共享單車的受力分析與改良

張慧子 馬志祥

目前，市面上出現(xiàn)的共享單車品牌很多，摩拜單車、ofo小黃車和小藍(lán)單車為常見的三類。由于這三種共享單車的車胎花紋及材質(zhì)有所不同，用戶的騎行體驗(yàn)也不同。如何提升用戶的騎行安全與體驗(yàn)？我們進(jìn)行了探究。

在調(diào)查中我們發(fā)現(xiàn)，摩拜單車車胎采用對(duì)稱花紋，這種花紋綜合性較強(qiáng)，應(yīng)用最廣泛。ofo小黃車的車胎采用塊狀花紋，行駛時(shí)不易嵌入砂石。小藍(lán)單車的車胎采用鋸齒型花紋，可減少車輛的噪聲，增大摩擦力。此外，ofo小黃車采用充氣輪胎，減震效果很好。摩拜單車和小藍(lán)單車均采用全實(shí)心胎，前者的實(shí)心胎直徑較小，能減少騎行時(shí)的阻力。實(shí)心胎雖成本高，但后期維護(hù)方便。

一、共享單車所受摩擦力分析

共享單車的狀態(tài)分為靜止、在平面上起動(dòng)、勻速前進(jìn)和下坡等，本文選取在平面上起動(dòng)時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分析。

在平地起動(dòng)（或加速）時(shí)，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生讓自行車前行的動(dòng)力，故后輪為主動(dòng)輪，相對(duì)于地面有向后運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，其所受摩擦力方向向前。前輪是從動(dòng)輪，受到的摩擦力向后。將自行車與騎行者視作一個(gè)系統(tǒng)，則騎行者對(duì)自行車的蹬踏屬于系統(tǒng)內(nèi)力，可不予考慮。系統(tǒng)受地面對(duì)自行車前、后輪的支持力、風(fēng)的阻力（大小與騎行者的姿態(tài)、迎風(fēng)面積、風(fēng)速等有關(guān)）、地面與車輪之間的摩擦力。

自行車車胎花紋的作用是增大接觸面的粗糙程度，從而增加動(dòng)摩擦系數(shù)、增大摩擦力。相比之下，摩拜單車車胎花紋為對(duì)稱花紋，其摩擦系數(shù)最小，在雨雪天氣騎行時(shí)易打滑；ofo小黃車車胎花紋為塊狀花紋，摩擦系數(shù)適中；小藍(lán)單車車胎花紋較復(fù)雜，其摩擦系數(shù)最大。

摩擦力與支持力成正比，因此在騎行過程中，加速度與摩擦系數(shù)密切相關(guān)，摩擦系數(shù)越大則越容易加速，騎行體驗(yàn)更佳。反之，摩擦系數(shù)越小，越易出現(xiàn)自行車難加速、難停車甚至翻倒等現(xiàn)象。

二、改良共享單車

摩擦系數(shù)與共享單車輪胎的花紋相關(guān)。基于此，我們提出了共享單車的改良建議：在共享單車輪胎內(nèi)加裝一組傳感器，監(jiān)控輪胎磨損及胎壓，并在車鎖內(nèi)安裝接收器。

我們提出了兩種設(shè)想：一種是在輪胎內(nèi)壁附著兩個(gè)電極，電極上加振蕩電壓從而產(chǎn)生電磁波，電磁波外溢且受輪胎橡膠層“干擾”，測(cè)量這個(gè)“干擾”就可以得出輪胎的磨損情況，并將結(jié)果通過另外的電磁波發(fā)送到車鎖內(nèi)的接收裝置。

另一種是考慮到單車輪胎幾乎絕緣，可在制造輪胎時(shí)將輪胎中的鋼絲連接一些金屬線頭并藏在輪胎花紋里，當(dāng)輪胎磨損嚴(yán)重使這些金屬線頭露出時(shí)，就表示輪胎該更換了。在這種專用輪胎內(nèi)壁附著傳感器，傳感器的電極與輪胎金屬網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)電熱器。在傳感器電極上施加一定的電壓，輪胎金屬網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)。當(dāng)輪胎磨損到有金屬線頭外露時(shí)，外露的金屬線頭就會(huì)觸地而放電，傳感器得到一個(gè)脈沖信號(hào)，即“換胎信號(hào)”，并將此信號(hào)發(fā)送至車鎖內(nèi)的接收裝置。

這兩個(gè)設(shè)想，前者實(shí)現(xiàn)的難度大，但有機(jī)會(huì)對(duì)輪胎進(jìn)行即時(shí)測(cè)量監(jiān)控，后者則相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但需要修改輪胎制造標(biāo)準(zhǔn)。傳感器必須很薄、很輕，這樣既能附著在輪胎內(nèi)壁，或者“打印”在輪胎內(nèi)壁，又不會(huì)破壞輪胎的動(dòng)平衡。如果在傳感器上加裝壓強(qiáng)傳感器，則可以同時(shí)檢測(cè)胎壓。

當(dāng)輪胎達(dá)到必須更換的厚度會(huì)觸發(fā)換胎信號(hào)，車鎖里的接收器主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示使用者該共享單車存在安全隱患，應(yīng)盡快結(jié)束騎行，使用者付費(fèi)停車后，車輛被“鎖死”。

當(dāng)下一位騎行者掃描該車的二維碼，單車發(fā)出提示，該車輛輪胎因故障待修且拒絕開鎖，并發(fā)送信號(hào)給共享單車公司。當(dāng)然也可以由手機(jī)機(jī)主主動(dòng)上報(bào)故障，共享單車公司再給予積分獎(jiǎng)勵(lì)，從而使車輛得到及時(shí)維護(hù)。這樣既能確保使用者的安全，也能保證共享單車正常運(yùn)行。