自行车紧急制动导致前翻的安全性分析

(昆山出入境检验检疫局, 昆山 215300)

自行车紧急制动导致前翻的安全性分析

钱烈辉

(昆山出入境检验检疫局, 昆山 215300)

自行车;紧急制动;前翻;安全性

在交通日益拥挤和空气质量日趋恶劣的情况下，越来越多的人喜欢外出骑行，响应低碳节能环保的号召，骑行能够带给人们健康、乐趣和亲近大自然的感受。很多骑行者对健身用途的山地车车况性能并不了解，随着骑行族数量的增加，安全事故层出不穷。2013年国家质检总局发布的《产品伤害监测数据分析研究报告》中统计：2013年全国自行车、助力车及零部件产品伤害达13 280人次，占各类非机动车、助力摩托车类交通工具的65.78%，各类伤害中由车祸引起的有10 545起，占79.10%。欧盟非食品类消费产品的快速警报系统(RAPEX)2015年报报告：自行车类产品共发生214起预警召回信息，占全部信息的10%。

在各类自行车引起的伤害中最致命也最频繁的是自行车骑行中出现的前翻问题，特别是目前流行的山地车、越野车等，从目前收集的信息来看前翻的主要原因为在高速骑行状态下车辆前轮卡死。引起前轮卡死的原因有很多：主要可能是外物介入前轮引起卡死，如最近国内多家自行车厂家几十万台山地车被召回，就是存在误操作的情况下碟刹杆卡入前轮碟刹盘的空隙中，导致前轮锁死引起翻车事故；其次，也发生过车辆刹车控制线缠绕车轮导致前轮卡死而发生翻车事故；另外，容易引起人们忽视的一个原因是在正常骑行时骑行者紧急制动前轮，也会导致车辆前翻，引起伤害事故。

为了减少伤害，给骑行者安全骑行提供警示和给生产企业安全设计提供参考，为标准制定机构提供制定依据，笔者通过力学运动学理论以及实际自行车参数对自行车骑行中紧急制动的安全性进行了全面的分析，并推导出了关键参数与理论公式。

1 自行车骑行的力学模型

自行车紧急制动是个复杂的减速过程：首先骑行者通过闸把将刹车片与轮辋(或刹车片与碟片之间)压紧后产生滑动摩擦力F，由此产生了制动力矩Q′；当车轮被施加制动扭矩Q′后，车轮角速率变小，而前进速率在惯性作用下继续保持；此时自行车前进速率v>R0ω(R0为车轮半径，ω为车轮转动角速率)，车轮与地面之间发生了相对滑动，自行车车轮前进速率大于自行车车轮接地的线速率，也就是车轮相对地面运动为滑动和滚动的合成，因此产生相对静摩擦力(制动力)f；在手闸杆的握闸力逐渐增大的情况下，刹车片与轮辋之间的摩擦力F也逐渐增大，当f>fmax(fmax为轮胎与地面的最大摩擦力)时，车轮被锁死，此时车轮与地面之间的滚动变成了纯滑动。车轮(包括前后轮)受到车闸产生的制动扭矩时的受力情况如图1所示，其中：o为车轮圆心，W为车轮承重，T为车轮前进的推动力矩，N为地面支撑力。

图1 制动时车轮受力示意图Fig.1 Schematic diagram of force of the wheel in condition of braking

考虑到自行车在急刹车时出现的翻车现象与自行车转动有关，因此不能将自行车简化为质点，而应当将自行车视为一个有一定长度和高度的刚体[1]。

分析的状态为，制动时车轮若被锁死，车轮与地面发生滑动瞬间的力学状态。为了分析各个参数对自行车前翻的影响，采取不同的坐标原点建立力学力矩方程。方法一，以人与车的重心为坐标原点，重点分析地面摩擦力的影响；方法二，以前轮着地点为坐标原点,重点分析制动时制动力也就是减速度(制动力产生)的影响。两种方法的示意图如图2和图3所示，图中符号含义如表1所示。

2 自行车骑行力学分析

2.1以重心为坐标原点的力学分析

以人与车重心G1为坐标原点，重点分析地面摩擦力的影响，以G1点为轴心，建立力矩方程如下

式中:I为人与车重心G1的转动惯量。

假设轮胎与地面的摩擦系数为μ，则有

图2 以重心为坐标原点的力学分析示意图Fig.2 Schematic diagram for mechanics analysis basedon the center of gravity as origin point of the coordinate

图3 以前轮着地点为坐标原点的力学分析示意图Fig.3 Schematic diagram for mechanics analysis based on thelanding spot of front wheel as origin point of the coordinate

符号含义数值f1前轮所受的摩擦力f2后轮所受的摩擦力N1前轮所受的地面支撑力N2后轮所受的地面支撑力m1骑行者的质量m2自行车的质量l1人与车重心G1到前轮与地面接触点的水平距离0．6m1)l2人与车重心G1到后轮与地面接触点的水平距离0．51m1)h人与车重心G1距地面高度1m1)α2)人与车重心G1的转动角加速度，方向为逆时针a-在紧急制动情况下人和车的减速度 注：1)依据日本自行车产业省出版的《自行车便览》[2]自行车统计参数，以轮径为660mm的普通城市轻快车统计；2)统一规定以逆时针方向为正方向

f1=μ·N1

(2)

f2=μ·N2

(3)

车辆紧急制动时，当车辆发生向前翻转，力学平衡出现变化，后轮离地时N2=0，则有

式(1)可简化为

于是得出车辆前翻的第一个必要条件：μ>l1/h。

以上结论与一些力学论述是一致的，如梁法库《自行车急刹车时的力学现象与分析》[1]、苗英恺等《自行车急刹车时的力学分析》[3]、曹正正等《自行车急刹车时翻车现象的力学分析》[4]结论是一致的，但以上作者未继续进行深入研究，仅提出一个必要条件，还存在其他条件。

如果以实际典型自行车参数代入条件进行讨论，例如按照日本自行车产业省出版的《自行车实用便览》[2]中对当前流行的自行车参数统计的数据，以l1=0.6 m，h=1 m的轻快车为例，得出当μ>0.6时，存在发生翻车的风险。

不同的路面和轮胎的摩擦力也不同，路面不太平整时，花纹胎的摩擦力比较大，因为轮胎上的斑纹可以很好地嵌入路面细微不平整的地方，使轮胎接触地面的面积尽可能最大，牢牢抓住地面，就是通常所说的抓地力。经查阅：山地车等花纹轮胎与沥青等路面的摩擦系数为0.7～0.8，轻快车公路车等花纹较浅的平胎与水泥地面的摩擦系数为0.5～0.7。从以上实际数据看出，目前路面的摩擦系数已基本达到致使自行车前翻的条件，因此有必要继续进行研究。

2.2以前轮着地点为坐标原点的力学分析

以前轮着地点为轴心，建立力矩方程如下

N2·(l1+l2)+(m1+m2)a-·h

车辆紧急制动时，车辆出现向前翻转，力学平衡出现变化，后轮离地，N2=0，α>0，则有

于是得出车辆前翻的第二个必要条件：a->g·l1/h。

仍按照日本自行车产业省出版的《自行车实用便览》[2]中对当前流行的自行车参数统计的数据，以l1=0.6 m，h=1 m的轻快车为例，制动中发生翻车的第二个必要条件为：a->5.88 m·s-2。

这个结果刚好与日本自行车协会BA(JANPAN)-2013《一般自行车及儿童自行车安全要求》[5]5.2.5款“手闸闸把操作力为180 N时，不得产生5.88 m·s-2以上的减速度”相吻合，也就是说制动减速度超过5.88 m·s-2时，车辆存在前翻的危险。

另一个实例就是GB 14746-2006《儿童自行车安全要求》[6]，该标准等效采用ISO 8098-2014Cycles—SafetyRequirementsforBicyclesforYoungChildren[7]，其中3.2.5款“手闸的握闸力为90 N时，轮胎上的制动力不低于60 N，并且不大于200 N”也是基于制动力过大产生大的减速度可能导致前翻的危险而制定的。

2.3以能量守恒定律分析车辆前翻的骑行速率参数

有了地面摩擦系数的条件，同时又有了制动力产生减速度的边界条件后，还需要一定的骑行速率才会导致车辆前翻。接着按照能量守恒定律计算骑行速率v的理论值，若要发生车轮前翻，人与车的重心需越过前轮与地面接触点的铅垂线，如图4所示。

图4 自行车前翻条件示意图Fig.4 Schematic diagram of overturn condition for bicycles

人与车骑行的动能转换成重心提高的势能如下

式中：g为重力加速度；Δh为重心高度差。

仍按照日本自行车产业省出版的《自行车实用便览》[2]中对当前流行的自行车参数统计的数据，以l1=0.6 m，h=1 m的轻快车为例，代入得到v=1.8 m·s-1=6.5 km·h-1。

通过以上3个必要条件的计算，基本得出了车辆前翻的所有条件，满足以上3个条件后，车辆就必然发生前翻了。

3 分析与讨论

3.1发生自行车前翻的充分必要条件

3.2如何确保骑行中不发生翻车情况

首先，从第一个必要条件来看，若要避免车辆发生前翻，应使μ

其次，从第二个必要条件来看，若要避免车辆发生前翻，应使a-

3.3具体案例实证

在大量碟刹山地车召回案例中，发现快拆杆容易卡入碟刹盘的空隙中导致前轮急停，前轮从滚动瞬间变为滑动，地面摩擦力瞬间转换为制动力，导致a->g·l1/h，而此时骑行速率只要达到6.5 km·h-1(相当于正常人快速步行速率)，就会发生前翻事故，引起重大伤亡。

若要避免车辆发生前翻，应控制车闸参数防止前轮被锁死，使车闸产生的摩擦力小于地面与车轮的最大静摩擦力，另一方面若车闸产生的摩擦力过大，一旦发生车轮滑动，便无法起到制动作用，因此车闸的制动力设计是制造商应重点创新的方面[8-10]。

4 结论及建议

(2) 自行车骑行过程中紧急制动时，骑行者应先制动后闸，再制动前闸，避免在高速状态下前轮卡死。

(3) 目前儿童自行车已有相关标准，但测试不合格率非常高，成人骑行的自行车特别是山地车的国内标准还是空白，建议在自行车的安全标准中对前闸最大制动力进行限制，并作为自行车制造企业和检测监管部门对自行车设计检验的重要条件。

[1] 梁法库.自行车急刹车时的力学现象与分析[J].力学与实践，2000，22(5)：63-64.

[2] 石井敏夫.自行车实用便览[M].4版.东京:财团法人自行车产业振兴协会出版社,1957:23-24.

[3] 苗英恺,陈佳.自行车急刹车时的力学分析[J].力学与实践,2008,30(1):104-106.

[4] 曹正正,沈志强,王成跃,等.自行车急刹车时翻车现象的力学分析[J].南昌教育学院学报,2011,26(7):46-48.

[5] BA(JAPAN)-2013 一般自行车及儿童自行车安全要求[S].

[6] GB 14746-2006 儿童自行车安全要求[S].

[7] ISO 8098：2014 Cycles—Safety requirements for bicycles for young children[S].

[8] 钱烈辉,张学锋.浅析欧盟自行车新标准对制动性能的新要求[J].中国自行车,2006(9):42-43.

[9] 钱烈辉,张学峰,骆海青,等.婴儿推车的减振结构[J].理化检验-物理分册,2015,51(12):880-884.

[10] 许斌,宋芳,骆海清,等.国内外主要自行车头盔标准对比浅析[J].理化检验-物理分册,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

2017-03-22

钱烈辉(1977-)，男，硕士，主要从事产品安全风险分析工作，qlh77@163.com

U484

A

1001-4012(2017)11-0778-04