為什么要控制電動(dòng)自行車的車速和車重

　　摘  要：提出了車輛安全行駛中可操控性動(dòng)量指標(biāo)的新概念，對(duì)目前業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的電動(dòng)自行車標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于車速和車重等指標(biāo)進(jìn)行了技術(shù)層面的分析，有助于提高人們對(duì)目前標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的理性認(rèn)識(shí)。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；車速；車重；動(dòng)量指標(biāo)；可操控性；安全檢測(cè)

　　1、前言

　　《中華人民共和國(guó)道路(Strada)交通安全法》明確規(guī)定：電動(dòng)自行車屬于非機(jī)動(dòng)車范疇。GB17761-1999《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》規(guī)定：“電動(dòng)自行車最高車速應(yīng)不大于20km/h”，“電動(dòng)自行車的整車質(zhì)量（重量）應(yīng)不大于40kg�！弊鳛榉菣C(jī)動(dòng)車，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車速和車重作這樣的規(guī)定是合理的。設(shè)立這些指標(biāo)不僅是為了防止輕摩化傾向，更重要的是確保產(chǎn)品在既定使用環(huán)境中的安全性能。

　　由車輛引起的人身傷害事故，主要形式是碰撞。人們?cè)谘芯颗鲎矄?wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)：物體的質(zhì)量和速度(Tempo)越大，碰撞時(shí)的沖擊(Impuise)力也越強(qiáng)，由此引入動(dòng)量這個(gè)物理學(xué)概念。動(dòng)量定義為物體質(zhì)量與速度(Tempo)的乘積，即ρ=mv。動(dòng)量是矢量，其方向與物體運(yùn)動(dòng)的方向一致，并具有瞬時(shí)性和相對(duì)性。為了減少或防止車輛碰撞造成的危害，正確的措施不是減少動(dòng)量，而是把動(dòng)量指標(biāo)限制在可操控的范圍內(nèi)。動(dòng)量是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指標(biāo)，根據(jù)牛頓定律，力可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。力越大，其作用的時(shí)間越長(zhǎng)，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變得越多。在物理學(xué)上將(General)作用在物體上的力的大小和力的作用時(shí)間的乘積稱為沖量，它的作用是使物體的動(dòng)量發(fā)生變化，在車輛需要停止時(shí)，我們要有效地控制它，就是提供沖量改變它的動(dòng)量。一定時(shí)間內(nèi)物體動(dòng)量的變化量等于物體受到的合力的沖量，F(xiàn)t=△mv。動(dòng)量變化的方向與沖量的方向一致。騎車者的一般經(jīng)驗(yàn)是：電動(dòng)自行車的質(zhì)量越大，車速越快，就越難控制。所以可以用動(dòng)量來(lái)表征電動(dòng)自行車可操控的難易程度以及不同人操控電動(dòng)自行車的能力，下面用可操控的動(dòng)量指標(biāo)的概念來(lái)分析上述二項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

　　2、車速和車重與可操控動(dòng)量的關(guān)系

　　剎車是騎車者操控電動(dòng)自行車的主要措施。假定車輛的制動(dòng)系統(tǒng)性能相同，影響不同人群剎車控制能力差異的主要因素是反應(yīng)時(shí)間和握閘力。反應(yīng)時(shí)間指騎車人從發(fā)現(xiàn)前方情況異常到做出正確反應(yīng)動(dòng)作的間隔時(shí)間。而握閘力的大小與電動(dòng)自行車制動(dòng)加速度(Tempo)a成正比，與制動(dòng)效果有關(guān)。反應(yīng)時(shí)間每個(gè)人各不相同，一般成年人約0.3-0.4s，而老年人和兒童的反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的反應(yīng)時(shí)間一般可以在0.1-0.2s。在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)騎車人還沒(méi)有采取制動(dòng)措施。設(shè)制動(dòng)前車速為V，反應(yīng)時(shí)間為t，假設(shè)制動(dòng)過(guò)程為勻減速運(yùn)動(dòng)，負(fù)加速度(Tempo)為a，則從騎車者發(fā)現(xiàn)前方情況異常到車完全停止，其間行駛的距離S（即制動(dòng)距離）可以粗略地認(rèn)為是：

　　在車輛制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)自行車能自動(dòng)切斷電源，剎車其實(shí)是制止車輛作慣性運(yùn)動(dòng)，車重與慣性的大小成正比。制動(dòng)前車速低，整車質(zhì)量（重量）小，操控相對(duì)比較容易。

　　在制動(dòng)前車速相同的條件下，如果騎車者反應(yīng)時(shí)間較短，車重大一些也可以控制，因?yàn)樗�可以減少vt，贏得較多的勻減速時(shí)間和距離；如果騎車者握力大，他可以取得較大的減速度(Tempo)，在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)把車停止。在車重不變的條件下，如果騎車者反應(yīng)時(shí)間較短，車速v即使大一些也可以控制，因?yàn)樗�可以提前減速；如果騎車者握力大，他也可以控制較高的車速，因?yàn)樗�同樣可以取得較大的減速度(Tempo)。

　　轉(zhuǎn)向是騎車者另外一項(xiàng)重要的操控措施。它與車的性能關(guān)系較小，主要是人為操控。通常情況下車速越高，騎車者的轉(zhuǎn)向就必須更加小心，過(guò)度的轉(zhuǎn)向會(huì)導(dǎo)致車輛失控。兒童自行車制造時(shí)要限制前輪在超過(guò)左右75℃范圍外靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，目的就是為了防止緊急制動(dòng)效應(yīng)的出現(xiàn)。電動(dòng)自行車的轉(zhuǎn)向操作同樣受到動(dòng)量指標(biāo)的影響，動(dòng)量越大，操控越困難。一般的經(jīng)驗(yàn)是操控較重的車，轉(zhuǎn)向難度要大一些。這一點(diǎn)在把重物置于自行車前端時(shí)尤為明顯。

　　3、可操控動(dòng)量指標(biāo)分析

　　車輛使用時(shí)的動(dòng)量值應(yīng)該在使用者可操控的動(dòng)量指標(biāo)范圍內(nèi)。如果騎車者可操控的動(dòng)量在600kg·m/s，那么他騎行的動(dòng)量應(yīng)該在600kg·m/s以下，如果電動(dòng)自行車連騎車者共重100kg，所以該車設(shè)計(jì)的最大車速應(yīng)該在20km/h左右。產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該根據(jù)不同年齡使用者不同的使用情況確定不同的可操控的動(dòng)量指標(biāo)，并且根據(jù)這一指標(biāo)具體規(guī)定相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和相應(yīng)配置。

　　現(xiàn)有自行車、童車以及玩具車標(biāo)準(zhǔn)中都已經(jīng)涉及這方面的內(nèi)容，例如當(dāng)騎行者可操控的動(dòng)量指標(biāo)很小時(shí)，必須用限制車速來(lái)限制車輛本身的動(dòng)量指標(biāo)。在ISO8124“玩具安全”標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電動(dòng)乘騎玩具的速度(Tempo)限制為8km/h。這個(gè)指標(biāo)在兒童可操控的動(dòng)量指標(biāo)范圍內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定對(duì)無(wú)載重時(shí)最大速度(Tempo)為1m/s，座位高度小于300mm，乘騎時(shí)腳能自由活動(dòng)的電動(dòng)乘騎玩具不必進(jìn)行制動(dòng)性能的考核，即是說(shuō)在此動(dòng)量范圍內(nèi)，兒童有自控能力。歐盟“玩具安全”EN71規(guī)定“帶有自由車輪裝置的機(jī)械或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的玩具必須有剎車。”標(biāo)準(zhǔn)對(duì)適用36個(gè)月以下兒童使用的自由輪玩具車有個(gè)判別公式：FT≥(m+25)×1.7；FT是在玩具車座位面上負(fù)載25kg，拖動(dòng)玩具車以2m/s±0.2m/s勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的拉力。m是玩具車自重。當(dāng)拉力FT超過(guò)公式計(jì)算值時(shí)，玩具車就不屬于自由輪玩具，不必配置剎車裝置。FT實(shí)際上是玩具車以2m/s速度(Tempo)運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到的各種外部阻力如空氣阻力、摩擦阻力以及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)損耗的總值，可以把它稱為“自然制動(dòng)力”，它也是使玩具車得以減速的“制動(dòng)力”，按照牛頓定律，如果沒(méi)有這個(gè)力，物體就會(huì)永遠(yuǎn)保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)F=ma的公式可以將判別公式理解為：當(dāng)玩具車以2m/s速度(Tempo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它受到的“自然制動(dòng)力”會(huì)產(chǎn)生1.7m/s2以上的減速度(Tempo)。一旦動(dòng)力消失，玩具車將在1.2s內(nèi)停止運(yùn)動(dòng)，在1.18m距離內(nèi)完全停止。而此時(shí)玩具車的動(dòng)量是70kg·m/s，（假設(shè)m為10kg）�？梢�(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)背后有一個(gè)安全動(dòng)量值指標(biāo)為70kg·m/s。
再來(lái)看電動(dòng)自行車，假設(shè)電動(dòng)自行車加騎行者總重不超過(guò)120kg，車速限制為20km/h，則全速時(shí)動(dòng)量為667kg·m/s，經(jīng)驗(yàn)表明成年人騎行電動(dòng)自行車在700kg·m/s的動(dòng)量范圍內(nèi)是可操控的，當(dāng)然這個(gè)指標(biāo)牽涉的因素很多。譬如道路(Strada)，如果道路(Strada)情況好一些，車輛少，人均占路面積大，車速可以提高，因?yàn)橹苿?dòng)距離可以延長(zhǎng)。又譬如坡地會(huì)將重力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，所以在坡地騎車要限速。

　　EN71標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；“如果加上50kg載重，玩具車能沿10°斜坡加速滑下，則玩具車可認(rèn)為是有自由輪的”，就是說(shuō)，這種玩具車必須配置制動(dòng)裝置。

　　4、動(dòng)量指標(biāo)超過(guò)騎車者可操控范圍時(shí)附加的安全措施

　　當(dāng)動(dòng)量指標(biāo)超過(guò)騎車者可操控的范圍時(shí)（非機(jī)動(dòng)車的動(dòng)量指標(biāo)一般控制在700kg·m/s范圍內(nèi)），為了保證行車安全，必須附加下列安全措施：

　�。�1）對(duì)騎車者進(jìn)行專業(yè)駕車技術(shù)的培訓(xùn)和考核，世界(Mondi)各國(guó)對(duì)機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T都進(jìn)行培訓(xùn)和考核，并進(jìn)行登記管理。這就是說(shuō)，將這部分電動(dòng)車作為機(jī)動(dòng)車處理。

　�。�2）在指定的機(jī)動(dòng)車道上行駛，騎車者必須佩戴安全帽和其他防護(hù)用品。事實(shí)上，當(dāng)動(dòng)量指標(biāo)超過(guò)騎車者可操控的范圍時(shí)，騎車會(huì)產(chǎn)生一定程度的危險(xiǎn)，附加的安全措施無(wú)非是為了在事故發(fā)生時(shí)可以避免傷害或者減輕騎車者受傷害的程度。

　　我國(guó)把電動(dòng)自行車列入非機(jī)動(dòng)車范疇，說(shuō)明有關(guān)方面已經(jīng)考慮到中國(guó)是自行車王國(guó)，有幾億人騎自行車的客觀情況，在交通管理上給使用者開了一個(gè)方便之門。因?yàn)楫吘闺妱?dòng)自行車是有動(dòng)力裝置的，電動(dòng)自行車定義為“以蓄電池作為輔助能源，具有兩個(gè)車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動(dòng)或電助動(dòng)功能的特種自行車”。如果蓄電池不是輔助能源，它不應(yīng)該是非機(jī)動(dòng)車，國(guó)內(nèi)有些地區(qū)限制電動(dòng)自行車上路行駛，一方面是基于該地區(qū)安全事故的統(tǒng)計(jì)，另外也可能考慮到它的機(jī)動(dòng)性，輕摩化電動(dòng)車的出現(xiàn)使問(wèn)題復(fù)雜化。為了維護(hù)電動(dòng)自行車使用者的安全，給電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好的外部環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車速和車重作現(xiàn)在的規(guī)定是合理的。

　　5、結(jié)論

　　影響車輛操控性能的相關(guān)因素中，動(dòng)量指標(biāo)是重要因素。不同情況不同年齡段的騎車者可操控的動(dòng)量指標(biāo)具有很大的不同，無(wú)論是制定童車、自行車或者電動(dòng)自行車的安全標(biāo)準(zhǔn)，還是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)該將可操控的動(dòng)量指標(biāo)列入考慮范圍。產(chǎn)品最大的使用動(dòng)量不能超過(guò)使用者可操控的動(dòng)量指標(biāo)的上限，不能把制動(dòng)系統(tǒng)性能作為車輛安全的唯一考核指標(biāo)。童車、自行車實(shí)際使用時(shí)的動(dòng)量值雖然在總體上不會(huì)超過(guò)一定范圍，但因人而異有較大的差別（如車速），所以使用者根據(jù)環(huán)境和自身?xiàng)l件決定行車速度(Tempo)也是一種操控能力，電動(dòng)自行車在限制車速和車重的條件下列入非機(jī)動(dòng)車范疇，是保證產(chǎn)品安全使用的必要措施。當(dāng)動(dòng)量指標(biāo)超過(guò)騎車者可操控的范圍時(shí)（非機(jī)動(dòng)車的動(dòng)量指標(biāo)一般只能控制在700kg·m/s范圍內(nèi)），不應(yīng)再列入非機(jī)動(dòng)車范疇。