兩輪平衡車(chē)的設(shè)計(jì)
摘 要
兩輪自平衡車(chē)結(jié)合了兩輪同軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、懸架結(jié)構(gòu)和倒立擺模型的自平衡原理，是一種在微處理器控制下始終保持平衡的集智能化與娛樂(lè)性于一體的新型代步工具。整車(chē)由底盤(pán)、動(dòng)力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置組成。
底盤(pán)采用下沉式的懸架結(jié)構(gòu)，降低車(chē)身和使用者的重心減小了平衡控制難度,利用阻尼器削弱沖擊力提高駕駛舒適性；控制部分由陀螺儀和加速度計(jì)作為傳感器模塊監(jiān)測(cè)車(chē)體狀態(tài)，可獲得精確穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)微處理器實(shí)時(shí)處理狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而由驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以維持車(chē)體平衡；轉(zhuǎn)向操縱桿高度可調(diào)節(jié)亦可折疊，以適應(yīng)不同高度人士使用又便于運(yùn)輸和存放；采用電池作為動(dòng)力能源，當(dāng)車(chē)減速或下坡時(shí)可自動(dòng)回送電能更加節(jié)能。
兩輪自平衡車(chē)的基本設(shè)計(jì)理念是娛樂(lè)、經(jīng)濟(jì)、安全、方便、節(jié)能環(huán)保。本車(chē)具有運(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)它價(jià)格低廉、性?xún)r(jià)比高，娛樂(lè)性和適用性增強(qiáng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀車(chē)輛的體積大、功耗多，不適于單人使用的缺點(diǎn)。兩輪自平衡車(chē)適用范圍更廣，市場(chǎng)需求大，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)推廣價(jià)值和市場(chǎng)潛力。
關(guān)鍵詞：兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)，環(huán)保， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，陀螺儀，控制電路。
第一章 緒論
在研究?jī)奢喿云胶廛?chē)技術(shù)中主要涵蓋了機(jī)械和電子兩大系統(tǒng)技術(shù)，機(jī)械系統(tǒng)中研究的是各個(gè)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的分析以及所研究機(jī)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域所發(fā)揮的功能等。而電子系統(tǒng)中要完成的是對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的精確地控制、調(diào)節(jié)及有關(guān)信息的反饋。目前而言，自平衡車(chē)的應(yīng)用范圍很小，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)臻于成熟，但還有待于進(jìn)一步的發(fā)展優(yōu)化，以便應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域。
圖1. 市場(chǎng)上的兩輪自平衡代步車(chē)
1.1課題研究的背景及意義
1.1.1兩輪自平衡車(chē)的研究背景
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源消耗，環(huán)境污染，交通擁擠，生活空間狹小的問(wèn)題不斷出現(xiàn)，個(gè)人認(rèn)為解決這些迫在眉睫的問(wèn)題，也需要我們貢獻(xiàn)自己的一點(diǎn)力量。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了兩輪自平衡代步車(chē)（圖1），因其技術(shù)含量較高，占地面積小，靈活性和路面通過(guò)性強(qiáng)，非常適用于大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、展覽館、博物館、體育館、廣場(chǎng)等室內(nèi)外場(chǎng)所工作人員、購(gòu)物者、觀眾的代步工具。本文將對(duì)相關(guān)方面的技術(shù)作進(jìn)一步的研究。
1.1.2 研究意義
兩輪自平衡車(chē)運(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)便，適于單人使用且適用范圍廣，增加了人們對(duì)外出活動(dòng)的興趣，減少人們的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，解決人們時(shí)間不充足的問(wèn)題。本產(chǎn)品結(jié)合了兩輪自平衡系統(tǒng)的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能化的控制系統(tǒng)特點(diǎn)，其研制意義可歸納為：
①該車(chē)作為載人行駛的代步工具，可根據(jù)需要將該車(chē)改造為大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、展覽館、博物館、體育館、廣場(chǎng)等室內(nèi)外場(chǎng)所工作人員、購(gòu)物者、觀眾的代步工具，因而具有一定的使用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。
②自平衡系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和倒立擺一樣，可以作為一類(lèi)研究對(duì)象進(jìn)行各種控制算法的研究與驗(yàn)證，用于檢驗(yàn)新型控制技術(shù)的正確性，也可在教學(xué)中作為典型實(shí)例進(jìn)行講授。
③以本產(chǎn)品為基礎(chǔ)，改造成適合工業(yè)或民用的兩輪移動(dòng)機(jī)器人。兩輪移動(dòng)機(jī)器人擁有傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人的靈活性、機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性等特點(diǎn)，是智能機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)嶄新的研究方向。
④采用電能作為動(dòng)力能源，節(jié)能環(huán)保，有助于緩解環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題。
⑤該平衡車(chē)操作簡(jiǎn)單，智能控制，性?xún)r(jià)比高，適用范圍廣，有一定的市場(chǎng)潛力。
1.2 兩輪自平衡車(chē)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外研究狀況
兩輪自平衡小車(chē)的相關(guān)研究始于1987年，兩輪自平衡系統(tǒng)首先是由日本學(xué)者
由日本東京電信大學(xué)自動(dòng)化系的山藤一雄教授提出類(lèi)似的設(shè)計(jì)思想。1986年，該國(guó)的Kazuo Yamafu ji教授突發(fā)奇想設(shè)計(jì)了一個(gè)兩輪同軸、重心高高在上的模型。在這個(gè)模型中，電機(jī)和控制芯片設(shè)計(jì)在上部，靠很多個(gè)陀螺儀來(lái)監(jiān)測(cè)模型的姿態(tài)。受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的限制，Kazuo Yamafu ji的兩輪自平衡模型只能沿著事先設(shè)置好的軌道行駛。而無(wú)法完成預(yù)期的目標(biāo)，但隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，取得了一定的成果。
美國(guó)發(fā)明家Dean Kaman于1995年開(kāi)始秘密研制，直到2001年12月才將這項(xiàng)高度機(jī)密的新發(fā)明公布出來(lái)，2003年3月正式在美國(guó)上市（圖2）。它的工作原理主要是建立在一種與人體的平衡能力相似的，被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定” 主要通過(guò)內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀、傾斜傳感器以每秒100次的頻率來(lái)判斷車(chē)體姿態(tài)，測(cè)出駕駛者重心，透過(guò)精密 且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過(guò)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)做到動(dòng)態(tài)平衡的效果。以每秒高頻次的頻率進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能自動(dòng)保持平衡。假設(shè) 我們以站在車(chē)上的駕駛?cè)伺c車(chē)輛的總體重心縱軸作為參考線(xiàn)。當(dāng)這條軸線(xiàn)發(fā)生偏折時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)平衡。
圖2美國(guó)研制的平衡機(jī)構(gòu)
當(dāng)今時(shí)代不少?lài)?guó)家都對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的研究有了更深入的研究。2002年，美國(guó)的Dan Piponi設(shè)計(jì)的機(jī)器人只適用于平坦路線(xiàn)。同年，瑞士以Felix Grasser為首的一個(gè)研究小組制作設(shè)計(jì)了一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的可以遠(yuǎn)程控制的兩輪自平衡機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿(mǎn)意。美國(guó)科學(xué)家David P.Anderson研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人（圖3）。比如通過(guò)控制可實(shí)現(xiàn)其本身的零半徑回轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。
圖3 兩輪自平衡機(jī)器人
2005年，自行車(chē)系統(tǒng)的平衡控制理論取得突破。日本的村田制作所向公眾展示了其最新研究。隨后的幾年時(shí)間里兩輪自平衡車(chē)無(wú)論是其控制系統(tǒng)還是機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇方面都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究狀況
國(guó)內(nèi)對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的研究起步較晚，但也取得了很大的進(jìn)步。2003年臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)也制作了一個(gè)兩輪自平衡模型，并通過(guò)模糊控制理論對(duì)其進(jìn)行了控制，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的應(yīng)用。2005年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一個(gè)研究小組研制出一個(gè)兩輪自平衡機(jī)器人的樣機(jī)（圖4）。依靠的基本原理是陀螺儀來(lái)檢測(cè)車(chē)體的姿勢(shì)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)的運(yùn)行。
圖4 兩輪自平衡機(jī)器人的樣機(jī)
近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著對(duì)兩輪自平衡小車(chē)研究的深入,國(guó)內(nèi)平衡車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的不斷完善，我國(guó)在這領(lǐng)域的研究也取得不斷地發(fā)展。
設(shè)計(jì)兩輪平衡車(chē)主要克服的問(wèn)題是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇等方面突出其體積小，節(jié)能減排的理念。而平衡車(chē)平衡控制的實(shí)現(xiàn)，依靠控制系統(tǒng)中硬件部分控制電路設(shè)計(jì)，傳感器模塊中參與信號(hào)參數(shù)檢測(cè)的陀螺儀及加速度計(jì)及軟件部分的控制器。
1.3 本文主要完成的內(nèi)容結(jié)構(gòu)
以機(jī)械設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，參閱機(jī)械專(zhuān)業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)，提出兩輪自平衡電動(dòng)小車(chē)的整車(chē)結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)其中的某些關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。
全文共分為六章
第一章為緒論，闡述了兩輪自平衡小車(chē)的課題背景和研究意義，介紹了國(guó)內(nèi)
外平衡小車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)本文的研究問(wèn)題給予了說(shuō)明。
第二章為總體的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡車(chē)的工作原理。
第三章為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括車(chē)身，車(chē)架結(jié)構(gòu)，懸架的結(jié)構(gòu)，配電箱設(shè)計(jì)，動(dòng)力裝置，控制裝置，轉(zhuǎn)向裝置，以及對(duì)本章的小結(jié)。并借助機(jī)械設(shè)計(jì)軟件繪出具體模型。
第四章為控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)，傳感器，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制程序及控制電路等。
第五章為研究課題的結(jié)論。
第二章 總體設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
兩輪自平衡小車(chē)的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)大部分。一是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，二是控制系統(tǒng)。機(jī)械部分包括:車(chē)身、車(chē)輪、車(chē)身上支架、懸架、軸承、連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要功能是承載硬件電路，搭建工作平臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、單片機(jī)、電源、電源轉(zhuǎn)換電路、處理器以及外圍擴(kuò)展電路等。軟件系統(tǒng)為控制程序和控制電路。
2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
兩輪自平衡小車(chē)整車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括車(chē)身、動(dòng)力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置四大部分。
圖5小車(chē)結(jié)構(gòu)
圖6 車(chē)身部分結(jié)構(gòu)
1車(chē)把 2伸縮調(diào)節(jié)桿 3伸縮調(diào)節(jié)器 4儲(chǔ)物籃 5電位器 6腳踏板
7擋泥板 8車(chē)輪 9車(chē)身骨架 10電機(jī) 11螺栓 12車(chē)架-懸架連接器
13彈簧懸架
2.3 自平衡車(chē)的工作原理
兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的平衡原理來(lái)自于倒立擺模型，由于兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的雙輪平行布置在車(chē)體的左右兩端，且載人時(shí)重心在雙輪軸心正上方，所以它相當(dāng)于一個(gè)倒立擺，是不穩(wěn)定體，車(chē)體總是要向前或向后傾倒。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)體向前傾斜時(shí)，內(nèi)置的精密電子陀螺儀來(lái)判斷車(chē)身所處的姿勢(shì)狀態(tài)，透過(guò)精密 且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過(guò)讓電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)向前的加速度，這個(gè)加速度使得在雙輪軸心上方的重心向后擺動(dòng)，這就抵消了車(chē)體的向前傾斜，使車(chē)體的重心回到兩輪中心軸的正上方，從而在豎直方向保持平衡。這一平衡是動(dòng)態(tài)的，為保持車(chē)體豎直不倒，必須不斷檢測(cè)車(chē)體傾斜姿態(tài)，根據(jù)傾斜狀況驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)或后退，來(lái)克服重心偏移現(xiàn)象，保持車(chē)體平衡。
假設(shè)我們以站在車(chē)上的駕駛?cè)伺c車(chē)輛的總體重心縱軸作為參考線(xiàn)。當(dāng)這條軸往前傾斜時(shí)，平衡車(chē)車(chē)身內(nèi)的內(nèi)置電動(dòng)馬達(dá)會(huì)產(chǎn)生往前的力量，一方面平衡人與車(chē)往前傾倒的扭矩；一方面產(chǎn)生讓車(chē)輛前進(jìn)的加速度。相反的，當(dāng)陀螺儀發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)说闹匦耐髢A時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生向后的力量達(dá)到平衡效果。這就是自平衡車(chē)系統(tǒng)所達(dá)到的的“動(dòng)態(tài)平衡”。而方向控制上駕駛?cè)酥灰淖冏约荷眢w的角度往前或往后傾，平衡車(chē)就會(huì)根據(jù)傾斜的方向前進(jìn)或后退。而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正比。原則上，只要平衡車(chē)有正確打開(kāi)電源且能保持足夠運(yùn)作的電力，車(chē)上的人就不用擔(dān)心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛?cè)俗约哼M(jìn)行平衡的滑板車(chē)等交通工具大大不同。
兩輪自平衡車(chē)平衡條件
圖7 兩輪自平衡系統(tǒng)受力分析
上圖為自平衡車(chē)在坡度為的路面上行駛的動(dòng)力學(xué)分析模型。假設(shè)某時(shí)刻車(chē)身相對(duì)于豎直方向有一傾角, 且在車(chē)輪上施加一順時(shí)針?lè)较虻牧? 使車(chē)輪沿坡面向上加速滾動(dòng), 由于慣性, 車(chē)身將有可能不繞車(chē)軸A發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 而只發(fā)生平動(dòng)。此時(shí), 路面對(duì)車(chē)輪的靜摩擦力為臨界驅(qū)動(dòng)力。 忽略空氣阻力和車(chē)輪滾動(dòng)阻力, 可以得到和具有以下關(guān)系：
(1)
式中：為臨界驅(qū)動(dòng)力矩;為臨界驅(qū)動(dòng)力; 為車(chē)輪質(zhì)量; R為車(chē)輪半徑。
對(duì)于=0時(shí)的臨界驅(qū)動(dòng)力, 其表達(dá)式：
（2）
式中: m1為車(chē)身(包括駕駛員)質(zhì)量。當(dāng)時(shí)具有更一般的形式：
（3）
顯然式(2)是式(3)在= 0時(shí)的特殊情況,即(3)對(duì)=0的情況也適合。
將式(3)代入(1), 得：
(4)
若使>, 車(chē)身將繞輪軸A逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最終回到豎直位置。
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
3.1 車(chē)身
圖8 車(chē)身結(jié)構(gòu)
車(chē)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中車(chē)架由方管（型號(hào)Q235，50-50(1.0-5.0)）焊接而成, 車(chē)架承受車(chē)身(含駕駛者)重力和懸架彈簧的支反力。和懸架一樣, 可以認(rèn)為4個(gè)支承點(diǎn)是固定的，車(chē)架只承受來(lái)自車(chē)身的壓力。主要基于該車(chē)身結(jié)構(gòu)能有一定的承載能力，保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。材料選擇質(zhì)輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的，以便節(jié)省材料。
3.1.1 懸架
懸架采用鋼板(汽車(chē)用鋼板（GB3273-89）, 厚度2.5mm)和槽鋼(5#,高度腿寬腰高=50324.4)焊接而成。由于車(chē)身對(duì)懸架的壓力是一個(gè)激振載荷(該激振頻率受懸架彈簧參數(shù)決定), 因此懸架的自振頻率必須和該激振頻率錯(cuò)開(kāi), 以免發(fā)生共振。忽略對(duì)懸架力學(xué)性能影響不大的彈簧導(dǎo)向柱和一些圓角。
懸架是平衡車(chē)的車(chē)架與車(chē)橋或車(chē)輪之間的一切傳力連接裝置的總稱(chēng)，其作用是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)架或車(chē)身的沖擊力，并衰減由此引起的震動(dòng)，以保證車(chē)能平順地行駛。懸架是平衡車(chē)中的一個(gè)重要組成，它把車(chē)架與車(chē)輪彈性地聯(lián)系起來(lái)，關(guān)系到平衡車(chē)的多種使用性能。
典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減震器等組成，個(gè)別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、橫向穩(wěn)定桿等。
圖9 汽車(chē)懸架圖
考慮到自平衡電動(dòng)車(chē)的體積，懸架設(shè)計(jì)時(shí)體積不宜過(guò)大，要做到簡(jiǎn)單輕便。
圖10兩種不同的懸架設(shè)計(jì)圖
懸架彈簧是懸架裝置中最重要的部件，其剛度不能過(guò)大也不能過(guò)小。剛度
過(guò)大則懸架柔度不夠，起不到緩沖作用;如果剛度過(guò)小，則振幅會(huì)明顯變大，
造成行車(chē)過(guò)程中的劇烈顛簸。故有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。這里根據(jù)實(shí)際情況，
要求懸架彈簧外徑滿(mǎn)足即可，
根據(jù)工作載荷范圍( 300N—1300N)，工作行程(定為15mm)，彈簧外徑( D45mm)可以得出每個(gè)懸架彈簧的主要參數(shù)，設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。
表 1 懸架彈簧主要參數(shù)
材料
中徑/mm
有效圈數(shù)
節(jié)距/mm
極限載荷/N
剛度/(N*mm- 1)
Ф4C級(jí)碳素
40
2. 5
14. 5
417
15. 8
也就是說(shuō)，當(dāng)車(chē)身在垂直方向上有震動(dòng)后,懸架彈簧對(duì)懸架的反力將以22.5Hz的頻率發(fā)生。
從以上的不同的懸架形式中，根據(jù)研究分析可設(shè)計(jì)為
圖11懸架機(jī)構(gòu)
3.1.2 車(chē)輪
車(chē)輪有兩個(gè)作用，首先它要承受車(chē)身載荷，因此強(qiáng)度要足夠;其次，車(chē)輪
內(nèi)部安裝有減速器等零部件，相當(dāng)于一個(gè)容器。對(duì)車(chē)輪提出以下要求:
①?gòu)?qiáng)度足夠;②質(zhì)量盡可能小;③結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，易于制造。
圖12 車(chē)輪結(jié)構(gòu)
圖13摩托車(chē)輪胎
由上表可知，輪惘尺寸為：
輪惘寬度x輪輛外徑=1.85inch x 18inch=47mm x 457mm
車(chē)輪的輪毅的外徑由決定，輪毅的外徑等于齒圈尺寸這個(gè)數(shù)字加上兩倍的安裝齒圈處的厚度。
車(chē)輪的輪毅的長(zhǎng)度由輪軸長(zhǎng)度決定。至于輪輻，它的形狀比較自由，只要
滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求就可以了。
3.1.3 惰輪
體積較大的惰輪采用玻璃纖維纖增強(qiáng)型PA66制造, PA66強(qiáng)度中等, 因具有良好的自潤(rùn)滑性而廣泛用在潤(rùn)滑條件不良或不便潤(rùn)滑的中輕載傳動(dòng)場(chǎng)合, 加入玻璃纖維后強(qiáng)度得到顯著提高?？紤]到PA66在高溫時(shí)強(qiáng)度急劇下降, 故與之嚙合的齒圈和中心小齒輪均采用導(dǎo)熱性能較好的金屬材料制造。為保證強(qiáng)度, 在分析時(shí)
必須使用最?lèi)毫拥墓ぷ鳡顟B(tài). 按照設(shè)計(jì)要求和初期設(shè)計(jì)結(jié)果, 將
代入式(4)解得：
惰輪驅(qū)動(dòng)2只車(chē)輪, 而齒圈分度圓半徑為, 故每只惰輪與齒圈間的圓周作用力為：
3.1.4輪軸
輪軸是車(chē)輪的中心部件，它通過(guò)一些軸承、鍵等與車(chē)輪內(nèi)的其它零部件構(gòu)成連接。負(fù)載產(chǎn)生的重力對(duì)車(chē)輪的壓力比較大，輪軸承受很大的力，因此在尺寸上不能太小。一方面，輪軸不能做得過(guò)粗，否則將不可避免地增加中心小齒輪的分度圓直徑，這對(duì)提高傳動(dòng)比是極為不利的(輪殼尺寸有限);另一方面，輪軸也不能做得細(xì)，因?yàn)樘?xì)一方面會(huì)使內(nèi)側(cè)軸承過(guò)小，另一方面會(huì)降低軸右端鍵的強(qiáng)度。我們?cè)诙ㄗ佑覀?cè)設(shè)計(jì)一凸臺(tái)。
圖14定子右端凸輪
為簡(jiǎn)化問(wèn)題, 按全部載荷作用于齒面上部來(lái)計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。限制惰輪中央的所有自由度, 將載荷換算為壓強(qiáng), 施加在節(jié)圓與齒頂圓之間的齒面上。從惰輪的受力分析經(jīng)驗(yàn)結(jié)果可以得出, 惰輪輪齒會(huì)發(fā)生變形, 最大位移發(fā)生在為齒頂部位,惰輪最大等效應(yīng)力發(fā)生在齒根部位, 故惰輪保證該部位的彎曲強(qiáng)度符合要求即可。
3.1.5配電箱
配電箱是按電氣接線(xiàn)要求將開(kāi)關(guān)設(shè)備、測(cè)量?jī)x表、保護(hù)電器和輔助設(shè)備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上，構(gòu)成低壓配電裝置。正常運(yùn)行時(shí)可借助手動(dòng)或自動(dòng)開(kāi)關(guān)接通或分?jǐn)嚯娐?。故障或不正常運(yùn)行時(shí)借助保護(hù)電器切斷電路或報(bào)警。借測(cè)量?jī)x表可顯示運(yùn)行中的各種參數(shù)，還可對(duì)某些電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)偏離正常工作狀態(tài)進(jìn)行提示或發(fā)出信號(hào)。
（1）應(yīng)考慮到配電箱的材料，考慮其散熱問(wèn)題。
（2）配電箱的體積應(yīng)盡可能的做大，可放置更多的蓄電池。
（3）配電箱離地面的位置不宜太低，防止摩擦，破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3.2 動(dòng)力裝置
本車(chē)采用無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)具有效率高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，操作性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，免維護(hù)或少維護(hù)，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)輸出動(dòng)力后經(jīng)減速器降速來(lái)提高輸出扭矩同時(shí)降低了負(fù)載的慣量，更有利于維持車(chē)體的平衡。
簡(jiǎn)單的講，一般的永磁式直流有刷電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在其氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其電樞繞組通電后產(chǎn)生反映磁場(chǎng)。由于電刷的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停的旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換向的目的，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一般將其電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。它采用轉(zhuǎn)子位置傳感器代替電刷，依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，通過(guò)換相驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)與電樞繞組連接的各功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到換相的目的，從而使電機(jī)工作。
圖15 無(wú)刷直流電機(jī)
電源采用鉛酸蓄電池。雖然鉛酸蓄電池體積偏大，重量較重，但具有技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、安全性高、較高的容量，較大的放電能力并可以免維護(hù)使用等突出優(yōu)點(diǎn)。兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)自身重量小且承載量不會(huì)超過(guò)1個(gè)人，速度限制在 15km/h以下也不用于遠(yuǎn)距離行駛,因此采用2節(jié)12V電動(dòng)自行車(chē)鉛酸蓄電池串聯(lián)組成 24V供電電源.既滿(mǎn)足使用要求又價(jià)格低廉，購(gòu)買(mǎi)和更換都很方便。
圖16鉛酸蓄電池
3.3 轉(zhuǎn)向控制裝置
圖17操縱桿主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部傳感器安裝位置
轉(zhuǎn)向操縱桿由兩個(gè)螺栓與車(chē)身連接，可以左右搖。采用旋轉(zhuǎn)變阻器作為轉(zhuǎn)角傳感器安裝在操作桿與車(chē)身的連接處，它直接輸出與操縱桿的轉(zhuǎn)角成正比的電壓值。行駛過(guò)程中運(yùn)算模塊根據(jù)此電壓值控制向左或向右轉(zhuǎn)彎及轉(zhuǎn)彎角度。同時(shí)駕駛者身體的傾斜也提供一部分向心力，減小轉(zhuǎn)向阻力使轉(zhuǎn)向更容易。同時(shí)操縱桿高度可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同高度時(shí)也可折疊以減小占用空間。
圖18平衡車(chē)結(jié)構(gòu)
3.4 兩輪平衡車(chē)的裝配
由上述分析過(guò)程可知，該平衡車(chē)包括：兩個(gè)車(chē)輪，兩個(gè)懸架，車(chē)身（包括配電箱）及操縱桿。
結(jié)構(gòu)連接部分為懸架和車(chē)輪之間靠4個(gè)螺釘連接且可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)；車(chē)身通過(guò)連接構(gòu)件被螺母壓緊在懸架彈簧上；操縱桿則是靠2只螺栓和車(chē)架固定。在操縱桿與車(chē)身連接的部分用防塵罩罩住，目的為了防止該結(jié)構(gòu)生銹。
圖19 兩輪平衡車(chē)裝配圖
3.5本章小結(jié)
本章的研究?jī)?nèi)容主要包括了自平衡車(chē)系統(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究，有車(chē)身的設(shè)計(jì)，談到了懸架的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)及其作用，還包括了車(chē)輪，配電箱的注意事項(xiàng)。控制轉(zhuǎn)向裝置的操縱桿的分析了解以及動(dòng)力裝置電機(jī)電源的選擇。
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(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001）