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1、(10)申请公布号 CN 103996328 A (43)申请公布日 2014.08.20 CN 103996328 A (21)申请号 201410255125.9 (22)申请日 2014.06.03 G09B 23/10(2006.01) (71)申请人 湖州师范学院 地址 313000 浙江省湖州市吴兴区学士路 1 号 (72)发明人 张晓英 陈箴言 夏珺玮 傅佳佳 沈双双 陶涛 (54) 发明名称 车辆弯道平衡实验装置及实验方法 (57) 摘要 本发明公开了一种车辆弯道平衡实验装置及 实验方法， 包括 ： 转盘、 抛物线板、 车辆模板、 支撑 木条、 滑槽、 转轴孔、 光电门、 挡光。
2、片、 底座 ； 抛物 线板上表面为抛物面， 在水平和垂直方向均具有 刻度尺， 抛物面顶部设有滑槽， 车辆模板的底部圆 柱形突起嵌入滑槽内部， 支撑木条用于支撑车辆 模板 ； 底座内部安装直立的电机， 电机轴嵌入转 盘的转轴孔内， 对整体装置起支撑作用 ； 当电机 带动转盘转动， 转速达到一定值时， 支撑木条自动 到下， 而车辆模板却能和抛物线板保持相对静止， 从而验证车辆转弯半径、 路面倾斜角度及车辆速 度三者关系， 既可以作为物理教学中重要的实验 装置， 又可以为工程设计、 车辆安全运行等提供依 据。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民。
3、共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103996328 A CN 103996328 A 1/1 页 2 1. 车辆弯道平衡实验装置及实验方法， 其特征在于， 包括 ： 转盘、 抛物线板、 车辆模板、 支撑木条、 滑槽、 转轴孔、 光电门、 挡光片、 底座 ； 所述的抛物线板上表面为按着转盘半径以及旋转的角速度与路面高度的关系计算出 来的抛物面， 抛物面顶部设有滑槽， 车辆模板的底部圆柱形突起嵌入滑槽内部， 用支撑木条 支撑车辆模板， 可以将车辆模板立在抛物线板滑槽上的任意位置处 ； 所述的底座内部安装直立的电机， 电机轴。
4、嵌入转盘的转轴孔内， 对整体装置起支撑作 用， 并带动转盘转动。 2. 根据权利要求 1 所述的车辆弯道平衡实验装置及实验方法， 其特征在于， 所述的支 撑木条下部为丁字形， 嵌入抛物线板上的滑槽内。 3. 根据权利要求 1 所述的车辆弯道平衡实验装置及实验方法， 其特征在于， 所述的车 辆模板下边缘为圆柱面， 两边突出圆柱形嵌入滑槽内部后， 可以在抛物线板上自由转动。 4. 根据权利要求 1 所述的车辆弯道平衡实验装置及实验方法， 其特征在于， 所述的抛 物线板在水平和垂直方向均具有刻度尺， 下表面固定在转盘上， 随转盘一起转动。 5. 根据权利要求 1、 2、 3、 4 所述的车辆弯道平衡。
5、实验装置及实验方法， 其特征在于， 包 括 ： 采用上述的演示装置 ； 首先将支撑木条放在抛物线板的滑槽内， 用支撑木条将车辆模板支撑起来， 使车辆模 板立在抛物线板的斜面上并向转盘的圆心方向倾斜， 接通电源后， 电机带动转盘转动， 车辆 模板以一定的角速度旋转， 转速达到一定值时， 车辆模板上部在离心力作用下向外张开， 支 撑木条脱离支撑自动到下， 而车辆模板却能和抛物线板保持相对静止， 即站立在抛物线板 的倾斜表面上， 随转盘一起转动， 犹如飞车走壁之状， 说明车辆在此固定的转弯半径及转速 下， 当路面有一定的倾斜角度时， 车辆转弯时产生的离心力被由于路面倾斜产生的向心力 抵消了， 车辆行。
6、驶是安全的， 从而验证了车辆转弯半径、 路面倾斜角度及车辆速度三者关 系。 权 利 要 求 书 CN 103996328 A 2 1/4 页 3 车辆弯道平衡实验装置及实验方法 技术领域 0001 本发明涉及一种物理实验装置， 尤其涉及一种用于车辆弯道平衡现象的实验装置 及实验方法。 背景技术 0002 火车、 汽车等交通工具转弯时， 由于惯性的存在， 车辆保持着向前的力， 要想让其 转向， 必须提供一个 “向心力” ， 否则将越出轨道之外出现翻车事故。 将拐弯处的轨道或路面 设计成外高内低， 有一定的倾斜度， 用来抵消转弯时的 “离心力” 。 这样只要解决了车辆转弯 线路半径， 通过速度， 。
7、路面高度这三者的相互关系， 就能保证车辆安全通过弯道。如图 1 所 示， 车身所需的向心力由路面支持力 N 和车身重力 G 的合力 F 来提供。设车的转弯半径为 r， 该处路面高为 h， 弯道处路面的倾斜角度为 ， 则有 ： 0003 0004 即 0005 可以得到车辆转弯线路半径、 通过速度、 路面高度三者的关系为 0006 0007 式中 m 为车辆质量， g 为重力加速度， 为车辆转弯的角速度。 0008 车辆通过弯道时的速度 V 与转弯半径及路面的倾斜角度之间的关系为 0009 h rtg (4) 0010 V r (5) 0011 可见当车辆以一定的角速度转弯时， h正比于转弯半径。
8、r的平方， 即路面或轨道 之横断面应该呈抛物线形。当车辆转弯半径、 路面倾斜角度一定， 车辆以 r 的速度运行， 车辆是平衡的。本发明的车辆弯道平衡演示装置及方法就是演示这一规律的。通过分析计 算及实验验证， 既可以作为物理教学中重要的实验装置， 又可以为工程设计、 车辆运行的安 全速度设计等提供依据。 发明内容 0012 本发明的目的是提供一种车辆弯道平衡实验装置及实验方法， 以便于演示车辆的 向心力与运动的平衡关系。 0013 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 ： 0014 车辆弯道平衡实验装置， 包括 ： 转盘 1、 抛物线板 2、 车辆模板 3、 支撑木条 4、 滑槽 5、 转轴孔。
9、 6、 光电门 7、 挡光片 8、 底座 9 ； 0015 所述的抛物线板 2， 上表面为按着转盘 1 的半径以及旋转的角速度与路面高度的 说 明 书 CN 103996328 A 3 2/4 页 4 关系计算出来的抛物面， 在水平和垂直方向均具有刻度尺， 抛物面顶部设有滑槽 5， 车辆模 板 3 的底部圆柱形突起嵌入滑槽 5 内部， 抛物线板 2 下表面固定在转盘 1 上， 随转盘 1 一起 转动。 0016 所述的车辆模板 3， 下边缘为圆柱面， 两边突出圆柱形嵌入滑槽 5 内部后， 可以在 抛物线板 2 上自由转动。 0017 所述的支撑木条 4 下部为丁字形， 嵌入抛物线板 2 上的滑。
10、槽 5 内， 用于支撑车辆模 板 3， 可以将车辆模板 3 立在滑槽上的任意位置处。 0018 所述的车辆弯道平衡实验装置使用时， 还需另备 0019 直流电机一台， 其参数为 ： 0020 电压 ： 直流 48V 300V， 转速 800 5000 转 / 分钟， 重量 2200 克， 功率 200W。 0021 电机长为 146mm， 直径为 77mm， 电机的轴径 8mm， 伸出轴长为 14mm。 0022 直流调速器一台， 其参数为 ： 0023 型号 TDGC-0.5， 功率 500W， 调速范围从零开始， 直至仪器最大转速。 0024 QS-R 型转动惯量测试仪一台， 和光电门 7。
11、 配套， 以测量转盘 1 的转速。 0025 QS-R 型转动惯量测试仪工作过程是， 首先在 QS-R 型转动惯量测试仪面板上设定 重复次数， 即转盘 1 转动的周期数， 按 “执行” 键后， 当转盘 1 上的挡光片 8 第一次通过光电 门 7 时开始计时， 同时状态指示的 “计时” 灯点亮。随着转盘 1 的转动， 仪器开始连续计时， 直到周期数等于设定值时， 停止计时， 计时指示灯随之熄灭， 此时仪器显示所设定转盘 1 转 动的周期数所用的总时间， 进而可求出转盘 1 的转速。 0026 所述的底座 9 内部安装直立的电机， 电机轴嵌入转盘 1 的转轴孔 6 内， 对整体装置 起支撑作用， 。
12、并带动转盘 1 转动。 0027 本发明实施例还提供了车辆弯道平衡实验装置的实验方法， 包括 ： 0028 采用上述的实验装置 ； 0029 采用图 2 所示车辆弯道平衡实验装置， 首先将支撑木条 4 放在抛物线板 2 的滑槽 5 内， 将车辆模板 3 支撑起来， 使车辆模板 3 立在抛物线板 2 的斜面上并向转盘 1 的圆心方 向倾斜。接通电源后， 电机带动转盘 1 转动， 车辆弯道平衡实验装置以一定的角速度转动， 当转速达到一定值时， 车辆模板3上部在离心力作用下向外张开， 支撑木条4脱离支撑自动 到下， 而车辆模板 3 却能和抛物线板 4 保持相对静止， 即站立在抛物线板 4 的倾斜表面。
13、上， 随转盘 1 一起转动， 犹如飞车走壁之状， 说明车辆在此固定的转弯半径及转速下， 当路面有 一定的倾斜角度时， 车辆转弯时产生的离心力被由于路面倾斜产生的向心力抵消了， 车辆 行驶是安全的， 从而验证了车辆转弯半径、 路面倾斜角度及车辆速度三者关系。 0030 由上述本发明提供的技术方案可以看出， 本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验 装置， 通过分析计算及实验， 可以验证车辆转弯半径、 路面倾斜角度及车辆运行速度三者关 系， 既可以作为物理教学中重要的实验装置， 又可以为工程设计、 车辆安全运行等提供依 据。实验过程精彩， 操作方便快捷， 成功率高。 附图说明 0031 为了更清楚地说明。
14、本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本 说 明 书 CN 103996328 A 4 3/4 页 5 领域的普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他 附图。 0032 图 1 为本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置原理示意图。 0033 图 2 为本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置的结构示意图。 0034 图 3 为本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置中滑槽 4 的截面放大图。 0035 图 4 为本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置中车辆模板。
15、 3 的结构放大图。 具体实施方式 0036 下面结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整 地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例， 都属于本发明的保护范围。 0037 下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。 0038 车辆弯道平衡实验装置， 包括 ： 转盘 1、 抛物线板 2、 车辆模板 3、 支撑木条 4、 滑槽 5、 转轴孔 6、 光电门 7、 挡光片 8、 底座 9 ； 0039 所述的抛物线板2， 上表面为当转。
16、盘1旋转的角速度一定时， 由公式(3)计算出 来的抛物面， 本实施例中， 取为6S-1。 在抛物线板2的水平和垂直方向均具有刻度尺， 用 以确定车辆模板 3 所处位置的坐标值， 抛物面顶部设有深度约为 5 毫米的滑槽 5， 车辆模板 3 的底部圆柱形突起嵌入滑槽 5 内部， 抛物线板 2 固定在转盘 1 上， 随转盘 1 一起转动。 0040 在本实施例中， 转盘 1 的半径为 20 厘米。 0041 所述的车辆模板 3 高 12 厘米、 宽 6 厘米、 厚 0.5 厘米， 下边缘带有圆柱形突起， 嵌 入滑槽 4 内， 因为车辆模板 3 下边缘为圆柱面， 所以可在抛物线板 2 上自由转动。 0。
17、042 所述的支撑木条 4 下部为丁字形， 嵌入滑槽 5 内， 用于支撑车辆模板 3。 0043 当用支撑木条 4 将车辆模板 3 支起来时， 通过支撑木条 4 和车辆模板 3 底部与滑 槽 5 的摩擦力， 可保证将车辆模板 3 稳定的站立在抛物线板 2 的斜面上。 0044 本实验装置可以可以进行以下两个方面的实验。 0045 1、 验证公式 (3) 中 h 与 r、 三者关系 0046 首先调节实验装置， 使得转盘 1 平稳转动， 调节光电门 7 的位置， 使得挡光片 8 通 过时， QS-R 型转动惯量测试仪能正确记录转动周期， 以计算转盘 1 的转速。 0047 (1) 按公式 (3)。
18、 计算出当 为确定值时， 改变 r 值 3 次计算出对应的 h 值， 得到 三组对应的 h、 r 值， 并以此数值为坐标， 通过抛物线板 2 上的刻度尺确定车辆模板 3 在抛物 线板 2 上的位置， 用支撑木条 4 将车辆模板 3 支撑立在抛物线板 2 上， 闭合电源开关， 转盘 1 开始转动。 0048 (2) 调节直流调速器， 使转盘 1 的转速平稳增大。 0049 当车辆模板 3 刚好向外倾斜并 “飞” 出去时， 停止调节调速器的加速操作， 保持转 盘 1 转速不变。 0050 (3) 用 QS-R 型转动惯量测试仪测出此时转盘 1 的转速并记录， 测量完毕后调节调 速器， 使转盘停止转。
19、动。 0051 (4) 按步骤 (1) 的计算值， 改变车辆模板 3 在抛物线板 2 上的位置， 重复 (2)、 (3) 说 明 书 CN 103996328 A 5 4/4 页 6 的步骤， 完成三组对应数据的测量。 0052 在三次测量中可以看到， 当转盘 1 的转速增大， 车辆模板 3 刚好向外倾斜并 “飞， ， 出去时， 其角速度 值是相同的， 且和公式 (3) 计算的理论值相同， 可以证明公式 (3) 成 立。 0053 2、 验证车辆转弯半径、 通过速度、 路面高度三者关系 0054 (1)用支撑木条4将车辆模板3支撑起来， 并使车辆模板3向转盘1的圆心方向倾 斜， 闭合开关使车辆。
20、弯道平衡实验装置以一定的角速度转动。 当转速达到一定值时， 在离心 力的作用下， 车辆模板 3 上部向外张开， 支撑木条 4 脱离支撑自动到下， 而车辆模板 3 却能 和抛物线板 2 保持相对静止， 即站立在抛物线板 2 的倾斜表面上， 随转盘 1 一起转动， 犹如 飞车走壁之状。 说明车辆在此固定的转弯半径及转速下， 当路面有一定的倾斜角度时， 车辆 行驶是安全的。 0055 (2) 改变转盘 1 的转速， 车辆模板 3 的平衡将遭到破坏。 0056 本实施例中， 转盘 1 的转速为 50 转 / 分钟时， 车辆模板 3 能相对转盘 1 静止站立 ； 当转速低于40转/分钟时， 车辆模板3倒。
21、向转盘1的圆心方向 ； 当转速高于80转/分钟时， 车辆模板 3 倒向转盘 1 的离心力方向。由此说明， 如果把车辆模板 3 看作车辆的话， 车辆通 过这样的路面时， 转速保持在 40-80 转 / 分钟， 即行驶速度按 V r 计算， 设转盘 1 的半 径为 0.2 米， 则行驶速度为 3-6 千米 / 小时， 车辆行驶是最安全的。也说明车辆经过这样的 弯道时， 安全行驶速度是一个速度区间， 过高或过低都是不安全的。 0057 本实施例推广到路面设计中， 如某路面转弯半径为 10 米。当路面倾斜度为 30 度 角时， 按公式 (3)、 (4)、 (5) 计算， 最平稳的车辆行驶速度约为 24。
22、 千米 / 小时。实际车辆均 为两轮并行， 重心位于两轮之间， 使得安全行驶速度增加， 并考虑到其它具体情况， 一般小 型轿车经过弯道时限速不超过 30 千米 / 小时。综上所述， 当车辆转弯半径、 路面倾斜角度 一定时， 车辆通行有一个安全的速度区间， 当转弯速度超过规定值， 就会发生翻车事故。 0058 本仪器制作所需的材料易取， 结构简单， 容易制造， 实验操作简便， 可视度大， 直观 性强， 生动形象， 能直观地表现出车辆转弯时所产生的离心运动现象和向心运动现象， 用于 物理实验能客观地使学生深刻地认识和理解车辆转弯时的平衡条件， 又可以为车辆安全运 行的速度设计提供依据。 0059 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。 说 明 书 CN 103996328 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103996328 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103996328 A 8 。