車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本本實(shí)用新型公開了一種車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，包括：轉(zhuǎn)盤、拋物線板、車輛模板、支撐木條、滑槽、轉(zhuǎn)軸孔、光電門、擋光片、底座；拋物線板上表面為拋物面，在水平和垂直方向均具有刻度尺，拋物面頂部設(shè)有滑槽，車輛模板的底部圓柱形突起嵌入滑槽內(nèi)部，支撐木條用于支撐車輛模板；底座內(nèi)部安裝直立的電機(jī)，電機(jī)軸嵌入轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)軸孔內(nèi)，對(duì)整體裝置起支撐作用；當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，支撐木條自動(dòng)到下，而車輛模板卻能和拋物線板保持相對(duì)靜止，從而驗(yàn)證車輛轉(zhuǎn)彎半徑、路面傾斜角度及車輛速度三者關(guān)系，既可以作為物理教學(xué)中重要的實(shí)驗(yàn)裝置，又可以為工程設(shè)計(jì)、車輛安全運(yùn)行等提供依據(jù)。
【專利說明】車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種物理實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種用于車輛彎道平衡現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術(shù)】
[0002]火車、汽車等交通工具轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于慣性的存在，車輛保持著向前的力，要想讓其轉(zhuǎn)向，必須提供一個(gè)“向心力”，否則將越出軌道之外出現(xiàn)翻車事故。將拐彎處的軌道或路面設(shè)計(jì)成外高內(nèi)低，有一定的傾斜度，用來抵消轉(zhuǎn)彎時(shí)的“離心力”。這樣只要解決了車輛轉(zhuǎn)彎線路半徑，通過速度，路面高度這三者的相互關(guān)系，就能保證車輛安全通過彎道。如圖1所示，車身所需的向心力由路面支持力N和車身重力G的合力F來提供。設(shè)車的轉(zhuǎn)彎半徑為r，該處路面高為h，彎道處路面的傾斜角度為Θ，則有:
r , h F
[0003]— — —(I)
r G
[0004]即Δ =.Ξ9.Γ(2)
r mg
[0005]可以得到車輛轉(zhuǎn)彎線路半徑、通過速度、路面高度三者的關(guān)系為
, ω2 2
[0006]η — — r(3)
g
[0007]式中m為車輛質(zhì)量，g為重力加速度，ω為車輛轉(zhuǎn)彎的角速度。
[0008]車輛通過彎道時(shí)的速度V與轉(zhuǎn)彎半徑及路面的傾斜角度之間的關(guān)系為
[0009]h = rtg Θ(4)
[0010]V = r ω(5)
[0011]可見當(dāng)車輛以一定的角速度ω轉(zhuǎn)彎時(shí)，h正比于轉(zhuǎn)彎半徑r的平方，即路面或軌道之橫斷面應(yīng)該呈拋物線形。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎半徑、路面傾斜角度一定，車輛以rco的速度運(yùn)行，車輛是平衡的。本發(fā)明的車輛彎道平衡演示裝置及方法就是演示這一規(guī)律的。通過分析計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，既可以作為物理教學(xué)中重要的實(shí)驗(yàn)裝置，又可以為工程設(shè)計(jì)、車輛運(yùn)行的安全速度設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本實(shí)用新型的目的是提供一種車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，以便于演示車輛的向心力與運(yùn)動(dòng)的平衡關(guān)系。
[0013]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0014]車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，包括:轉(zhuǎn)盤1、拋物線板2、車輛模板3、支撐木條4、滑槽
5、轉(zhuǎn)軸孔6、光電門7、擋光片8、底座9 ；
[0015]所述的拋物線板2，上表面為按著轉(zhuǎn)盤I的半徑以及旋轉(zhuǎn)的角速度與路面高度的關(guān)系計(jì)算出來的拋物面，在水平和垂直方向均具有刻度尺，拋物面頂部設(shè)有滑槽5，車輛模板3的底部圓柱形突起嵌入滑槽5內(nèi)部，拋物線板2下表面固定在轉(zhuǎn)盤I上，隨轉(zhuǎn)盤I 一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0016]所述的車輛模板3，下邊緣為圓柱面，兩邊突出圓柱形嵌入滑槽5內(nèi)部后，可以在拋物線板2上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0017]所述的支撐木條4下部為丁字形，嵌入拋物線板2上的滑槽5內(nèi)，用于支撐車輛模板3，可以將車輛模板3立在滑槽上的任意位置處。
[0018]所述的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置使用時(shí)，還需另備直流電機(jī)一臺(tái)，其參數(shù)為:
[0019]電壓:直流48V?300V，轉(zhuǎn)速800?5000轉(zhuǎn)/分鐘，重量2200克，功率200W。
[0020]電機(jī)長為146mm,直徑為77mm,電機(jī)的軸徑8mm,伸出軸長為14mm。
[0021]直流調(diào)速器一臺(tái)，其參數(shù)為:
[0022]型號(hào)TDGC-0.5，功率500W，調(diào)速范圍從零開始，直至儀器最大轉(zhuǎn)速。
[0023]QS-R型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試儀一臺(tái)，和光電門7配套，以測量轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)速。
[0024]QS-R型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試儀工作過程是，首先在QS-R型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試儀面板上設(shè)定重復(fù)次數(shù)，即轉(zhuǎn)盤I轉(zhuǎn)動(dòng)的周期數(shù)，按“執(zhí)行”鍵后，當(dāng)轉(zhuǎn)盤I上的擋光片8第一次通過光電門7時(shí)開始計(jì)時(shí)，同時(shí)狀態(tài)指示的“計(jì)時(shí)”燈點(diǎn)亮。隨著轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)動(dòng)，儀器開始連續(xù)計(jì)時(shí)，直到周期數(shù)等于設(shè)定值時(shí)，停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)指示燈隨之熄滅，此時(shí)儀器顯示所設(shè)定轉(zhuǎn)盤I轉(zhuǎn)動(dòng)的周期數(shù)所用的總時(shí)間，進(jìn)而可求出轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)速。
[0025]所述的底座9內(nèi)部安裝直立的電機(jī)，電機(jī)軸嵌入轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)軸孔6內(nèi)，對(duì)整體裝置起支撐作用，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤I轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0026]由上述本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型提供的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，通過分析計(jì)算及實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證車輛轉(zhuǎn)彎半徑、路面傾斜角度及車輛運(yùn)行速度三者關(guān)系，既可以作為物理教學(xué)中重要的實(shí)驗(yàn)裝置，又可以為工程設(shè)計(jì)、車輛安全運(yùn)行等提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程精彩，操作方便快捷，成功率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0028]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖。
[0029]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置中滑槽4的截面放大圖。
[0031]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置中車輛模板3的結(jié)構(gòu)放大圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0033]下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0034]車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，包括:轉(zhuǎn)盤1、拋物線板2、車輛模板3、支撐木條4、滑槽
5、轉(zhuǎn)軸孔6、光電門7、擋光片8、底座9 ；
[0035]所述的拋物線板2，上表面為當(dāng)轉(zhuǎn)盤I旋轉(zhuǎn)的角速度ω —定時(shí)，由公式(3)計(jì)算出來的拋物面，本實(shí)施例中，取ω為6S-1。在拋物線板2的水平和垂直方向均具有刻度尺，用以確定車輛模板3所處位置的坐標(biāo)值，拋物面頂部設(shè)有深度約為5毫米的滑槽5，車輛模板3的底部圓柱形突起嵌入滑槽5內(nèi)部，拋物線板2固定在轉(zhuǎn)盤I上，隨轉(zhuǎn)盤I 一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0036]在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)盤I的半徑為20厘米。
[0037]所述的車輛模板3高12厘米、寬6厘米、厚0.5厘米，下邊緣帶有圓柱形突起，嵌入滑槽4內(nèi)，因?yàn)檐囕v模板3下邊緣為圓柱面，所以可在拋物線板2上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0038]所述的支撐木條4下部為丁字形，嵌入滑槽5內(nèi)，用于支撐車輛模板3。
[0039]當(dāng)用支撐木條4將車輛模板3支起來時(shí)，通過支撐木條4和車輛模板3底部與滑槽5的摩擦力，可保證將車輛模板3穩(wěn)定的站立在拋物線板2的斜面上。
[0040]1、驗(yàn)證公式(3)中h與r、ω三者關(guān)系
[0041]首先調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，使得轉(zhuǎn)盤I平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)光電門7的位置，使得擋光片8通過時(shí)，QS-R型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試儀能正確記錄轉(zhuǎn)動(dòng)周期，以計(jì)算轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)速。
[0042](I)按公式(3)計(jì)算出當(dāng)ω為確定值時(shí)，改變r(jià)值3次計(jì)算出對(duì)應(yīng)的h值，得到三組對(duì)應(yīng)的h、r值，并以此數(shù)值為坐標(biāo)，通過拋物線板2上的刻度尺確定車輛模板3在拋物線板2上的位置，用支撐木條4將車輛模板3支撐立在拋物線板2上，閉合電源開關(guān)，轉(zhuǎn)盤I開始轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0043](2)調(diào)節(jié)直流調(diào)速器，使轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)增大。
[0044]當(dāng)車輛模板3剛好向外傾斜并“飛”出去時(shí)，停止調(diào)節(jié)調(diào)速器的加速操作，保持轉(zhuǎn)盤I轉(zhuǎn)速不變。
[0045](3)用QS-R型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試儀測出此時(shí)轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)速并記錄，測量完畢后調(diào)節(jié)調(diào)速器，使轉(zhuǎn)盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0046](4)按步驟(I)的計(jì)算值，改變車輛模板3在拋物線板2上的位置，重復(fù)(2)、(3)的步驟，完成三組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的測量。
[0047]在三次測量中可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)速增大，車輛模板3剛好向外傾斜并“飛”出去時(shí)，其角速度ω值是相同的，且和公式(3)計(jì)算的理論值相同，可以證明公式(3)成立。
[0048]2、驗(yàn)證車輛轉(zhuǎn)彎半徑、通過速度、路面高度三者關(guān)系
[0049](I)用支撐木條4將車輛模板3支撐起來，并使車輛模板3向轉(zhuǎn)盤I的圓心方向傾斜，閉合開關(guān)使車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置以一定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，在離心力的作用下，車輛模板3上部向外張開，支撐木條4脫離支撐自動(dòng)到下，而車輛模板3卻能和拋物線板2保持相對(duì)靜止，即站立在拋物線板2的傾斜表面上，隨轉(zhuǎn)盤I 一起轉(zhuǎn)動(dòng)，猶如飛車走壁之狀。說明車輛在此固定的轉(zhuǎn)彎半徑及轉(zhuǎn)速下，當(dāng)路面有一定的傾斜角度時(shí)，車輛行駛是安全的。
[0050](2)改變轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)速，車輛模板3的平衡將遭到破壞。[0051 ] 本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，車輛模板3能相對(duì)轉(zhuǎn)盤I靜止站立；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于40轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，車輛模板3倒向轉(zhuǎn)盤I的圓心方向；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于80轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，車輛模板3倒向轉(zhuǎn)盤I的離心力方向。由此說明，如果把車輛模板3看作車輛的話，車輛通過這樣的路面時(shí)，轉(zhuǎn)速保持在40-80轉(zhuǎn)/分鐘，即行駛速度按V = r ω計(jì)算，設(shè)轉(zhuǎn)盤I的半徑為0.2米，則行駛速度為3-6千米/小時(shí)，車輛行駛是最安全的。也說明車輛經(jīng)過這樣的彎道時(shí)，安全行駛速度是一個(gè)速度區(qū)間，過高或過低都是不安全的。
[0052]本實(shí)施例推廣到路面設(shè)計(jì)中，如某路面轉(zhuǎn)彎半徑為10米。當(dāng)路面傾斜度為30度角時(shí)，按公式(3)、(4)、(5)計(jì)算，最平穩(wěn)的車輛行駛速度約為21千米/小時(shí)。實(shí)際車輛均為兩輪并行，重心位于兩輪之間，使得安全行駛速度增加，并考慮到其它具體情況，一般小型轎車經(jīng)過彎道時(shí)限速不超過30千米/小時(shí)。綜上所述，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎半徑、路面傾斜角度一定時(shí)，車輛通行有一個(gè)安全的速度區(qū)間，當(dāng)轉(zhuǎn)彎速度超過規(guī)定值，就會(huì)發(fā)生翻車事故。
[0053]本儀器結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，實(shí)驗(yàn)操作簡便，可視度大，直觀性強(qiáng)，生動(dòng)形象，能直觀地表現(xiàn)出車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)所產(chǎn)生的離心運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象和向心運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，用于物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芸陀^地使學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)和理解車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的平衡條件，又可以為車輛安全運(yùn)行的速度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
[0054]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括: 轉(zhuǎn)盤、拋物線板、車輛模板、支撐木條、滑槽、轉(zhuǎn)軸孔、光電門、擋光片、底座； 所述的拋物線板上表面為拋物面，拋物面頂部設(shè)有滑槽，車輛模板的底部圓柱形突起嵌入滑槽內(nèi)部，用支撐木條支撐車輛模板，可以將車輛模板立在拋物線板滑槽上的任意位置處； 所述的底座內(nèi)部安裝直立的電機(jī)，電機(jī)軸嵌入轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)軸孔內(nèi)，對(duì)整體裝置起支撐作用，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的支撐木條下部為丁字形，嵌入拋物線板上的滑槽內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的車輛模板下邊緣為圓柱面，兩邊突出圓柱形嵌入滑槽內(nèi)部后，可以在拋物線板上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛彎道平衡實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的拋物線板在水平和垂直方向均具有刻度尺，下表面固定在轉(zhuǎn)盤上，隨轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G09B23/10GK203931274SQ201420309543
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】張曉英, 陳箴言, 夏珺瑋, 傅佳佳, 沈雙雙, 陶濤 申請(qǐng)人:湖州師范學(xué)院