上實際數據看出，目前路面的摩擦系數已基本達到致使自行車前翻的條件，因此有必要繼續進行研究。

2.2 以前輪著地點為坐標原點的力學分析

以前輪著地點為軸心，建立力矩方程如下

N2·(l1+l2)+(m1+m2)a-·h

車輛緊急制動時，車輛出現向前翻轉，力學平衡出現變化，后輪離地，N2=0，α>0，則有

于是得出車輛前翻的第二個必要條件：a->g·l1/h。

仍按照日本自行車產業省出版的《自行車實用便覽》[2]中對當前流行的自行車參數統計的數據，以l1=0.6 m，h=1 m的輕快車為例，制動中發生翻車的第二個必要條件為：a->5.88 m·s-2。

這個結果剛好與日本自行車協會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，不得產生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，車輛存在前翻的危險。

另一個實例就是GB 14746-2006《兒童自行車安全要求》[6]，該標準等效采用ISO 8098-2014Cycles—SafetyRequirementsforBicyclesforYoungChildren[7]，其中3.2.5款“手閘的握閘力為90 N時，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生大的減速度可能導致前翻的危險而制定的。

2.3 以能量守恒定律分析車輛前翻的騎行速率參數

有了地面摩擦系數的條件，同時又有了制動力產生減速度的邊界條件后，還需要一定的騎行速率才會導致車輛前翻。接著按照能量守恒定律計算騎行速率v的理論值，若要發生車輪前翻，人與車的重心需越過前輪與地面接觸點的鉛垂線，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業省出版的《自行車實用便覽》[2]中對當前流行的自行車參數統計的數據，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個必要條件的計算，基本得出了車輛前翻的所有條件，滿足以上3個條件后，車輛就必然發生前翻了。

3 分析與討論

3.1 發生自行車前翻的充分必要條件

3.2 如何確保騎行中不發生翻車情況

首先，從第一個必要條件來看，若要避免車輛發生前翻，應使μ

其次，從第二個必要條件來看，若要避免車輛發生前翻，應使a-

3.3 具體案例實證

在大量碟剎山地車召回案例中，發現快拆桿容易卡入碟剎盤的空隙中導致前輪急停，前輪從滾動瞬間變為滑動，地面摩擦力瞬間轉換為制動力，導致a->g·l1/h，而此時騎行速率只要達到6.5 km·h-1(相當于正常人快速步行速率)，就會發生前翻事故，引起重大傷亡。

若要避免車輛發生前翻，應控制車閘參數防止前輪被鎖死，使車閘產生的摩擦力小于地面與車輪的最大靜摩擦力，另一方面若車閘產生的摩擦力過大，一旦發生車輪滑動，便無法起到制動作用，因此車閘的制動力設計是制造商應重點創新的方面[8-10]。

4 結論及建議

(2) 自行車騎行過程中緊急制動時，騎行者應先制動后閘，再制動前閘，避免在高速狀態下前輪卡死。

(3) 目前兒童自行車已有相關標準，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標準還是空白，建議在自行車的安全標準中對前閘最大制動力進行限制，并作為自行車制造企業和檢測監管部門對自行車設計檢驗的重要條件。

[1] 梁法庫.自行車急剎車時的力學現象與分析[J].力學與實踐，2000，22(5)：63-64.

[2] 石井敏夫.自行車實用便覽[M].4版.東京:財團法人自行車產業振興協會出版社,1957:23-24.

[3] 苗英愷,陳佳.自行車急剎車時的力學分析[J].力學與實踐,2008,30(1):104-106.

[4] 曹正正,沈志強,王成躍,等.自行車急剎車時翻車現象的力學分析[J].南昌教育學院學報,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,張學鋒.淺析歐盟自行車新標準對制動性能的新要求[J].中國自行車,2006(9):42-43.

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

[10] 許斌,宋芳,駱海清,等.國內外主要自行車頭盔標準對比淺析[J].理化檢驗-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，主要從事產品安全風險分析工作，qlh77@163.com