共享单车的受力分析与改良
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共享单车的受力分析与改良 发布于:2019/01/24
    目前,市面上出现的共享单车品牌很多,摩拜单车、ofo小黄车和小蓝单车为常见的三类。由于这三种共享单车的车胎花纹及材质有所不同,用户的骑行体验也不同。如何提升用户的骑行安全与体验?我们进行了探究。
  在调查中我们发现,摩拜单车车胎采用对称花纹,这种花纹综合性较强,应用最广泛。ofo小黄车的车胎采用块状花纹,行驶时不易嵌入砂石。小蓝单车的车胎采用锯齿型花纹,可减少车辆的噪声,增大摩擦力。此外,ofo小黄车采用充气轮胎,减震效果很好。摩拜单车和小蓝单车均采用全实心胎,前者的实心胎直径较小,能减少骑行时的阻力。实心胎虽成本高,但后期维护方便。
  一、共享单车所受摩擦力分析
  共享单车的状态分为静止、在平面上起动、匀速前进和下坡等,本文选取在平面上起动时的状态进行分析。
  在平地起动(或加速)时,后轮转动产生让自行车前行的动力,故后轮为主动轮,相对于地面有向后运动的趋势,其所受摩擦力方向向前。前轮是从动轮,受到的摩擦力向后。将自行车与骑行者视作一个系统,则骑行者对自行车的蹬踏属于系统内力,可不予考虑。系统受地面对自行车前、后轮的支持力、风的阻力(大小与骑行者的姿态、迎风面积、风速等有关)、地面与车轮之间的摩擦力。
  自行车车胎花纹的作用是增大接触面的粗糙程度,从而增加动摩擦系数、增大摩擦力。相比之下,摩拜单车车胎花纹为对称花纹,其摩擦系数最小,在雨雪天气骑行时易打滑;ofo小黄车车胎花纹为块状花纹,摩擦系数适中;小蓝单车车胎花纹较复杂,其摩擦系数最大。
  摩擦力与支持力成正比,因此在骑行过程中,加速度与摩擦系数密切相关,摩擦系数越大则越容易加速,骑行体验更佳。反之,摩擦系数越小,越易出现自行车难加速、难停车甚至翻倒等现象。
  二、改良共享单车
  摩擦系数与共享单车轮胎的花纹相关。基于此,我们提出了共享单车的改良建议:在共享单车轮胎内加装一组传感器,监控轮胎磨损及胎压,并在车锁内安装接收器。
  我们提出了两种设想:一种是在轮胎内壁附着两个电极,电极上加振荡电压从而产生电磁波,电磁波外溢且受轮胎橡胶层“干扰”,测量这个“干擾”就可以得出轮胎的磨损情况,并将结果通过另外的电磁波发送到车锁内的接收装置。
  另一种是考虑到单车轮胎几乎绝缘,可在制造轮胎时将轮胎中的钢丝连接一些金属线头并藏在轮胎花纹里,当轮胎磨损严重使这些金属线头露出时,就表示轮胎该更换了。在这种专用轮胎内壁附着传感器,传感器的电极与轮胎金属网构成一个电热器。在传感器电极上施加一定的电压,轮胎金属网会产生静电感应。当轮胎磨损到有金属线头外露时,外露的金属线头就会触地而放电,传感器得到一个脉冲信号,即“换胎信号”,并将此信号发送至车锁内的接收装置。
  这两个设想,前者实现的难度大,但有机会对轮胎进行即时测量监控,后者则相对容易实现,但需要修改轮胎制造标准。传感器必须很薄、很轻,这样既能附着在轮胎内壁,或者“打印”在轮胎内壁,又不会破坏轮胎的动平衡。如果在传感器上加装压强传感器,则可以同时检测胎压。
  当轮胎达到必须更换的厚度会触发换胎信号,车锁里的接收器主机发出报警信号,提示使用者该共享单车存在安全隐患,应尽快结束骑行,使用者付费停车后,车辆被“锁死”。
  当下一位骑行者扫描该车的二维码,单车发出提示,该车辆轮胎因故障待修且拒绝开锁,并发送信号给共享单车公司。当然也可以由手机机主主动上报故障,共享单车公司再给予积分奖励,从而使车辆得到及时维护。这样既能确保使用者的安全,也能保证共享单车正常运行。作者:张慧子 马志祥 来源:发明与创新·中学生
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