車輛彎道平衡實驗裝置制造方法
【專利摘要】本本實用新型公開了一種車輛彎道平衡實驗裝置，包括：轉盤、拋物線板、車輛模板、支撐木條、滑槽、轉軸孔、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，電機軸嵌入轉盤的轉軸孔內(nèi)，對整體裝置起支撐作用；當電機帶動轉盤轉動，轉速達到一定值時，支撐木條自動到下，而車輛模板卻能和拋物線板保持相對靜止，從而驗證車輛轉彎半徑、路面傾斜角度及車輛速度三者關系，既可以作為物理教學中重要的實驗裝置，又可以為工程設計、車輛安全運行等提供依據(jù)。
【專利說明】車輛彎道平衡實驗裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種物理實驗裝置，尤其涉及一種用于車輛彎道平衡現(xiàn)象的實驗
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術】
[0002]火車、汽車等交通工具轉彎時，由于慣性的存在，車輛保持著向前的力，要想讓其轉向，必須提供一個“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計成外高內(nèi)低，有一定的傾斜度，用來抵消轉彎時的“離心力”。這樣只要解決了車輛轉彎線路半徑，通過速度，路面高度這三者的相互關系，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。設車的轉彎半徑為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]可以得到車輛轉彎線路半徑、通過速度、路面高度三者的關系為
, 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為車輛轉彎的角速度。
[0008]車輛通過彎道時的速度V與轉彎半徑及路面的傾斜角度之間的關系為
[0009]h = rtg Θ(4)
[0010]V = r ω(5)
[0011]可見當車輛以一定的角速度ω轉彎時，h正比于轉彎半徑r的平方，即路面或軌道之橫斷面應該呈拋物線形。當車輛轉彎半徑、路面傾斜角度一定，車輛以rco的速度運行，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。通過分析計算及實驗驗證，既可以作為物理教學中重要的實驗裝置，又可以為工程設計、車輛運行的安全速度設計等提供依據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本實用新型的目的是提供一種車輛彎道平衡實驗裝置，以便于演示車輛的向心力與運動的平衡關系。
[0013]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0014]車輛彎道平衡實驗裝置，包括:轉盤1、拋物線板2、車輛模板3、支撐木條4、滑槽
5、轉軸孔6、光電門7、擋光片8、底座9 ；
[0015]所述的拋物線板2，上表面為按著轉盤I的半徑以及旋轉的角速度與路面高度的關系計算出來的拋物面，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下表面固定在轉盤I上，隨轉盤I 一起轉動。
[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上自由轉動。
[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驗裝置使用時，還需另備直流電機一臺，其參數(shù)為:
[0019]電壓:直流48V?300V，轉速800?5000轉/分鐘，重量2200克，功率200W。
[0020]電機長為146mm,直徑為77mm,電機的軸徑8mm,伸出軸長為14mm。
[0021]直流調(diào)速器一臺，其參數(shù)為:
[0022]型號TDGC-0.5，功率500W，調(diào)速范圍從零開始，直至儀器最大轉速。
[0023]QS-R型轉動慣量測試儀一臺，和光電門7配套，以測量轉盤I的轉速。
[0024]QS-R型轉動慣量測試儀工作過程是，首先在QS-R型轉動慣量測試儀面板上設定重復次數(shù)，即轉盤I轉動的周期數(shù)，按“執(zhí)行”鍵后，當轉盤I上的擋光片8第一次通過光電門7時開始計時，同時狀態(tài)指示的“計時”燈點亮。隨著轉盤I的轉動，儀器開始連續(xù)計時，直到周期數(shù)等于設定值時，停止計時，計時指示燈隨之熄滅，此時儀器顯示所設定轉盤I轉動的周期數(shù)所用的總時間，進而可求出轉盤I的轉速。
[0025]所述的底座9內(nèi)部安裝直立的電機，電機軸嵌入轉盤I的轉軸孔6內(nèi)，對整體裝置起支撐作用，并帶動轉盤I轉動。
[0026]由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，本實用新型提供的車輛彎道平衡實驗裝置，通過分析計算及實驗，可以驗證車輛轉彎半徑、路面傾斜角度及車輛運行速度三者關系，既可以作為物理教學中重要的實驗裝置，又可以為工程設計、車輛安全運行等提供依據(jù)。實驗過程精彩，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用新型實施例的技術方案，下面將對實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用新型的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0028]圖1為本實用新型實施例提供的車輛彎道平衡實驗裝置原理示意圖。
[0029]圖2為本實用新型實施例提供的車輛彎道平衡實驗裝置的結構示意圖。
[0030]圖3為本實用新型實施例提供的車輛彎道平衡實驗裝置中滑槽4的截面放大圖。
[0031]圖4為本實用新型實施例提供的車輛彎道平衡實驗裝置中車輛模板3的結構放大圖。

【具體實施方式】
[0032]下面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦偷膶嵤├绢I域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型的保護范圍。
[0033]下面將結合附圖對本實用新型實施例作進一步地詳細描述。
[0034]車輛彎道平衡實驗裝置，包括:轉盤1、拋物線板2、車輛模板3、支撐木條4、滑槽
5、轉軸孔6、光電門7、擋光片8、底座9 ；
[0035]所述的拋物線板2，上表面為當轉盤I旋轉的角速度ω —定時，由公式(3)計算出來的拋物面，本實施例中，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所處位置的坐標值，拋物面頂部設有深度約為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固定在轉盤I上，隨轉盤I 一起轉動。
[0036]在本實施例中，轉盤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)，因為車輛模板3下邊緣為圓柱面，所以可在拋物線板2上自由轉動。
[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]當用支撐木條4將車輛模板3支起來時，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、驗證公式(3)中h與r、ω三者關系
[0041]首先調(diào)節(jié)實驗裝置，使得轉盤I平穩(wěn)轉動，調(diào)節(jié)光電門7的位置，使得擋光片8通過時，QS-R型轉動慣量測試儀能正確記錄轉動周期，以計算轉盤I的轉速。
[0042](I)按公式(3)計算出當ω為確定值時，改變r值3次計算出對應的h值，得到三組對應的h、r值，并以此數(shù)值為坐標，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，轉盤I開始轉動。
[0043](2)調(diào)節(jié)直流調(diào)速器，使轉盤I的轉速平穩(wěn)增大。
[0044]當車輛模板3剛好向外傾斜并“飛”出去時，停止調(diào)節(jié)調(diào)速器的加速操作，保持轉盤I轉速不變。
[0045](3)用QS-R型轉動慣量測試儀測出此時轉盤I的轉速并記錄，測量完畢后調(diào)節(jié)調(diào)速器，使轉盤停止轉動。
[0046](4)按步驟(I)的計算值，改變車輛模板3在拋物線板2上的位置，重復(2)、(3)的步驟，完成三組對應數(shù)據(jù)的測量。
[0047]在三次測量中可以看到，當轉盤I的轉速增大，車輛模板3剛好向外傾斜并“飛”出去時，其角速度ω值是相同的，且和公式(3)計算的理論值相同，可以證明公式(3)成立。
[0048]2、驗證車輛轉彎半徑、通過速度、路面高度三者關系
[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向轉盤I的圓心方向傾斜，閉合開關使車輛彎道平衡實驗裝置以一定的角速度轉動。當轉速達到一定值時，在離心力的作用下，車輛模板3上部向外張開，支撐木條4脫離支撐自動到下，而車輛模板3卻能和拋物線板2保持相對靜止，即站立在拋物線板2的傾斜表面上，隨轉盤I 一起轉動，猶如飛車走壁之狀。說明車輛在此固定的轉彎半徑及轉速下，當路面有一定的傾斜角度時，車輛行駛是安全的。
[0050](2)改變轉盤I的轉速，車輛模板3的平衡將遭到破壞。[0051 ] 本實施例中，轉盤I的轉速為50轉/分鐘時，車輛模板3能相對轉盤I靜止站立；當轉速低于40轉/分鐘時，車輛模板3倒向轉盤I的圓心方向；當轉速高于80轉/分鐘時，車輛模板3倒向轉盤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，轉速保持在40-80轉/分鐘，即行駛速度按V = r ω計算，設轉盤I的半徑為0.2米，則行駛速度為3-6千米/小時，車輛行駛是最安全的。也說明車輛經(jīng)過這樣的彎道時，安全行駛速度是一個速度區(qū)間，過高或過低都是不安全的。
[0052]本實施例推廣到路面設計中，如某路面轉彎半徑為10米。當路面傾斜度為30度角時，按公式(3)、(4)、(5)計算，最平穩(wěn)的車輛行駛速度約為21千米/小時。實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)過彎道時限速不超過30千米/小時。綜上所述，當車輛轉彎半徑、路面傾斜角度一定時，車輛通行有一個安全的速度區(qū)間，當轉彎速度超過規(guī)定值，就會發(fā)生翻車事故。
[0053]本儀器結構簡單，容易制造，實驗操作簡便，可視度大，直觀性強，生動形象，能直觀地表現(xiàn)出車輛轉彎時所產(chǎn)生的離心運動現(xiàn)象和向心運動現(xiàn)象，用于物理實驗能客觀地使學生深刻地認識和理解車輛轉彎時的平衡條件，又可以為車輛安全運行的速度設計提供依據(jù)。
[0054]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.車輛彎道平衡實驗裝置，其特征在于，包括: 轉盤、拋物線板、車輛模板、支撐木條、滑槽、轉軸孔、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，電機軸嵌入轉盤的轉軸孔內(nèi)，對整體裝置起支撐作用，并帶動轉盤轉動。
2.根據(jù)權利要求1所述的車輛彎道平衡實驗裝置，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)權利要求1所述的車輛彎道平衡實驗裝置，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動。
4.根據(jù)權利要求1所述的車輛彎道平衡實驗裝置，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，下表面固定在轉盤上，隨轉盤一起轉動。
【文檔編號】G09B23/10GK203931274SQ201420309543
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權日: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 申請人:湖州師范學院