兩輪自平衡代步滑板的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析

王一博，卿 銅，劉博文

（黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，黑龍江 哈爾濱150050）

近幾年，自動平衡技術(shù)發(fā)展十分迅速，該技術(shù)在各行各業(yè)里得以廣泛的應(yīng)用，特別是在電動車領(lǐng)域，用于代步的自平衡車得到人們的密切關(guān)注。在2001年，美國發(fā)明家狄恩卡門（Dean Kamen）與他的DEKA研發(fā)公司（DEKA Research and Development Corp.）團隊發(fā)明設(shè)計了世界上第一輛能夠自主平衡的人類運輸工具Segway［1］。Segway內(nèi)置5個精密固態(tài)陀螺儀來判斷車身所處的姿態(tài)，通過精密且高速的中央微處理器計算出適當?shù)闹噶詈螅瑑膳_驅(qū)動馬達來做到平衡效果，最高時速25km，最大載重110kg。在2004年，中國科技大學屠動武、張培仁等［2］研制出了兩輪自平衡代步車Free Mover，其車架和輪軸位于同一水平面上，以兩臺低速有刷電機作為動力來源，車重30kg，最高時速30km。

兩輪自平衡車主要由控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)兩大部分組成。控制部分則采用當前流行的動平衡技術(shù)，而在結(jié)構(gòu)方面，無論是在國內(nèi)還是在國外結(jié)構(gòu)形態(tài)都基本相似，駕駛者直立在平臺上，雙手控制操縱機構(gòu)。同時，自平衡獨輪車也漸漸進入人們的視野。本次設(shè)計的自平衡電動滑板不僅可以當做滑板使用，而且用戶還可以體驗到與滑雪板和沖浪板一樣的運動感受，更重要的是解放了用戶的雙手。兩輪自平衡車（segway）和自平衡獨輪車（IPS）的機械結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點，因此筆者結(jié)合兩者結(jié)構(gòu)優(yōu)點提出一個新的結(jié)構(gòu)方案，并對關(guān)鍵部件進行有限元分析。

1 兩輪自平衡代步滑板的平衡原理

圖1為兩輪自平衡代步滑板在水平路面上行駛的物理模型。如果某一瞬間駕駛者與豎直方向成一傾斜角θ，同時給車輪一個順時方向的力矩M＝M0，讓車輪在路面上加速滾動，由于慣性的存在，滑板不會繞車輪軸A轉(zhuǎn)動但會有平動產(chǎn)生。與此同時，輪胎與地面的靜摩擦力f為臨界驅(qū)動力，排除空氣阻力和車輪滾動阻力的影響，可以得到M0與f 的關(guān)系式［3］為

式中：M0為臨界驅(qū)動力矩；f為臨界驅(qū)動力；R為車輪半徑；m2為車輪質(zhì)量。

對于臨界驅(qū)動力f，文獻［4］中可以得到表達式

式中，m1為駕駛員（包括滑板車架及操縱機構(gòu)）的質(zhì)量。

圖1 自平衡滑板的受力分析

將式（2）代入式（1）得

如果使M＞M0，滑板將繞車輪軸A逆時針轉(zhuǎn)動，回到豎直位置，達到平衡效果。

2 兩輪自平衡代步滑板結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 基本設(shè)計參數(shù)

滑板長度900mm，滑板寬度220mm，滑板整體重量20kg，平衡角度－8°～8°，最大爬坡角度10°，最大載重100kg，最大車速15km／h，平均車速10km／h。

2.2 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了全面準確地了解兩輪自平衡代步滑板的外觀，便于最終方案的確定，在其設(shè)計制作之初，運用 Autodesk Inventor Professional［4］軟件中的零件設(shè)計模塊對車架部分進行三維設(shè)計，得到以下兩種設(shè)計方案［5］，如圖2、圖3所示。

圖2 方案1

圖3 方案2

方案1與傳統(tǒng)的滑板結(jié)構(gòu)類似，兩輪自平衡代步滑板采用平行結(jié)構(gòu)?；迳媳砻嫫秸迩昂蠼Y(jié)構(gòu)對稱，前部和后部，采用兩層鋼管結(jié)構(gòu)，滑板中部一層鋼管。

方案2與傳統(tǒng)的滑板不同，兩輪自平衡代步滑板采用梯形結(jié)構(gòu)。設(shè)計初始的滑板模型大致可分為前、中、后3個部分。中間部分向上凸起，前后兩部分則是由上下兩根鋼管構(gòu)成，四周用梯形鋼管做成倒角。

對比方案1和方案2，在外部條件相同的情況下，可以得出方案2的重心要比方案1更低。對于操縱穩(wěn)定性，由于重心更低，加上氣流壓力的作用，讓兩輪自平衡滑板更穩(wěn)定，抓地力更強，讓兩輪自平衡滑板在行駛時更為平衡穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向時不容易傾側(cè)，因此操控性更強，轉(zhuǎn)向時的安全性也更好，在受到威脅時可以快速轉(zhuǎn)向而不輕易翻車，穩(wěn)定系數(shù)高。綜上所述，方案2更加符合操縱穩(wěn)定性的要求，所以選方案2為兩輪自平衡滑板車的車架。

2.3 輪轂法蘭盤的設(shè)計

以互換性為原則，輪胎為選購標準的尺寸，在選購輪胎時輪胎本身自帶輪轂，但輪胎與電機無法連接，所以在原有輪轂基礎(chǔ)上添加了一個法蘭機構(gòu)，構(gòu)成了輪轂法蘭盤，如圖4所示。該機構(gòu)直接把電機的動力傳遞給車輪，可以避免不必要的傳動機構(gòu)，并有利于減少傳遞過程中機械損失。此外，輪轂和法蘭設(shè)計成一體式，以便輪胎的拆裝和更換，有利于降低維修的難度。

圖4 輪轂法蘭盤

2.4 兩輪自平衡滑板的整體布置

圖5 為兩輪自平衡滑板的整體結(jié)構(gòu)圖，圖中顯示的是主要零部件，支撐面和傳感器部分等被隱藏。

該滑板主要由前、中、后3部分組成。前后兩部分則是由上下兩根鋼管構(gòu)成，在滑板車架的中部有足夠的空間安裝電機和驅(qū)動板等零件。后部兩根鋼管的間隙可以放置鋰電池板和電池板保護墊，電機則安裝到中部梯形結(jié)構(gòu)鋼管的下方。

圖5 整體結(jié)構(gòu)

3 車架的有限元分析

目前國內(nèi)應(yīng)用比較多的有限元分析軟件主要是ANSYS［6］，但由于其涉及學科眾多，建模比較復雜，所以其應(yīng)用有一定難度。而Autodesk Inventor Professional軟件中的有限元分析模塊是以ANSYS軟件的網(wǎng)格劃分和數(shù)值運算的內(nèi)核技術(shù)，因此不僅在建模、施加力和約束方面的操作比較簡單，而且在運算結(jié)果方面也比較準確。本文則主要基于 Autodesk Inventor Professional軟件中的有限元分析模塊對車架進行分析［7］。

車架由矩形方鋼管（材質(zhì)Q235鋼［8］，尺寸規(guī)格寬×高為20mm×20mm，厚度為2mm）焊接而成。主要參數(shù)見表1，車架承受駕駛者的重力載荷和電機連接處的支反力。中間4根管的底面為固定約束對象，為了簡化分析，車架只受到駕駛者的壓力，用靜態(tài)值來計算，保留充足的安全系數(shù)，來減少計算過程中產(chǎn)生的誤差。約束車架中間4根支撐鋼管的底面，如圖6所示；向左右兩側(cè)12個受力面施加載荷，如圖7所示，所施加載荷為

表1 材料參數(shù)

圖6 車架所受約束示意圖

圖7 車架受力示意圖

表2為車架的有限元分析結(jié)果。該車架的本體材料為Q235，從材料手冊［9］查出其彈性模量E＝196～216GPa，泊松比為0.3，計算后顯示，最大應(yīng)力為18.953 7MPa，如圖8所示。在不考慮約束影響造成的局部過大應(yīng)力的情況下，應(yīng)力較大的值分布在車架梯形鋼管連接處，遠小于材料的許用應(yīng)力235MPa。如圖9所示，最大位移為0.056mm，變化非常小，所以，該車架的靜力分析滿足設(shè)計要求［10］。

圖8 車架應(yīng)變和應(yīng)力云圖

圖9 車架應(yīng)變和應(yīng)力云圖

表2 分析結(jié)果

4 結(jié)束語

兩輪自平衡代步滑板以自平衡技術(shù)和傳統(tǒng)滑板相結(jié)合，成為新型的城市代步工具，具有良好的發(fā)展前景，筆者對車架進行設(shè)計和有限元分析，從分析結(jié)果看出，車架的強度達到預(yù)期設(shè)計要求。

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