专利名称：用于两轮车辆的防摔装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于两轮车辆的防摔装置。尽管不限于本申请，本发明应该特别地关于用于两轮车辆(如自行车)的防摔装置而进行描述。
背景技术：
开发和完工轮胎，特别是用于两轮车辆的轮胎，需要在车辆上进行测试。所进行的测试包括轮胎抓着力测试，特别是在潮湿地面上，且这些测试对于确定轮胎的安全性能而言是极为重要的。常用的抓着力测试为在潮湿地面上以给定速度围绕圆形轨迹移动的两轮车辆的横向抓着力测试。该测试模拟了当车辆转弯时轮胎的性能，特别是轮胎的横向抓着力能力，即与车辆轨迹垂直的方向上的抓着力。文献W02009147235描述了一种通过对比分析而评价一对轮胎的横向抓着力的方法。已知质量为M的车辆(其重心在速度V下围绕半径为R的圆形轨迹移动)受到离心力F=M*V2/R，所述离心力趋于将车辆推离其轨迹。为了使车辆保持在其轨迹上，轮胎与地面之间的界面需要产生平衡离心力的向心力。该向心力由轮胎与地面的抓着力产生，于是所述抓着力发展成施加至轮胎的横向摩擦力FY。源自施加至两轮车辆的两个轮胎的摩擦力的横向摩擦力Fy取决于由车辆施加至地面的垂直负载&、地面条件和与地面接触的轮胎材料。因此，f定义为f=FY/Fz。为了使车辆能够以所需速度遵循所需轨迹，f必须不超过在轮胎/地面界面处可得的抓着力系数(也称为摩擦系数)。还已知两轮车辆(其重心在给定速度V下围绕半径为R的圆形轨迹移动)与竖直平面形成角度C(称为外倾角)，所述竖直平面与轨迹相切，并朝向轨迹的内部定向。更特别地，外倾角为由车辆的中平面和与轨迹相切的竖直平面所形成的角度，所述车辆的中平面即为含有车辆重心的车辆结构的对称平面。外倾角C的正切与离心力成比例，即与轮胎上的抓着力Fy的结果成比例，并满足等式tan(C)=V2/R.g，其中g为重力加速度。因此，对于给定的半径为R的圆形轨�：透ǖ淖プ帕ο凳彼俣萔增加时，外倾角C增加直至对应于抓着力的极限的极限角，超过极限角，则轮胎在地面上滑动，从而导致车辆及其驾驶者摔倒。对于常规两轮车辆，难以确定给定圆形轨�：透ㄗプ帕ο凳募藿牵馐且蛭菔徽吣岩员３指眉藿亲愎怀さ氖奔湟圆饬扛眉藿嵌凰さ�。
发明内容
本发明人旨在，当对于给定圆形轨�：透ㄗプ帕ο凳耐馇憬谴锏蕉杂τ诼痔ププ帕Φ募薜募藿鞘保乐沽铰殖盗炯捌浼菔徽咚さ梗⑼蹦芄皇垢眉藿悄芄槐徊饬�。
根据本发明，该目的通过一种用于装配有轮胎的两轮车辆的防摔装置而实现，所述车辆的重心G以速度V围绕中心为O且半径为R的圆形轨迹移动，含有重心G的车辆的中平面和与所述轨迹相切的竖直平面形成外倾角，所述外倾角随着速度V而增加，并可在零角度与极限角之间变化，超过所述极限角，则失去轮胎的横向抓着力，从而导致车辆摔倒，所述防摔装置侧向附接至相对于轨迹的车辆内侧，从而当速度V增加时，将外倾角限制为严格大于极限角的最大角度，所述防摔装置包括安全轮、用于调节最大角度的工具和在所述安全轮与车辆之间的连接工具，所述安全轮的中平面沿着位于地面之上的直线与车辆的中平面相交，并形成与所述最大角度相差至多5°的角度。在本文献中应该应用如下定义:-纵向方向:在轨迹的点处与轨迹相切的方向，-横向方向:在轨迹的点处与轨迹垂直的方向，-竖直方向:与由纵向方向和横向方向所限定的平面垂直的方向，-与轨迹相切的竖直平面:由纵向方向和竖直方向限定的平面，-水平平面:由纵向方向和横向方向限定的平面。根据本发明的防摔装置可以获得极限角而不摔倒，超过所述极限角则存在轮胎抓着力的损失。只要车辆的外倾角小于极限角，则移动的轮胎抓着地面，且车辆沿着其轨迹移动。当达到极限角时，车辆开始滑动，且外倾角迅速增加。然后，外倾角通过所述防摔装置而被锁定在大于极限角的最大角度，这既防止了车辆及其驾驶者摔倒，还使车辆能够继续沿着其轨迹移动。严格大于抓着力极限角的最大外倾角的原理使得在测试过程中可以测量该极限角，这是因为该极限角落入允许的外倾角范围内。在失去抓着力之后锁定外倾角的所述原理不适于常规安全装置，在常规安全装置中旨在在达到抓着力极限之前锁定外倾角。在实践中，最初将防摔装置的最大外倾角设定至预定值，所述预定值允许最大给定速度，所述最大给定速度随轨迹的半径和地面的抓着力系数而变化。如果轮胎在低于该最大认可速度的速度下(即在小于预定最大角度的极限角下)失去抓着力，则可使用该最大角度设定来确定极限角和相应的极限速度。在另一方面，如果抓着力在低于最大认可速度的速度下(即在小于预定最大角度的极限角下)不损失，则需要将最大角度设定至更高的值。所述防摔装置侧向附接至相对于轨迹的车辆内侧，即在朝着车辆倾斜的一侧。侧向附接意指防摔装置基本上设置于车辆的重心轴上，也就是既不与后轮齐平也不与前轮齐平，而是介于两个轮之间。所述防摔装置包括安全轮、用于调节最大角度的工具和在所述安全轮与车辆之间的连接工具，所述安全轮的中平面沿着位于地面之上的直线与车辆的中平面相交，并形成与所述最大角度相差至多5°的角度。安全轮为履行防摔功能的简单、有效且便宜的工具。作为辅助轮，安全轮具有如下优点:在损失轮胎抓着力之后车辆已朝向轨迹内侧倾斜时使车辆能够以三个轮继续移动。安全轮具有中平面，所述中平面与沿着位于地面之上的直线的车辆的中平面相交，并形成与所述最大角度相差至多5°的角度，该事实意指安全轮在基本上竖直的方向上与地面相接触。基本上竖直的方向意指安全轮的中平面距离竖直面的倾斜小于±5°。安全轮与地面的接近竖直的接触(即具有接近零的安全轮的外倾角)不会产生易于妨碍车辆轨迹的任何横向力，并使车辆能够继续其轨迹而无摔倒的风险。用于调节最大角度的工具可以扫描所需的最大角度的范围以确定根据干燥路面或潮湿路面不同类型上的抓着力的极限角和极限速度。在安全轮与车辆之间的连接工具可以将安全轮(通常但不总是不可拆地)刚性连接至车辆。所述连接工具还具有与最大角度调节工具的结构界面。有利地，所述最大角度为至少10°且至多60°，优选为至少20°且至多45°。10°至60°之间的最大角度调节范围可以针对用于较广范围的地面抓着力系数值的不同粒度测定术的不同类型的干燥或潮湿路面而确定极限角和相应的极限速度。传统来说，轮胎在具有相对较高抓着力系数(例如大约1.0)的柏油或浙青路面上以及具有相对较低抓着力系数(大约0.1至0.2)的抛光混凝土路面上进行测试。20°至45°之间的优选最大角度调节范围可以对于两轮车辆(如自行车)的典型的O至40km/h之间的速度来测试轮胎在最常见的路面上的横向抓着力。还有利的是，防摔装置的安全轮的中心放置在距离车辆的中平面一定距离处，从而使得安全轮的中心描绘圆形轨迹，所述圆形轨迹的中心与车辆重心的圆形轨迹的中心同轴，且所述圆形轨迹的半径不大于车辆重心的圆形轨迹的半径。轮中心在横向方向上相对于车辆中平面的这种定位确保车辆的重心投影位于车辆的中平面的基线(所述基线基本上经过车辆的前后轮胎的地面接触点)与安全轮的地面接触点之间，这通过围绕纵向方向旋转而防止车辆-驾驶者全体倾斜，并因此防止车辆-驾驶者全体摔倒。有利地，安全轮的外径至少等于安装至两轮车辆的轮胎的外径的一半。该特征可以限制安全轮的中心与车辆的中平面之间的距离，并因此用以减少防摔装置的横向轮迹，并改进安装有这种防摔装置的车辆的处理能力。也有利的是将防摔装置的安全轮的中心基本上放置在竖直平面中，所述竖直平面通过车辆重心，并与车辆的中平面垂直。车辆的重心意指当车辆安装有防摔装置时，车辆及其驾驶者的重心。将轮中心放置于通过车辆重心并与车辆的中平面垂直的竖直平面中可以保持在前轮与后轮之间车辆-驾驶者全体的竖直负载的分布。典型地，30%的竖直负载施加至前轮,且70%的竖直负载施加至后轮。以此方式保持负载分布防止了车辆的圆形轨迹被偏摇(即当安全轮与地面相接触时围绕通过车辆重心的竖直轴线旋转)干扰。不必将轮中心精确放置在上述竖直平面中，由于驾驶者重心的位置的变化，这在实践中在任何情况下都难以实现。基本上在所述竖直平面中(即在所述竖直平面附近)的位置是可接受的。在基本上水平的地面和与地面接触的安全轮的中平面之间的相交的直线与在车辆的中平面与基本上水平的地面之间的相交的直线形成0°至5°之间的开口的定角。开口角度意指在移动方向上分叉的两条直线之间的角度。开口角度使得车辆能够在安全轮与地面接触之后保持在其圆形轨迹上。由于在安全轮已与地面接触之后车辆的圆形轨迹得以保持，因此驾驶者无需通过移动车辆的车把来进行任何轨迹校正，移动车辆的车把可能使车辆不稳定并导致摔倒。开口的定角选择为随圆形轨迹的半径而变化，当所述半径减小时，所述开口的定角增加。对于对应于直线轨迹的无限半径的极限情况，开口的角度为零。用于调节最大外倾角的工具可设计为提供在[10° ,60° ]范围内的离散数目的最大角度值。换言之，并非10°至60°之间的所有角度值，而仅是有限数目的角度值可通过使用所述调节工具获得。例如，所述调节工具可使得最大角度能够以2.5°的增量进行调节。有利地，所述调节工具的一个变体能够获得在[10° ,60° ]范围内的任何最大角度值，从而能够更精确地调节防摔装置。调节工具有利地放置在安全轮与连接工具之间，可拆卸地附接至安全轮和连接工具也是有利地。调节工具的这种放置具有简单的优点，这是因为其能够例如通过调节轮中心相对于连接工具的位置而调节与安全轮的界面。此外，这种放置便于调节工具的可拆卸性:简单移除轮以接近调节工具。调节工具可放置在连接工具与车辆之间，但这样天生地使接近所述调节工具更加困难。一个有利的变体为具有在固定方向上可调节的调节工具，以便获得在[10° ,60° ]范围内的给定最大角度。单向调节具有简单的优点。举例而言，在固定方向上可调节的调节工具包括三角形截面的止动件，所述止动件的一面附接至连接工具，而另一面附接至安全轮。沿着所述三角形的相关面移动所述与安全轮的附接使得易于扫描若干个最大角度值，而所述与连接工具的附接保持在适当位置。连接工具有利地包括不可变形的管状结构。管状结构意指，例如，两个一组布置以形成网格的管的组件，如三管四面体结构。不可变形的结构意指由于其刚性而在施加的应力下易受到极有限的变形的结构。已知管状结构提供所需的刚性被认为是不可变形的，并同时确保相对较低的结构质量。优选的管状结构变体为优选由铝制得的不可变形的金属管状结构。实际上，铝具有如下优点:其为易于使用、质轻且便宜的材料。碳制得的管状结构由于其质轻和刚性也可被使用，尽管其比铝结构更贵。管状结构形式的连接工具也具有如下优点:其可构造为满足人体工程学和安全性要求。关于人体工程学，管状结构可布置为使得驾驶者的腿部能够穿过车辆与安全轮之间，且在适用时，例如通过将脚踏附接至管状结构而使得驾驶者的脚部能够停留。关于安全性，管状结构可布置为以保护在防摔装置侧的驾驶者的脚部和踝部。实际上，当轮胎失去抓着力且车辆倾斜至最大角度时，驾驶者会本能地将脚部放在防摔装置侧的地面上，因此需要安装保护装置(如，例如附接至管状材料的网)以能够在车辆倾斜时驾驶者的脚部被保持�。纱朔乐辜菔徽叩慕挪肯萦诘孛嬗肓庸ぞ咧�。本发明也涉及一种安装有如上所述的防摔装置的两轮车辆，特别是测试自行车。
使用所附图1至3B可更好地理解本发明的特征和其他优点。图1至3B不是按比例显示。
具体实施例方式图1显示了具有重心G的两轮车辆I的俯视图，其以与轨迹相切的速度V围绕中心为O且半径为R的圆形轨迹移动。在G上定义了具有纵轴XX’、横轴YY’和垂直轴ZZ’(由于其垂直于平面XY，因此未显示)的正交框架。质量为M的两轮车辆(M为车辆-驾驶者全体的质量)受到施加至车辆-驾驶者全体的重心G上，并由向心力Fγ平衡的的离心力-FY=M*V2/R0车辆-驾驶者全体还受到竖直负载Fz=Mg,其中g为重力加速度，由于竖直负载垂直于平面XY,因此未显示。图2A显示了安装有防摔装置2的两轮车辆1，车辆P的中平面与轨迹相切，即在平面XZ中。防摔装置2包括中心为G1的安全轮3、用于调节最大角度Cmax的工具4和在安全轮3与车辆I之间的连接工具5，所述安全轮3的中平面P1沿着位于地面之上的直线与车辆I的中平面P相交，并形成与最大角度Cmax相差至多5°的角度。源自每个轮胎上的摩擦力的横向摩擦力FY，以及由安装有防摔装置的车辆和驾驶者的质量所导致的竖直负载Fz在车辆与地面的界面处显示，所述负载施加在地面上。图2B显示了在已达到抓着力极限之后安装有防摔装置2的两轮车辆I。一旦比率f=FY/Fz已达到对于极限角Clim在轮胎/地面界面处可得到的抓着力系数，由于轮胎在地面上的滑动，外倾角C继续增加直至最大角度Cmax,防摔装置设置至所述最大角度Cmax以停止车辆的倾斜并防止车辆摔倒。在这种布置中，车辆以三个轮继续移动:车辆的两个轮以及安全轮3。防摔装置2的安全轮3的中平面P1与车辆I的中平面形成角度a，当安全轮3接触地面时，其与竖直方向ZZ’形成小于5°的角度b，即安全轮3相对于地面基本上竖直放置。防摔装置2还包括用于调节最大角度Cmax的装置4和在安全轮3与车辆I之间的连接工具5。图3A显示了以等于最大角度Cmax的外倾角倾斜，并因此以车辆I的两个轮和安全轮3移动的两轮车辆I。安全轮3的中心G1放置在距离车辆的中平面P —定距离L处，从而使得安全轮3的中心G1描绘圆形轨迹，所述圆形轨迹的中心O1与车辆重心G的圆形轨迹的中心O同轴，且所述圆形轨迹的半径R1不大于车辆I的重心G的圆形轨迹的半径R。图3B显示了以等于最大角度Cmax的外倾角倾斜，并因此以车辆I的两个轮和安全轮3移动的两轮车辆I的俯视图。该附图显示了安全轮的中心G1基本上放置在竖直平面YZ中，所述竖直平面YZ通过车辆重心G，并与车辆的中平面P垂直。此外，该附图显示了安全轮3的中平面P1相对于车辆I的中平面在平面XY中的定向:直线D1与直线D形成0°至5°之间的开口角度d，从而使得车辆能够在安全轮已与地面接触之后保持在其圆形轨迹上，所述直线D1为基本上水平的地面和与地面接触的安全轮3的中平面P1之间的相交，所述直线D为车辆的中平面P与基本上水平的地面之间的相交。本发明更特别地被设计用于两轮测试车辆，如自行车，其防摔装置包括:-安全轮，所述安全轮的直径基本上等于测试轮胎的外径的一半，-用于调节最大角度的工具，其为金属止动件的形式，放置在安全轮与连接工具之间，使最大角度能够以2.5°的增量在20°至45°之间调节，-连接工具，其为由形成四面体的三个管所制得的管状结构的形式，所述连接工具的顶部连接至安全轮，所述连接工具的基部联接至自行车的框架。此外，需要如下修改常规自行车的布置，以确保测试车辆与防摔装置的相容性:
-移除防摔装置侧的踏板，以防止在高外倾角下踏板与地面接触，并能够安装管状连接结构。-将与防摔装置相对侧上的踏板锁定在水平位置。
-将脚踏安装至管状连接结构中。-将保护网附接至管状连接结构。-使用电动机将车辆机动化，以使自行车能够被移动而无需蹬车，所述电动机安装至后轮中，并由附接至车辆的电池提供动力。-将一直测量车辆的空间位置的系统安装至自行车中。使用上述测试自行车进行横向抓着力测试，所述测试自行车安装有根据本发明的防摔装置，并能够以至多大约为40km/h的最大速度在半径R=9m的圆形轨道上以及在不同类型的潮湿路面上移动。在潮湿浙青地面(粗糙地面)上的极限角Clim在35km/h的速度V下测得为大约40°。在潮湿抛光混凝土 (光滑地面)上的Clim在23至30km/h之间的速度下测得为25和30°。本发明不应理解为被限制至上述的实施方案，而是可扩展至其他实施方案，例如如下非限制性的实例:-一种包括不是管状网格的连接工具而的防摔装置；-一种具有多向调节工具的的防摔装置；-一种防摔装置，其中在测试过程中根据所遇到的抓着力条件而可连续调节最大锁定角度Cmax ；-一种防摔装置，其设计用于可以以大于40km/h的速度移动的两轮车辆，如摩托车。
权利要求
1.用于安装有轮胎的两轮车辆(I)的防摔装置(2)，所述车辆的重心(G)以速度V围绕中心为O且半径为R的圆形轨迹移动，含有重心(G)的车辆的中平面(P)和与所述轨迹相切的竖直平面(XZ)形成外倾角(C)，所述外倾角(C)随着所述车辆的速度V而增加，并可在零角度与极限角(Clim)之间变化，超过所述极限角(Clim),则失去所述轮胎的横向抓着力，从而导致所述车辆摔倒，所述防摔装置(2)侧向附接至相对于轨迹的所述车辆的内侧，从而当所述速度V增加时，将所述外倾角(C)限制为严格大于所述极限角(Clim)的最大角度(Cmax)，其特征在于，所述防摔装置(2)包括中心(G1)的安全轮(3)、用于调节所述最大角度(Cmax)的工具(4 )和在所述安全轮(3 )与所述车辆(I)之间的连接工具(5 )，所述安全轮(3 )的中平面(P1)沿着位于地面之上的直线与所述车辆的中平面(P)相交，并形成与所述最大角度(Cmax)相差至多5°的角度(a)。
2.根据权利要求1所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于所述最大角度(Cmax)为至少10°且至多60°，优选为至少20°且至多45°。
3.根据权利要求1和2中的一项所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，所述安全轮(3)的中心(G1)放置在距离所述车辆(I)的中平面(P) —定距离(L)处，从而使得所述安全轮(3)的中心(G1)描绘圆形轨迹，所述圆形轨迹的中心(O1)与所述车辆重心(G)的圆形轨迹的中心(O)同轴，且所述圆形轨迹的半径(R1)不大于所述车辆的重心(G)的圆形轨迹的所述半径(R)。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，将所述安全轮(3)的中心(G1)基本上放置在竖直平面(YZ)中，所述竖直平面(YZ)通过所述车辆重心(G)，并与所述车辆(I)的中平面垂直。
5.根据权利要 求1至4中任意一项所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，直线(D1)与直线(D)形成介于0°至5°之间的开口角度(d)，所述直线(D1)为在基本上水平的所述地面和与所述地面接触的所述安全轮(3)的中平面(P1)之间的相交，所述直线(D)为在所述车辆(I)的中平面(P)与基本上水平的所述地面之间的相交。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，所述调节工具(4)设计为以提供在[10° ,60° ]范围内的离散数目的最大角度(Cmax)值。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，所述调节工具(4)设计为提供在[10° ,60° ]范围内的任意最大角度(Cmax)值。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，所述调节工具(4 )放置在所述安全轮(3 )与所述连接工具(5 )之间。
9.根据权利要求1至8所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，所述调节工具(4 )可拆卸地附接至所述安全轮(3 )和所述连接工具(5 )。
10.根据权利要求1至9所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，所述调节工具(4)在固定方向上能够调节，以便获得在[10° ,60° ]范围内的给定最大角度(V ')ν δ maxy °
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，所述连接工具(5)包括不可变形的管状结构。
12.根据权利要求1至11所述的用于两轮车辆(I)的防摔装置(2)，其特征在于，所述连接工具(5 )包括不可变形的金属管状结构， 优选铝。
13.安装有根据权利要求1至12中任一项所述的防摔装置的两轮车辆(I)。
全文摘要
本发明涉及一种用于两轮车辆的防摔装置，对于给定圆形轨�：透ǖ淖サ亓ο凳鼻憬谴锏蕉杂τ诼痔プサ亓Φ募薜募藿鞘保龇浪ぷ爸弥荚诜乐钩盗炯捌浼菔徽咚さ梗⑼痹市砀眉藿潜徊饬�。根据本发明，所述目的已通过用于安装有轮胎的两轮车辆(1)的防摔装置(2)而实现，所述车辆的重心(G)以速度V围绕中心为O且半径为R的圆形轨迹移动，含有重心(G)的车辆的中平面(P)和与所述轨迹相切的竖直平面(XZ)形成倾角(C)，倾角(C)随着车辆的速度V而增加，并在零角度与极限角(Clim)之间变化，超过所述极限角(Clim)，则失去轮胎的横向抓地力，引起车辆摔倒，防摔装置(2)侧向固定至所述轨迹内部的车辆侧，并当速度V增加时，将倾角(C)限制为严格大于极限角(Clim)的最大角度(Cmax)，防摔装置(2)包括具有中心(G1)的安全轮(3)、调节最大角度(Cmax)的工具(4)和在安全轮(3)与车辆(1)之间的连接工具(5)，所述安全轮(3)的中平面(P1)沿着位于地面之上的直线切割车辆的中平面(P)，并形成与所述最大角度(Cmax)相差至多5度的角度(a)。
文档编号G01M17/007GK103154695SQ201180049373
公开日2013年6月12日 申请日期2011年10月10日 优先权日2010年10月15日
发明者Y·波坦, E·杜兰德, D·博拉东 申请人:米其林集团总公司, 米其林研究和技术股份有限公司
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