山地车助力改造安全性研究

摘 要：山地车经过电动助力改造后趋势十分流行，给山地车爱好者带来骑行方便。但是助力改造山地车骑行性能增加同时增加了极大的安全隐患。对改造后的助力山地车各种隐患进行的分析，全面研究消除隐患的各种方式。对限速器几种方式分析进而选出最合适的限速方式，对电磁刹车方式分析进而选择出最佳电磁刹车方式，超速报警和距离报警进一步分析更能提高山地车改造的防护等级。为山地车骑行者带来全方位的骑行安全。

关键词：山地车改造；安全防护；电磁刹车；限速器；安全报警

中图分类号：U484 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0000-00

山地车是一种越野自行车，十分户外运动的人喜爱。随着山地车改造趋势的流行，好多人在网上购买电动车配件，对山地车进行改造，改造成电动自行车。这种改造后的电动车既有电动车的性能又有山地越野车的性能。把骑行作为前提条件，以山地车为载体，在不改变原来山地车外观和功能的情况下，助力骑行。以人力加电力驱动辅助方式骑行，不登不走，骑行十分舒适，轻松，跟随性好，顶风爬坡性能优良，体能循序渐进。重大优势在于节能环保，由于人力的参与，减少了锂电池车载有限能源的电能消耗，与纯电动驱动方式相比，在保证相同续航行程情况下，电池容量可减小一半。

1 山地车助力改造

山地车增加电动辅助改造方式一般有三种，前轮装上电机，后轮装上电机，中轴装电机。三种方式改造价格和性能各部相同，前轮增加驱动一般费用低，后轮增加驱动结构相对复杂，中轴增加驱动扭矩大，价格高。具体何种方式的改造，需要根据个人财力和喜好而定。

现有网上山地车助力改造器件一般由液晶助力表，锂电池，指拨调速转把，电子断电刹把，分体助力器，速度传感器，力矩无刷控制器等组成。液晶助力表主要功能是电池电压显示，骑行里程数，骑行速度，档位设定等多项功能。锂电池主要是给其他器件提供24V直流电力。指拨调速转把功能是骑行时速度的进行调节。电子断电刹把功能是刹车时能及时切断电机电源，给骑行者带来安全防护。分体助力器主要由电机组成，一般固定在前轮或后轮轴上。电机通电时能提供前进动力。力矩无刷控制器是整个助力系统的控制核心，是助力系统的大脑。电机电流给出的大小，速度信号的处理都是通过力矩无刷控制器进行，控制器的好坏直接影响到山地车助力的效果。

2山地车安全防护

骑行电动山地车，需从人安全防护和山地车防护两个方面考虑。

人的安装防护。头盔，野外骑行中难免会意外，带上头盔不但醒目，在路上其他人很容易看到你，最主要的是在碰撞时起着很好的保护作用。这是最重要的防护装置。

束裤带，骑行者在穿长裤时，裤腿脚很容易被绞入山地车轮盘。束裤带能有效地避免裤腿绞入轮盘发生危险。

骑行手套，骑行手套的作用是吸汗，防滑，透气，保护手掌及腕关节。

设备安全，尾灯，对于夜行是必要装备，可以提示后方的车辆，保证骑行的安全。

车灯，在夜晚或光线不好的地方可以保证能看清道路情况，确保安全。

山地车防护。主要是刹车，山地车一般不用V 刹而碟刹，碟刹优点强度大能更好的适应恶劣的环境。在碟刹中，也分为两类，一种为线拉式碟刹，一种为油压式碟刹。线拉式碟刹为机械式刹车，应用更为广泛。

3限速器的使用

由于改造后的电动山地车人力和电动同时作用，性能大大增加，骑行时速能达到30km/h以上，最高时骑行速度60km/h，速度远远大于正常骑行的速度。根据2108年新颁布的《电动自行车通用技术条件》，电动自行车是非机动车要求最高车速25km/h。超过25km/h则为机动车。所有提供的简单的增加动力必须增加限速器。限速器可以有几种方式：

第一种是控制器自身带限速功能，电动车控制器一般都带有限速功能，限速受到控制器中单片机控制，控制器有限速短接端口，直接短接脉冲寬度最大值会受到限制，限速为25km/h左右，达到限速的目的断开则为额定最高速度。但是往往厂家为了追求改造后的速度效果，市面上好多助力改造器件都不具备限速功能，这就要求我们采用其他方式进行限速。

第二种是对指拨调速转把电压信号进行限制。指拨调速转把一般为霍耳转把，它输出调速信号是一种转动电压会从1.0V-4.2V变化。转动转把时改变了霍耳元件磁场强度，从而改变了霍耳转把的输出电压。然后把这个电压输入控制器，控制器再根据这个信号的大小进行PWM脉宽调制。只要限制赫尔转把的最高输出电压就能很好地对最大速度进行控制。在调速把和全车线束插头之间串联一个可调电位器，输出电压进行分压，就可以限制最高速度，调节原理如图1。

图1 限制最高速度原理图

从图1中可以看出，只要调节滑线电阻器的电阻大小就能对输出电压进行分压，达到限速的目的。

4电磁刹车改造

由于山地车增加了电力助力装置，动力性能更强劲。在一些下坡、雨天等特殊的环境下，即使性能良好的碟刹有时不能满足自行车制动要求。

自行车安全要求新国标GB 3565-2005要求。自行车制动要求速度25km/h时，在干态的情况下使用两个车闸制动距离为7m。在湿态的情况下使用两个车闸制动距离为9m。这样单纯依靠人力机械刹车很难达到制动距离。

为了增加安全助力山地车的安全性。 采用电制动有以下几种模式：

第一种最基本方式是采用能耗制动方式。山地助力车断电后电动机仍然会高速运转，电动机在高速运转时就会产生很高的反电动势；经过控制器转换电压后给电池瞬间高电压充电，同时起到能耗制动作用。这种制动的方式效果没有能源消耗和机械磨损，反而能给电池进行充电，属于最环保、经济的制动方式。这种制动方式的缺点是充电时间短，充电量十分有限，然而电池瞬间承受高压会给电池使用寿命带来一定的伤害。

第二种是采用通电摩擦制动原理。一般采用单片电磁制动器来进行制动。电磁制动器通断电分离状态下，衔铁和线圈一般保持0.5mm的间隙，断电时，衔铁跟线圈是分离状态，衔铁跟随着旋转端一起旋转。通电时，线圈产生磁场，产生磁力将衔铁吸附，旋转端和衔铁立刻结合在一起，起着到刹车的效果。单片电磁制动器也有通电分离断电刹车模式。通电分离和断电分离最主要的区别时，在电池没有电时衔铁受弹簧的弹力作用旋转端和衔铁结合在一起。起着刹车的作用，山地车将无法骑行。所以一般选用电磁制动器通断电分离方式刹车。

第三种采用电磁刹车辅助制动装置方式，电磁刹车又称电涡流缓速器。增加电磁刹车后，当制动触发后，给直流通入电缓速器定子线圈，在定子线圈内就会产生磁场，该磁场会在相邻磁轭板、铁芯、气隙、转子之间形成磁场回路。转子与定子之间相对运动时，相对运动使得导体在切割磁力线，根据物理学电磁感应原理，在导体内部就会产生感应电流现象， 感应电流同时也会产生另一个感应磁场，此磁场和已经存在磁场之间会有项作用力，作用力方向是会阻碍导体运动的方向。这样起到非接触时刹车作用。这样刹车的好处是非接触时的不会消耗刹车片。骑行时山地车故障率相对较低。

5超速报警

在山地车助力改造中一般都有骑行速度显示，骑行时能及时发现速度。有时受光线等因素影响，骑行时超出限速范围时并不能及时发现，这样就会存在着骑行安全隐患。为了能及时发现可以增加速度报警装置。速度报警一般是以单片机为设计核心，通过光电传感器来检测助力山地车的运转速度，里程计算，最后用数显能直观的将速度显示给骑行者，并且在速度高于一定的值时可自动向骑行者报警，从而达到安全警示作用。

超速报警硬件主要需要单片机、霍尔传感器、测速检测电路、速度显示电路和喇叭报警驱动电路。报警电路就是在车速超过25km/h或指定速度时，单片机就在接受到速度传感器传来的信号，单片机输出报警信号驱动报警电路的喇叭，达到报警目的。超速报警软件需要用单片机专用编写语言来进行程序编写，软件设计的核心内容是速度检测程序。

6距离报警

在助力山地车骑行过程中有时会遇到固定障碍物或移动障碍物，如果不能及时反应会给安全行驶带来极大隐患，可以借助距离测量设备进行预警或自动刹车，以保障骑行的安全。在距离测量中有毫米雷达波，激光雷达波，超声波雷达等几种模式，每种模式都有自己的优缺点。

（1）毫米雷達波测距是高精度、高分辨力、小天线口径，光电制导和微波制导。毫米雷达器体积小、质量轻和分辨率高。穿透烟、雾、灰尘等的能力强，适合全天候使用。

（2）激光雷达隐蔽性好、分辨率高、抗有源干扰能力强。低空探测性能好。同样具有体积小、质量轻特性。工作时受天气变化影响大。激光一般在晴天气里衰减较小，传播距离远。而在浓烟、大雨、浓雾等恶劣天气里，衰减会增大，雷达传播距离就会受到影响。

（3）超声波雷达测距是超声波的能量消耗较缓慢，在介质中传播的距离比较远，穿透性强，测距的方法简单，成本低。超声波的传输速度容易受天气情况的影响，在不同的天气情况下，超声波的传输速度不同，而且传播速度较慢，当汽车高速行驶时，使用超声波测距无法跟上汽车的车距实时变化，误差较大。在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较的弱，影响测量精度。

从以上三种测距方式优缺点和成本来看，在助力山地车选用激光雷达测距可靠性和性价比相对最高。雷达测距装置和电磁刹车必须配合使用，这种模式类似于汽车的自动驾驶功能。雷达测距后必须有专门的处理器处理电子信号，处理器根据山地车和固定障碍物或移动障碍物距离远近进行判断。可以根据距离远近进行降速或启动电磁刹车处理，确保骑行者的骑行安全，进而很好解决骑行过程中的意外安全隐患问题。

7结语

山地车增加助力系统后，性能增加同时会带来极大的安全隐患。对山地车改造方式进行选择，对人员自身防护和设备安全防护进行全方位分析。对改造后的助力山地车隐患进行的分析研究。在设备上通过在限速器、电磁刹车、超速报警、距离报警等方面进行分析，找出最适合安全防护措施。山地车助力改造后可以选择其中的一种或几种安全防护措施，进而给骑行者带来方便的同时更能增加的骑行者安全防护。

参考文献

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[2]周思屯，李华，等.一种电磁刹车执行系统[P].中国专利：CN104875839A，2015—09—02

[3]杨超云.车载雷达提高行车安全性[J].轻型汽车技术，2011，（22）：22-25.

收稿日期：2018-06-20

作者简介：刘一泽，男，安徽蚌埠人。