組合式電動(dòng)滑板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張?zhí)煊?，靳 財(cái) ，馬 帥 ，秦 濤 ，雷實(shí)修

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽441053；2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州473000）

活力板是一種新型的兩輪滑板，它以人體運(yùn)動(dòng)理論和巧妙的力學(xué)原理，利用身體（腰部及臀部）、雙腳扭動(dòng)及手的擺動(dòng)引起輪架的傾斜，使作用于輪緣的摩擦力產(chǎn)生向前的推動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)活力板前進(jìn)，同時(shí)根據(jù)兩板的傾斜來控制方向，豐富了滑板的運(yùn)動(dòng)技巧性與趣味性，經(jīng)常使用活力板可以起到提高身體柔軟度，平衡感和健身的作用[1-2]。機(jī)械式活力板使用趣味性較強(qiáng)，適合青少年兒童日常娛樂用，但是操作難度相對(duì)較大，并不適合上班族日常通勤使用。

本文在活力板原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，采用組合創(chuàng)新的方法，結(jié)合活力板的娛樂性和滑板車的便捷性，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單、可拆卸且方便攜帶的多功能組合式電動(dòng)滑板，并對(duì)其關(guān)鍵零部件的承載性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 組合式電動(dòng)滑板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

組合式滑板結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：前板、后板、聯(lián)軸器、供電傳感系統(tǒng)及外接快插接口。后板可以設(shè)計(jì)成機(jī)械式和電動(dòng)式兩種形式，根據(jù)不同的需要組合成兩種結(jié)構(gòu)模式：前板和機(jī)械后板通過聯(lián)軸器連接，組裝成傳統(tǒng)的機(jī)械式活力板；將機(jī)械后板換為電動(dòng)后板，則組裝成使用電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)滑板。

圖1 組合式滑板結(jié)構(gòu)示意圖

電動(dòng)滑板采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過檢測后板上的壓力傳感器信號(hào)來調(diào)整運(yùn)行速度，以前板的傾斜來控制前進(jìn)的方向。使用電力驅(qū)動(dòng)，速度更加穩(wěn)定，比機(jī)械式活力板更加省力、方便。前板和后板均設(shè)有安裝手把和座椅的快插接口，可以拓展滑板的功能模式，使用者可以根據(jù)需要來加裝手把和座椅，當(dāng)作電動(dòng)滑板車使用。

1.2 后板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)后板為組合式電動(dòng)滑板的核心部件之一，主要包括后板本體、后輪、電機(jī)等，后板本體內(nèi)置有電路、壓力傳感器、控制芯片、彈簧按鈕等硬件。使用者可以根據(jù)道路情況踩壓壓力傳感器來進(jìn)行加速或者彈簧按鈕使電機(jī)停轉(zhuǎn)。后板下方電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪與大齒輪嚙合，與大齒輪同軸的鏈齒通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)固定輪上的小鏈齒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到動(dòng)力傳動(dòng)的效果。見圖2.

圖2 電動(dòng)后板結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 前板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前板上的滑輪為萬向輪，可以自由活動(dòng)，主要控制滑板的運(yùn)行方向。前板下方為可拆卸電池盒，以裝備電池。機(jī)械活力板模式下可以根據(jù)需要將其拆卸下來，減輕負(fù)重。見圖3、圖4.

圖3 前板結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 快拆式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 快拆式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聯(lián)軸器主要起連接前板和后板的作用，同時(shí)緩沖前后板的扭轉(zhuǎn)力矩，在組合式電動(dòng)滑板上有著至關(guān)重要的作用。內(nèi)置有中心連桿以及壓力彈簧和扭矩彈簧，利用鎖扣套筒以卡扣的形式鎖緊。壓力彈簧和扭矩彈簧均安裝在中心連桿上，壓力彈簧用以抵消在使用過程中兩板帶來的沖擊力，扭矩彈簧則在兩板發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)之后產(chǎn)生使之回轉(zhuǎn)的力，兩端均為快拆結(jié)構(gòu)，可以方便的將機(jī)械后板快速更換為電動(dòng)后板。

2 承載性能分析

將SolidWorks建立的組合式電動(dòng)滑板結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Ansys Workbench分析軟件中，對(duì)組合式電動(dòng)滑板的前板和聯(lián)軸器等關(guān)鍵核心零件進(jìn)行強(qiáng)度分析，研究其承載性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 前板承載性能分析

組合式電動(dòng)滑板的前板采用鋁合金的材料，質(zhì)量密度為2.77 g/mm3，泊松比為0.33，彈性模量為200 GPa，屈服強(qiáng)度為280 MPa.分析時(shí)將軸承面和聯(lián)軸器連接管內(nèi)壁設(shè)置為固定面，將前板上的摩擦帶簡化，在前板的中間位置選取與人單腳相當(dāng)?shù)拿娣e垂直加載人體單腳平均壓力300 N，忽略摩擦作用，分析得到的應(yīng)力和位移云圖如圖5所示，最大應(yīng)力為1.251 3 Pa，最大形變量為2.8e-4 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，說明前板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，可對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重輕量化設(shè)計(jì)，達(dá)到更加便攜的目的。

圖5 前板靜強(qiáng)度分析結(jié)果

2.2 聯(lián)軸器承載性能分析

聯(lián)軸器的中心連桿采用鋁合金材料，材料屬性與前板相同，主要起到固定扭矩彈簧、壓力彈簧以及承受扭矩的作用。聯(lián)軸器的扭力彈簧材料采用不銹鋼絲，線徑為3.5 mm，中徑為25 mm，滑板可旋轉(zhuǎn)的最大角度為20°，有效圈數(shù)為14，根據(jù)扭力彈簧的扭矩計(jì)算公式，得最大扭矩為17.57 N·m.分析時(shí)將左端的螺孔內(nèi)壁固定，在中心連桿的右端軸用卡簧的位置施加17.57 N·m的順時(shí)針扭矩，分析得到的應(yīng)力和位移云圖如圖6所示，最大應(yīng)力為0.037 Pa，最大應(yīng)變量為3.71e-5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，說明聯(lián)軸器中心連桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖6 聯(lián)軸器靜強(qiáng)度分析結(jié)果

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用組合創(chuàng)新的方法設(shè)計(jì)了一款新型組合式電動(dòng)滑板，快拆式聯(lián)軸器和外接快插接口設(shè)計(jì)使其組合功能和可拓展性更強(qiáng)，同時(shí)也增強(qiáng)了其實(shí)用性和娛樂性。利用Ansys Workbench對(duì)前板和聯(lián)軸器核心零件中心連桿進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)的組合式電動(dòng)滑板結(jié)構(gòu)滿足承載性能要求，具有實(shí)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗英愷.活力板推動(dòng)力來源分析[J].科教文匯，2008（25）：276-276.

[2]劉延柱，苗英愷.活力板運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析[J].力學(xué)與實(shí)踐，2008，30（3）：60-62.