煞車防鎖死 騎車更安全-科學人雜誌
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煞車防鎖死 騎車更安全

2010/05/06 楊嘉慧
審稿/鄭宗銘(南港高工模具科教師)
自行車在高速下緊急煞車,很容易造成翻覆意外。如果能加裝構造簡單的安全煞車裝置,不論是在下坡路途中煞車,或是遇事故緊急煞車,都不用擔心空翻危險。

 騎單車上班或郊遊,已經是不少人的生活習慣。針對騎乘目的的不同,現在有各種款式的自行車,而且越做越輕,速度更隨之提升。不過,當速度超過每小時 20 公里,又遇事故緊急煞車時,很可能翻車而導致嚴重摔傷。南港高工模具科教師邱年鴻因騎自行車嚴重摔傷,於是請該科教師鄭宗銘與學生李日傑、廖培丞、吳冠賢及蔡昇峰,共同研究一套防止翻車的安全煞車裝置,並相繼獲得台北市中小學科展特優、全國中小學科展佳作,及第八屆旺宏科學獎金牌獎。

 鄭宗銘表示,安全的煞車應該是先讓前輪從滾動中減速至一安全速度以下,再變成滑動摩擦狀態,最後停下來,且後輪要比前輪更早從滾動狀態變成滑動狀態。若前輪先變成滑動狀態,而後輪仍處滾動狀態時,前輪對地面的正向力增加,會使前輪摩擦力變大而阻止滑行,自行車便會以前輪觸地點為支點,向前翻覆。在自行車越做越輕、重心上移的情形下,更容易發生翻車意外。所以煞車時一定要先煞後輪,再煞前輪。然而也不能只煞後輪,因為後煞產生的摩擦力比車子的慣性還小時,會造成打滑現象。

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只煞前輪時,若前輪與地面在滑動摩擦狀態下不產生滑行,當逆時針力矩大於順時針力矩時,便會以前輪的觸地點為支點,使車子翻覆。(電腦繪圖:姚裕評)
只煞後輪時,後輪的觸地點為支點,此時整個力系統對該支點的力矩總和為零,所以車子不會翻覆,但若自行車的慣性大於摩擦力,後輪與地面便會產生打滑的現象。(電腦繪圖:姚裕評)

 目前自行車的前、後輪煞車各別由左、右把手控制,壓下把手的幅度越大,煞車力道越強,而國內兩大廠牌自行車控制前、後煞的左、右把手正好相反,若從甲牌換成乙牌,很容易按錯把手,導致前輪先停而翻覆。再者,狀況發生時,人們所能反應的時間不到一秒,多數人往往會一起將左、右把手壓到底,若正好造成前輪先停,十分危險。

只需數百元,煞車更安全

 為了讓煞車更安全,李日傑等人想出了幾種解決方法。其中一種是將抽水馬桶的二段式沖水裝置應用在自行車上,希望能先煞後輪,自行車減速到一定程度後,再煞前輪。然而儘管前煞較後煞危險,但前輪的煞車效率卻比後輪高,而且經過推算,時速在 20 公里以上,最好的煞車方式是前輪煞車力道佔 70%,後輪 30%,才能有適當煞車的距離。而二段式煞車裝置雖然有助於安全性的提升,卻不能同時進行前煞與後煞,降低煞車效率,因此得另朝可以讓前、後輪有各自獨立的煞車系統發展著手。

 經過將近一年的研究,李日傑等人終於設計出構造簡單、安裝方便的安全煞車裝置,即在把手前加裝了一條與前、後煞相接的連動鋼線,前煞端的鋼線連著一個卡勾塊,後煞端的鋼線有一個可控制卡勾塊的定位器組(見下圖)。當雙手壓下煞車把手時,前煞端的把手下壓幅度超過 80% 後,把手便會被卡勾塊勾住而無法完全壓到底,直到後煞端的把手壓了 80% 以上時,卡勾塊才會將前煞把手鬆開,允許前輪煞到底。這麼一來,即可避免緊急煞車時,前輪在高速下鎖死、而後輪持續轉動的危險情形。

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煞車防鎖死安全系統示意圖,圖中自行車的左手為後煞,右手為前煞。該裝置是透過連動鋼線,延遲前煞鎖死的時間。連動鋼線兩端各接在左、右把手,當後煞撥動器移動到定位器組時,才會將卡住前煞把手的上勾塊拉開,允許前輪完全停止滾動。(影像來源:鄭宗銘)

 鄭宗銘表示,此套煞車裝置他們已申請到專利,且成本不高,只有 300 元左右,將來若商品化,成本還會再降低,這樣,每位自行車騎士只要花一點小錢,就能輕鬆擁有這套安全煞車裝車,讓騎車更有保障。

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煞車防鎖死操作示意圖:(1)開始煞車,前、後煞均正常作用,讓車輪滾動減速;(2)按壓前煞至卡勾處,無法繼續壓下,前輪被限制在滾動摩擦區;(3)按壓後煞使後輪滾動減速;(4)當後煞按壓至滑動摩擦區 ,撥動頭向左推動定位器組,即會打開右側前煞的卡勾;(5)卡勾打開後,前煞可繼續壓至滑動摩擦區。 (影像來源:鄭宗銘)



找出完美的煞車方式


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圖為未裝置安全煞車裝置的自行車,車速每小時7公里急煞前輪時,幾乎接近往前空翻的條件(人與車重心高度為1.1公尺、重心與煞車點的水平距離為0.6公尺)。(影像來源:鄭宗銘)

 為了讓安全煞車裝置更接近實際使用情形,南港高工模具科教師鄭宗銘與學生李日傑、廖培丞、吳冠賢及蔡昇峰等,先從牛頓第二定律、力矩公式等分析自行車的運動模式,如推算緊急煞車時,速度在多少以上會造成後輪離地;在不翻覆的情況下,減速度的臨界值大小;不同行進速度的安全滑行距離,及不同重心高低的安全滑行距離等。

 有了基本數據後,接著便是以實驗找出前、後煞之間最適當的連動關係,讓前煞能在適當時機才壓到底。他們發現車子是否會翻覆與煞車時的滑行距離有關,只要能控制煞車滑行距離在某一數值之上(見下表),就可讓自行車平穩滑行而不翻覆。為了決定何時才讓前輪鎖死,保持安全滑行距離,他們分別調整讓後煞把手壓了 60%、80% 後,才讓卡勾塊放掉,將前輪鎖死,結果實驗發現,不論哪種牌子的自行車,後煞把手壓的幅度都必須超過 80% 後,再允許前煞鎖死,比較符合安全條件,在這之前打開卡勾塊的話,就可能有空翻的危險。若使用他們的安全煞車裝置,並將前輪鎖死時機定在後煞把手壓下 80% 之後,自行車在時速 25 公里下緊急煞車時,共滑行 5.4 公尺才停止,長於推算的安全滑行距離 4.2 公尺。

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由運動學公式推導可知,若減速度相同,速度的平方與煞車距離成正比的關係。此圖表是在自行車與人的重心高度為1.1公尺,重心與前輪觸地點的水平距離為0.6公尺的前提下,推算而得的結果。當行車速度在24km/hr,煞車距離必須在4公尺以上才不會翻車;30km/hr時,必須要超過6.5公尺。(影像來源:鄭宗銘)

 鄭宗銘強調,由於該裝置延後了前煞煞到底的時間,會使煞車距離比緊急同時壓下兩手煞車時加長一些,因此高速騎車時,特別要注意和前車保持安全距離,經十字路口時,也要煞車減速,才能在發生事故時,給予自行車適當的滑行距離。

 此外,卡勾與把手間的傾斜角也是他們的研究重點,若角度設計不當,很可能出現過大的摩擦力,使卡勾不易被拉開。經過多次計算與實驗,他們終於找到最恰當的角度,讓卡勾在後煞未壓緊前,可以緊緊卡住前煞,而緊壓後煞時也能順利帶動定位器組而使卡勾鬆開。

 該煞車系統同時設計成可移動定位器,讓後煞把手能選擇在 85~95% 才拉開卡勾塊,適合習慣高速行駛的車主。不過,李日傑等人希望未來能設計成依車速自行判斷何時放開卡勾塊,讓煞車防翻覆裝置更加完備。




延伸閱讀
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《自行車學─含原理與檢修》,蔡正樑、林豐耀、張炳輝著, 台南復文書局出版

《小徑自行車 保養維修&改裝》,高橋矩彥著, 楓書坊出版

《第一本自行車的科學解析》,藤井德明著,三悅文化出版

高二課本《物理》上冊




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