為什么要控制電動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量指標的新概念，對目前業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的電動自行車標準中關(guān)于車速和車重等指標進行了技術(shù)層面的分析，有助于提高人們對目前標準中相關(guān)技術(shù)指標的理性認識。
關(guān)鍵詞：電動自行車；車速；車重；動量指標；可操控性；安全檢測

　　1、前言

　　《中華人民共和國道路(Strada)交通安全法》明確規(guī)定：電動自行車屬于非機動車范疇。GB17761-1999《電動自行車通用技術(shù)條件》規(guī)定：“電動自行車最高車速應(yīng)不大于20km/h”，“電動自行車的整車質(zhì)量（重量）應(yīng)不大于40kg。”作為非機動車，標準對車速和車重作這樣的規(guī)定是合理的。設(shè)立這些指標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。人們在研究碰撞問題時發(fā)現(xiàn)：物體的質(zhì)量和速度(Tempo)越大，碰撞時的沖擊(Impuise)力也越強，由此引入動量這個物理學(xué)概念。動量定義為物體質(zhì)量與速度(Tempo)的乘積，即ρ=mv。動量是矢量，其方向與物體運動的方向一致，并具有瞬時性和相對性。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量，而是把動量指標限制在可操控的范圍內(nèi)。動量是運動狀態(tài)指標，根據(jù)牛頓定律，力可以改變物體的運動狀態(tài)。力越大，其作用的時間越長，物體運動狀態(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間的乘積稱為沖量，它的作用是使物體的動量發(fā)生變化，在車輛需要停止時，我們要有效地控制它，就是提供沖量改變它的動量。一定時間內(nèi)物體動量的變化量等于物體受到的合力的沖量，F(xiàn)t=△mv。動量變化的方向與沖量的方向一致。騎車者的一般經(jīng)驗是：電動自行車的質(zhì)量越大，車速越快，就越難控制。所以可以用動量來表征電動自行車可操控的難易程度以及不同人操控電動自行車的能力，下面用可操控的動量指標的概念來分析上述二項技術(shù)指標。

　　2、車速和車重與可操控動量的關(guān)系

　　剎車是騎車者操控電動自行車的主要措施。假定車輛的制動系統(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)時間和握閘力。反應(yīng)時間指騎車人從發(fā)現(xiàn)前方情況異常到做出正確反應(yīng)動作的間隔時間。而握閘力的大小與電動自行車制動加速度(Tempo)a成正比，與制動效果有關(guān)。反應(yīng)時間每個人各不相同，一般成年人約0.3-0.4s，而老年人和兒童的反應(yīng)時間相對較長，專業(yè)運動員的反應(yīng)時間一般可以在0.1-0.2s。在反應(yīng)時間內(nèi)騎車人還沒有采取制動措施。設(shè)制動前車速為V，反應(yīng)時間為t，假設(shè)制動過程為勻減速運動，負加速度(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（即制動距離）可以粗略地認為是：

　　在車輛制動過程中，電動自行車能自動切斷電源，剎車其實是制止車輛作慣性運動，車重與慣性的大小成正比。制動前車速低，整車質(zhì)量（重量）小，操控相對比較容易。

　　在制動前車速相同的條件下，如果騎車者反應(yīng)時間較短，車重大一些也可以控制，因為他可以減少vt，贏得較多的勻減速時間和距離；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)時間較短，車速v即使大一些也可以控制，因為他可以提前減速；如果騎車者握力大，他也可以控制較高的車速，因為他同樣可以取得較大的減速度(Tempo)。

　　轉(zhuǎn)向是騎車者另外一項重要的操控措施。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，過度的轉(zhuǎn)向會導(dǎo)致車輛失控。兒童自行車制造時要限制前輪在超過左右75℃范圍外靈活轉(zhuǎn)動，目的就是為了防止緊急制動效應(yīng)的出現(xiàn)。電動自行車的轉(zhuǎn)向操作同樣受到動量指標的影響，動量越大，操控越困難。一般的經(jīng)驗是操控較重的車，轉(zhuǎn)向難度要大一些。這一點在把重物置于自行車前端時尤為明顯。

　　3、可操控動量指標分析

　　車輛使用時的動量值應(yīng)該在使用者可操控的動量指標范圍內(nèi)。如果騎車者可操控的動量在600kg·m/s，那么他騎行的動量應(yīng)該在600kg·m/s以下，如果電動自行車連騎車者共重100kg，所以該車設(shè)計的最大車速應(yīng)該在20km/h左右。產(chǎn)品安全標準應(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量指標，并且根據(jù)這一指標具體規(guī)定相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計要求和相應(yīng)配置。

　　現(xiàn)有自行車、童車以及玩具車標準中都已經(jīng)涉及這方面的內(nèi)容，例如當(dāng)騎行者可操控的動量指標很小時，必須用限制車速來限制車輛本身的動量指標。在ISO8124“玩具安全”標準中對電動乘騎玩具的速度(Tempo)限制為8km/h。這個指標在兒童可操控的動量指標范圍內(nèi)。標準還規(guī)定對無載重時最大速度(Tempo)為1m/s，座位高度小于300mm，乘騎時腳能自由活動的電動乘騎玩具不必進行制動性能的考核，即是說在此動量范圍內(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械或電動驅(qū)動的玩具必須有剎車。”標準對適用36個月以下兒童使用的自由輪玩具車有個判別公式：FT≥(m+25)×1.7；FT是在玩具車座位面上負載25kg，拖動玩具車以2m/s±0.2m/s勻速運動時所需的拉力。m是玩具車自重。當(dāng)拉力FT超過公式計算值時，玩具車就不屬于自由輪玩具，不必配置剎車裝置。FT實際上是玩具車以2m/s速度(Tempo)運動時遇到的各種外部阻力如空氣阻力、摩擦阻力以及內(nèi)部運動損耗的總值，可以把它稱為“自然制動力”，它也是使玩具車得以減速的“制動力”，按照牛頓定律，如果沒有這個力，物體就會永遠保持勻速運動狀態(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)運動時，它受到的“自然制動力”會產(chǎn)生1.7m/s2以上的減速度(Tempo)。一旦動力消失，玩具車將在1.2s內(nèi)停止運動，在1.18m距離內(nèi)完全停止。而此時玩具車的動量是70kg·m/s，（假設(shè)m為10kg）。可見標準指標背后有一個安全動量值指標為70kg·m/s。
再來看電動自行車，假設(shè)電動自行車加騎行者總重不超過120kg，車速限制為20km/h，則全速時動量為667kg·m/s，經(jīng)驗表明成年人騎行電動自行車在700kg·m/s的動量范圍內(nèi)是可操控的，當(dāng)然這個指標牽涉的因素很多。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，因為制動距離可以延長。又譬如坡地會將重力轉(zhuǎn)化為動力，所以在坡地騎車要限速。

　　EN71標準規(guī)定；“如果加上50kg載重，玩具車能沿10°斜坡加速滑下，則玩具車可認為是有自由輪的”，就是說，這種玩具車必須配置制動裝置。

　　4、動量指標超過騎車者可操控范圍時附加的安全措施

　　當(dāng)動量指標超過騎車者可操控的范圍時（非機動車的動量指標一般控制在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）對騎車者進行專業(yè)駕車技術(shù)的培訓(xùn)和考核，世界(Mondi)各國對機動車駕駛?cè)藛T都進行培訓(xùn)和考核，并進行登記管理。這就是說，將這部分電動車作為機動車處理。

　　（2）在指定的機動車道上行駛，騎車者必須佩戴安全帽和其他防護用品。事實上，當(dāng)動量指標超過騎車者可操控的范圍時，騎車會產(chǎn)生一定程度的危險，附加的安全措施無非是為了在事故發(fā)生時可以避免傷害或者減輕騎車者受傷害的程度。

　　我國把電動自行車列入非機動車范疇，說明有關(guān)方面已經(jīng)考慮到中國是自行車王國，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方便之門。因為畢竟電動自行車是有動力裝置的，電動自行車定義為“以蓄電池作為輔助能源，具有兩個車輪，能實現(xiàn)人力騎行、電動或電助動功能的特種自行車”。如果蓄電池不是輔助能源，它不應(yīng)該是非機動車，國內(nèi)有些地區(qū)限制電動自行車上路行駛，一方面是基于該地區(qū)安全事故的統(tǒng)計，另外也可能考慮到它的機動性，輕摩化電動車的出現(xiàn)使問題復(fù)雜化。為了維護電動自行車使用者的安全，給電動自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好的外部環(huán)境，標準對車速和車重作現(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，動量指標是重要因素。不同情況不同年齡段的騎車者可操控的動量指標具有很大的不同，無論是制定童車、自行車或者電動自行車的安全標準，還是在產(chǎn)品設(shè)計時都應(yīng)該將可操控的動量指標列入考慮范圍。產(chǎn)品最大的使用動量不能超過使用者可操控的動量指標的上限，不能把制動系統(tǒng)性能作為車輛安全的唯一考核指標。童車、自行車實際使用時的動量值雖然在總體上不會超過一定范圍，但因人而異有較大的差別（如車速），所以使用者根據(jù)環(huán)境和自身條件決定行車速度(Tempo)也是一種操控能力，電動自行車在限制車速和車重的條件下列入非機動車范疇，是保證產(chǎn)品安全使用的必要措施。當(dāng)動量指標超過騎車者可操控的范圍時（非機動車的動量指標一般只能控制在700kg·m/s范圍內(nèi)），不應(yīng)再列入非機動車范疇。