臺灣博碩士論文加值系統

本研究分為兩部份，第一部份為自行車煞車模擬系統開發; 第二部份為分析自行車煞車效率與不安全煞車變因之探討。在第一部份中軟體方面建立自行車動力模型，透過LabVIEW遷入C語言以4-order Runge-Kutta方法進行六條（未翹車）或八條（翹車）一階非線性OED之數值計算。硬體方面以Load Cell感測器、訊號轉換器與自行車煞車機構的整合進行訊號擷取與轉換。整合軟、硬體設計出一套自行車煞車模擬系統，藉由模擬器對自行車運動過程即時之運算達到人機互動的目的。第二部份由計算結果探討影響煞車距離與煞車時間之煞車效率變因（前、後輪煞車力、質心位置、摩擦係數大小…等等），由數值計算結果之輪胎與地面之正向力和車體翻轉角度討論自行車翹車甚至翻車之不安全煞車行為。
模擬系統透過人機即時互動搭配虛擬實境呈現，模擬自行車真實煞車情境，藉由此模擬器亦可模擬特技演出時所表現之Stoppie現象。

This research contains two parts; one is the development of a simulator of brake system to simulate the dynamic responses of a bicycle according to user’s braking behavior, and the other is the analysis of the baking efficiency and the safety of the bicycle. For the simulator, a mathematical model is built in the software, which is calculated by 4-th Runge-Kutta method, to simulate the motion and reaction forces of bicycle. The software is based on the platform of Labview as an interface to integrate with the hardware, where C-langrage is embedded for the numerical simulation. The hardware consists of two load cells, data acquisition system, and a brake system. Through the virtual-reality vision of the simulator, the real-time interaction of the user with the system can be implemented. Furthermore, the influences of the parameters (including the brake forces of the front and rear wheels, the height of the center of mass, the friction coefficients of the brake system..) on the braking efficiency (the braking distance and time) and the safety are analyzed. If the braking forces are large, a large deceleration will be induced to decrease the braking distance and time, but also to reduce the normal force of the rear wheel, even to lift the rear wheel. When the deceleration is too large, a flipping over could take place to cause the unsafety of the rider. Therefore, it is tradeoff to increase the braking forces of the front and rear wheels for raising both the braking efficiency and the unsafety.
Using the simulator, we can simulate and analyze the dynamic responses of a real braking process of a moving bicycle with a rider. Different strategies of the front and rear braking are compared, according to their braking efficiencies and safeties. Moreover, a skill of “stoppie” can be performed by this simulator by controlling the front and rear braking processes properly.

指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 ……………………………………………………………… iii
誌謝 ………………………………………………………………… iv
中文摘要 ……………………………………………………………… v
英文摘要 …………………………………………………………… vi
符號說明 …………………………………………………………… vii
目錄 ………………………………………………………………… ix
圖目錄 ……………………………………………………………… xii
表目錄 ……………………………………………………………… xvii
第一章 簡介 ………………………………………………………… 1
1-1 研究動機 ……………………………………………… 2
1-2 研究目標 ……………………………………………… 4
1-3 研究背景與相關研究 ………………………………… 5
1-3.1 DynaTester 測試機 …………………………… 5
1-3.2 有限元素分析煞車系統 ……………………… 6
1-3.3 電車之純電力煞車系統 ……………………… 8
1-4 研究目的與流程 ……………………………………… 8
1-5 論文架構 ……………………………………………… 11
第二章 煞車基本原理 ……………………………………………… 13
2-1 摩擦力基本原理與概念 ……………………………… 13
第三章 運動方程式 ………………………………………………… 16
3-1 分析模型與假設………………………………………… 16
3-2 自行車未翻車狀態運動方程式 ……………………… 19
3-3 自行車翻車狀態運動方程式 ………………………… 22
第四章 系統建置 …………………………………………………… 26
4-1 數值計算 ……………………………………………… 26
4-1.1 Runge-Kutta method ……………………… 26
4-1.2 數值分析流程 …………………………………… 27
4-2 量測硬體 ……………………………………………… 30
第五章 主要與次要變因分析 ……………………………………… 34
5-1 初速大小對前、後輪正向力的影響 ……………… 37
5-2 前、後輪煞車力對煞車效率的影響 ………………… 39
5-3 質心位置對煞車效率之影響 ………………………… 47
5-4 煞車與加速對正向力之影響 ………………………… 54
5-5 煞車力改變探討前、後輪正向力 …………………… 58
5-6 胎面與地面摩擦係數大小對煞車效率之影響 ……… 59
5-7 煞車片與輪圈摩擦係數大小對煞車效率之影響 …… 62
第六章 研究成果 …………………………………………………… 67
6-1 實驗設計………………………………………………… 67
6-2 常見煞車情境分析 …………………………………… 68
6-3 Stoppie 現象…………………………………………… 82
第七章 結論與未來展望 …………………………………………… 89
7-1 結論 …………………………………………………… 89
7-2 未來發展與研究方向 ………………………………… 92
參考文獻 …………………………………………………………… 94
附錄 ………………………………………………………………… 96
 
圖 目 錄
圖1.1（a） DynaTester 測試機實體 ……………………………… 5
圖1.1（b） DynamicTester 部份結構圖 …………………………… 6
圖1.2（a） 煞車鼓應力分佈圖 …………………………………… 7
圖1.2（b） 煞車蹄應力分佈圖 …………………………………… 7
圖1.3（a） 碟盤煞車靜止應力分佈圖 …………………………… 7
圖1.3（b） 碟盤煞車旋轉應力分佈圖 …………………………… 7
圖1.4 研究流程圖 ………………………………………………… 10
圖1.5 模擬系統分析流程圖 ……………………………………… 10
圖2.1 庫侖摩擦力分佈圖 ………………………………………… 15
圖2.2 靜摩擦與動摩擦實例圖 …………………………………… 15
圖3.1（a） 未翹車分析模型 ……………………………………… 18
圖3.1（b） 翹車分析模型 ………………………………………… 18
圖 3.2 未翹車狀態前、後輪個別自由體圖 ………………………… 20
圖 3.3 未翹車狀態車體分解自由體圖 …………………………… 21
圖 3.4 自行車模型翹車狀態分解圖 ……………………………… 22
圖 3.5 自行車模型翹車狀態角運動分解圖 ……………………… 23
圖 3.6 自行車模型翹車狀態前、後輪分解圖 …………………… 24
圖4.1 數值程式分析流程圖 ……………………………………… 29
圖4.2 自行車煞車手把 …………………………………………… 31
圖4.3 模擬系統煞車夾具 ………………………………………… 31
圖4.4 模擬系統前、後輪煞車夾具 ……………………………… 32
圖4.5 訊號擷取系統 ……………………………………………… 32
圖4.6 模擬系統訊號彙整器 ……………………………………… 32
圖4.7 自行車煞車模擬系統 ……………………………………… 32
圖4.8 自行車煞車模擬系統詳細流程圖 ………………………… 33
圖5.1（a）自行車車體未翹車分析模型 ………………………… 36
圖5.1（b）自行車車體翹車分析模型 …………………………… 36
圖 5.2 時間對前、後輪與地面正向力作圖 ……………………… 38
圖 5.3（a）前輪煞車力與後輪煞車力作圖 ……………………… 41
圖 5.3（b）有效煞車力對煞車時間作圖 ………………………… 41
圖 5.3（c）有效煞車力對煞車距離作圖 ………………………… 41
圖 5.4（a）解析解等效煞車力對煞車時間作圖 ………………… 43
圖 5.4（b）解析解等效煞車力對煞車距離作圖 ………………… 43
圖 5.5（a）有效煞車力前輪煞車力對後輪煞車力作圖 ………… 44
圖 5.5（b）有效煞車力前輪煞車力對煞車時間作圖 …………… 44
圖 5.5（c）有效煞車力前輪煞車力對煞車距離作圖 …………… 44
圖 5.6（a）質心偏移角度對前、後輪個別煞車力煞車時間作圖 … 48
圖 5.6（b）質心偏移角度對前、後輪個別煞車力煞車距離作圖 … 48
圖 5.7（a）質心偏移角度對前、後輪同時煞車煞車時間作圖 …… 51
圖 5.7（b）質心偏移角度對前、後輪同時煞車煞車距離作圖 …… 51
圖 5.8（a）質心高度改變對前、後輪同時煞車煞車時間作圖 …… 54
圖 5.8（b）質心高度改變對前、後輪同時煞車煞車距離作圖 …… 54
圖 5.9（a）車體加速減速時間對後輪角加速度作圖 …………… 56
圖 5.9（b）車體加速減速時間對煞車力作圖 …………………… 56
圖 5.9（c）車體加速減速時間對速度作圖 ……………………… 56
圖 5.9（d）車體加速減速對前、後輪角速度作圖 ……………… 56
圖 5.9（e）車體加速減速時間對車體角位移作圖 ……………… 56
圖 5.9（f）車體加速減速時間對前、後輪正向力作圖 ………… 56
圖 5.9（g）車踢加速減速時間對車體位移作圖 ………………… 57
圖 5.10 前、後輪煞車力變化時間對前、後輪正向力作圖 ……… 59
圖 5.11（a）胎面與地面摩擦係數變化對煞車時間作圖 ………… 61
圖 5.11（b）胎面與地面摩擦係數變化對煞車距離作圖 ………… 61
圖 5.12（a）煞車片與輪圈摩擦係數變化對煞車時間作圖 ……… 64
圖 5.12（b）煞車片與輪圈摩擦係數變化對煞車時間作圖 ……… 64
圖 6.1（a）一般公路煞車時間對煞車力作圖 ……………………… 70
圖 6.1（b）一般公路煞車時間對線速度作圖 ……………………… 70
圖 6.1（c）一般公路煞車時間對前後輪角速度作圖 ……………… 70
圖 6.1（d）一般公路煞車時間對時間對前後輪與地面正向力作圖 70
圖 6.1（e）一般公路煞車時間對車體角位移作圖 ………………… 71
圖 6.1（f）一般公路煞車時間對車體位移作圖 …………………… 71
圖 6.2（a）雨天煞車時間對煞車力作圖 …………………………… 74
圖 6.2（b）雨天煞車時間對速度作圖 ……………………………… 74
圖 6.2（c）雨天煞車時間對前後輪角速度作圖 …………………… 74
圖 6.2（d）雨天煞車時間對前後輪正向力作圖 …………………… 74
圖 6.2（e）雨天煞車時間對車體角位移作圖 ……………………… 74
圖 6.2（f）雨天煞車時間對車體位移作圖 ………………………… 74
圖 6.3（a）泥濘公路煞車時間對前後輪煞車力作圖 ……………… 77
圖 6.3（b）泥濘公路煞車時間對速度作圖 ………………………… 77
圖 6.3（c）泥濘公路煞車時間對前後輪角速度作圖 ……………… 77
圖 6.3（d）泥濘公路煞車時間對正向力作圖 ……………………… 77
圖 6.3（e）泥濘公路煞車時間對車體角位移作圖 ………………… 77
圖 6.3（f）泥濘公路煞車時間對車體位移作圖 …………………… 77
圖 6.4 泥濘公路煞車階段分佈圖 ………………………………… 79
圖 6.5（a）泥濘公路第一階段煞車時間對前後輪角速度作圖 …… 80
圖 6.5（b）泥濘公路第一階段煞車時間對正向力作圖 …………… 80
圖 6.6 Stoppie現象特技演出 ……………………………………… 82
圖 6.7（a）Stoppie現象時間對前後輪煞車力作圖 ……………… 84
圖 6.7（b） Stoppie現象時間對速度作圖 ……………………… 84
圖 6.7（c） Stoppie現象時間對前後輪角速度作圖 …………… 84
圖 6.7（d） Stoppie現象時間對前後輪正向力作圖 …………… 84
圖 6.7（e） Stoppie現象時間對車體角位移作圖 ……………… 84
圖 6.7（f） Stoppie現象時間對車體角速度作圖 ……………… 84
圖 6.7（g） Stoppie現象時間對位移作圖 ……………………… 85
圖 6.8 Stoppie現象最大角度分佈圖 ……………………………… 87
圖 6.9 Stoppie現象車體角位移示意圖 …………………………… 87
圖 6.10 Stoppie現象前後輪正向力放大分佈圖 ………………… 88
 
表 目 錄
表5.1（a） 原始模型相關變數表 ………………………………… 35
表5.1（b） 原始模型初始條件表 ………………………………… 36
表5.2 自行車加速減速相關變數表 ……………………………… 37
表5.3 自行車前、後輪煞車力持續增加相關變數表 …………… 39
表5.4 前後輪個別煞車相關變數表 ……………………………… 46
表5.5 前、後輪個別煞車分析結果表 …………………………… 46
表5.6 前、後輪個別煞車質心偏移分析結果表 ………………… 48
表5.7 自行車質心偏移分相關變數表 …………………………… 50
表5.8 自行車質心偏移分析結果表 ……………………………… 51
表5.9 自行車質心高度改變相關變數表 ………………………… 53
表5.10 自行車加速減速相關變數表 ……………………………… 55
表5.11 輪胎面與地面摩擦係數改變相關變數表 ………………… 60
表5.12輪胎面與地面摩擦係數改變分析結果表 ………………… 61
表5.13 煞車片與輪圈摩擦係數改變相關變數表 ………………… 63
表5.14 煞車片與輪圈摩擦係數改變分析結果表 ………………… 64
表6.1 自行車一般公路情境分析相關變數表 …………………… 69
表6.2 自行車天雨路滑情境分析相關變數表 …………………… 73
表6.3 自行車突然行使泥濘公路情境相關變數表 ……………… 76
表6.4 Stoppie現象相關變數表 …………………………………… 83

〔1〕http://big5.china.com.cn/news/txt/2007-10/12/content_9039067.htm
〔2〕Yan-Jie Mao, Yu-Wei Laio and Ching-Huan Tseng, “Dynatester: The Dynamic Brake Test Rig for Bicycles”, 22nd International Conference on Modelling Identification and Control, pp. 385-390, Innsbruck, Austria, Feb 10-13, 2003.
〔3〕C. Hohmann, K.Schiffner, K. Oerter and H. Reese, “Contact Analysis for Drum Brakes and Disk Brakes using ADINA”, Computers and Structures, Vol. 72, No. 1-3, pp. 185-198, Jul-Aug 1999.
〔4〕Masahiro Ashiya, Satoru Sone, Yasuharu Sato and Atsushi Kaga, “Application of Pure Electric Braking System to Electric Railcars”, 6th International Workshop on Advanced Motion Control, pp. 163-168, Nagoya, Japan, March 30-April 1, 2000.
〔5〕http://www.chrysler-jeep.com.tw/mandarin/town-country/perform/feature3.html
〔6〕http://en.wikipedia.org/wiki/Stoppie
〔7〕Dean Karnopp, “Computer Simulation of Stick-Slip Friction in Mechanical Dynamic Systems”, ASME J. of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 107, No.1, pp. 100-103, March 1985.
〔8〕Nguyen B. Do, Aldo A. Ferri and Olivier Bauchau, “Efficient Simulation of a Dynamic System with LuGre Friction”, Proceedings of the 2005 ASME international Design Engineering Technical Conferences, pp. 1439-1448, Long Beach, United States, September 24-28, 2005.
〔9〕R. I. Leine, D. H. Van Campen, A. D Kraker and L. Van Den Steen, “Stick-Slip Vibrations Induced by Alternate Friction Models”, Nonlinear Dynamics, Vol. 16, pp. 41-54, May 1998.
〔10〕J. Fajans, “Steering in Bicycles and Motorcycles”, American Journal of Physics, Vol. 68, Issue 7, pp. 654-659, July 2000.
〔11〕http://www.roymech.co.uk/Useful_Tables/Tribology/co_of_frict.htm
〔12〕http://140.122.71.231/Course/Elementary/Motor/Motor.htm
〔13〕http://221.169.128.11/phpwind/read.php?tid=12350