033892自行车制动系统力学原理分析

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1、理论力学研究性实验报告　　　　　　　　　　同济大学自行车制动系统力学原理分析　　　　　代燕学号：０３３８９２　　专业：土木工程　　班级:土木５班　　任课教师：徐鉴摘要：本文是研究自行车制动系统各个组成部分的工作中的力学原理，抽象成杠杆、平面转动刚体等力学模型，进而分析它们的工作原理、受力及运动情况等，以及对自行车制动系统优缺点的分析及改进设想。关键词：自行车制动装置，力学模型，杠杆，摩擦力自行车在我国是很普及的代步交通工具。它集物理的力学、热学等知识于一身。制动装置(车闸)在一切运输机械中有着十分重要的作用.刹车不灵而导致的交通事故屡见不鲜，那么自行车是怎样制

2、动的呢？本文就是对自行车制动装置的构造、原理等方面阐明物理知识的研究。一、自行车构造图及制动装置构造图自行车制动装置由扳手、拉杆、弧形梁、闸皮、固定夹组成。二、自行车制动系统原理分析一）自行车制动系统原理分析1、扳手自行车闸的扳手可以抽象成一个杠杆的力学模型，如右图所示。钢索一端连在杠杆上的B点，另一端连在曲梁上,当人在A端用力时,钢索被拉动。设人在刹车时用力集中于一点A，刚索拉力集中于B点，O点为转轴,可得力矩平衡方程：F2*L2-F1*L1=0--(1)计算得F2=F1*L1/L2,由于L1>L2，可知F1

3、较小的力捏闸时，也可以对钢索施加较大的拉力，以这个较大的拉力带动刹皮压紧车轮，从而产生摩擦力。2、曲梁与刹皮力学模型如右图。曲梁和闸皮看作一整体，钢索对曲梁的拉力作用于点D,设闸皮与车轮间的压力为F3，作用于C点。O3为固定的转轴，可得力矩平衡方程：F3*L4-F2*L3=0--(2)由(1)(2)计算得F3=F1*L1*L3/L2/L4由于L3、L4大小相近，可知F2、F3大小也相近，因此可以推知F3

4、(刹皮摩擦车圈内侧面)，使用最广泛。车闸是利用摩擦力使自行车减速和停止前进。以自行车后轮为例，后轮为主动轮。a、匀速运动时自行车以速度v匀速向前运动,车轮边缘上点G受到向前的摩擦力f,f对点O2的力矩与人蹬脚踏提供的主动力的力矩平衡。右图。此时，车轮边缘一点绕O2转动的线速度与v相等,即f*R-M=0--(3)，w*R=v--(4)b、使用车闸时闸皮压紧车轮内缘，产生摩擦力f1,使车轮转动的角速度减小，角加速度大小为β，设闸皮与车轮内缘的滑动摩擦系数为μ1：f1=μ1*F3--（5）由刚体定轴转动定律得：f*R-M+f1*R=J*β--(6)其中J为车轮对于O

5、2的转动惯量，设车轮质量为m，则有：J=m*R^2--（7）计算得β=μ1*F3*R/m/R^2=F1*μ1*L1*L3/L2/L4/m/R假设μ1为一定值，由上式可知，β大小与F1成正比。即人用越大的力捏闸，车轮绕O2转动的角速度减小得越快。假设车轮转速在很短时间内即减小到零，即β足够大。此时人车整体由于惯性继续以速度v向前运动，于是有w*R

6、量，a为刹车时加速度大小。则有:f2=μ2*Mg=m*a--(9)则a=μ2*g--（10）由（10）知，刹车时的加速度大小只与摩擦系数μ2有关，而与捏闸的力F1的大小无关。二）分析结果与实际情况的比较在以上分析过程中有两个假设。一是假设μ1为常数。实际上无论是轮缘闸还是轮毂闸、脚闸，虽然摩擦力大，制动效果好，但会对自行车的刹皮产生大的磨损，若是车缘闸，还会对车圈电镀层产生损伤。因此随着使用时间的增加，μ1会逐渐变小，使制动效果变差。二是假设车轮转速减小到零所需的时间极短。而实际生活中车轮转速减小是需要经历一定时间的，而转速减小的快慢又在很大程度上决定了车轮与

7、地面间的滚动摩擦何时转化为滑动摩擦，或是否转化为滑动摩擦。车轮转速减小所需经历的时间除了与人捏闸的力F1及μ1、初速度v有关，还与地面对车轮的摩擦力等因素有关，这里不再详细讨论。三、试验结论拓展现在常用的刹车会对刹皮和车圈都造成磨损，设想去掉刹皮而改用非接触力达到使车轮减速转动的目的。如利用电磁感应涡流阻尼的作用，设置磁性大的永久磁铁可在车圈上下移动，车圈上装置两块相互绝缘的半圆形铝块(金属块).平时永久磁铁不置于铝块两侧，需刹车时，将永久磁铁降至铝块两侧，特别是急刹车时，铝块中会产生大的涡流，产生强大的电磁阻力时车圈减速或停止运动。急刹车时，滑动摩擦力对车辆

8、外胎磨损十分大。改进时设想在自行车上另