智能變速代步車設(shè)計(jì)

易 植，楊 智，王子龍

（1.湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院，湖南 常德 415000；2.湖南文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電氣工程學(xué)院，湖南 常德 415000；3.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引 言

資料顯示，我國1999年后期步入老年化社會，且每年的老齡化增長率大于全國人口增長速度[1]，因此智能代步車行業(yè)勢必是這個(gè)社會必須的代步工具。智能變速代步車?yán)们擅畹臋C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雙足駕駛車輛以及車輛可以無限級變速的功能，并且增加了變速的舒適性。智能變速代步車應(yīng)用范圍廣，實(shí)用性大，可以應(yīng)用于老年人代步、無臂殘疾人代步以及旅游觀光等方面。智能變速代步車擁有較大的市場潛力，通過對其不斷地改進(jìn)，智能代步車的設(shè)計(jì)將會越來越成熟，不僅大大提高了適用性，而且應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

1 市場預(yù)測

對于目前的中國國情，文章對殘疾人和老年人在代步工具方面做了市場研究和分析。目前，根據(jù)中國殘聯(lián)的統(tǒng)計(jì)，中國各類殘疾人總數(shù)達(dá)8 500萬，約占中國總?cè)丝诘?.21%。從2015到2035年，中國將進(jìn)入急速老齡化階段，老年人口將從2.12億增加到4.18億，占比29%[2]。由以上兩項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國的殘疾人和老年人存在著巨大的產(chǎn)業(yè)市場，而代步車行業(yè)就是其中一項(xiàng)。

1.1 同類產(chǎn)品分析

設(shè)計(jì)的代步車目前市場上尚未出現(xiàn)同類型產(chǎn)品，且足控的理念在代步車設(shè)計(jì)中比較少見，常見的是手腳同時(shí)操控或是通過雙手操作，對于一些有特殊需求的駕駛者使用極其不便，因此本文的產(chǎn)品具有較強(qiáng)的市場競爭力?？梢詫⒅髁鞯臍埣踩舜焦ぞ叻譃橐韵聨讉€(gè)類型：全手控類殘疾人代步工具、手腳并用類殘疾人代步工具和人工智能操作類。生活中常見的殘疾人輪椅的工作原理，即通過殘疾人用雙手滑動雙輪行進(jìn)，并且根據(jù)左右手滑動的快慢順應(yīng)改變運(yùn)行的方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，且駕駛者需要用雙手與輪圈之間的摩擦阻力實(shí)現(xiàn)減速制動功能。此外，還有搖桿式手控車手腳并用類殘疾人代步工具等類型。昂貴的人工智能較超前的殘疾人代步工具，利用高科技打造殘疾人代步工具，性能超高，但在高科技尚未普及的今天，使用這種殘疾人代步工具的代價(jià)巨大，并不是一般家庭能承受的負(fù)擔(dān)。

對于以上幾例全手控類殘疾人代步工具的分析可以看出，此類殘疾人代步工具僅僅是針對雙手可以正常使用的殘障人士，而對于雙手殘疾的殘障人士很難駕駛。本文設(shè)計(jì)的一種后輪驅(qū)動全足控N檔變速電動三輪車解決了這個(gè)難題，實(shí)現(xiàn)了用雙腳駕駛代步工具，可實(shí)現(xiàn)正常行駛、轉(zhuǎn)向、剎車以及變速等功能。此外，對于大多數(shù)人來說，手臂的力量遠(yuǎn)不及雙腿的力量，尤其是在上坡、制動甚至是比賽時(shí)需要瞬間較大的力量。雙腳提供的能量可以較輕松地完成這些任務(wù)，相比于普通的全手控類殘疾人代步工具，提出的后輪驅(qū)動全足控N檔變速電動三輪車采用全足控理念，可以使駕駛者、運(yùn)動員選手使用更加方便有效。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 技術(shù)背景及優(yōu)勢

智能變速代步車是將超級變速齒輪和后輪驅(qū)動全足控三輪電動車融合在一起，既有超級變速齒輪的N檔無限級變速的優(yōu)點(diǎn)，又有后輪驅(qū)動全足控三輪電動車的全足控的優(yōu)點(diǎn)，大大提升了本設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

本設(shè)計(jì)改變了原有后輪驅(qū)動全足控三輪電動車的變速不穩(wěn)定的問題。后輪驅(qū)動全足控三輪電動車是通過速控踏板來控制車速，由于速控踏板只有兩個(gè)高低阻值的電阻，使得電流在速控踏板選擇不同檔速時(shí)差值較大，因此使得車輛在變速時(shí)會使得速度發(fā)聲突然地變化，對于駕駛者來說是一種危險(xiǎn)因素。因此，加裝超級變速齒輪，利用超級變速齒輪變速平和的優(yōu)勢，可以給駕駛者帶來舒適性變速的體驗(yàn)。此外，利用超級變速齒輪還有另外的優(yōu)勢。在電機(jī)轉(zhuǎn)速保持一定的情況下，利用超級變速齒輪的N檔變速特點(diǎn)，可以提高超級變速齒輪的檔速，從而獲得更高的駕駛速度。

2.2 設(shè)計(jì)原理

2.2.1 超級變速齒輪

日常的變速自行車通常采用2個(gè)變速齒輪，常見的檔速有21速、24速等。就目前的情況看，不可能將擋速無限制提高。檔速越高，單個(gè)變速齒輪需要的不同大小齒輪越多，會增加齒輪總體厚度，造成車體重心不穩(wěn)而使自行車難以控制。因此，設(shè)計(jì)這款超級變速齒輪可以解決這個(gè)問題，使變速自行車的檔速提高到N檔。本設(shè)計(jì)利用鋼絲繩、支桿、鉤型輪齒以及旋轉(zhuǎn)式分解輪框來實(shí)現(xiàn)變速，從而實(shí)現(xiàn)從原來有限的檔速變化到如今的N檔速變化。此超級變速系統(tǒng)可以更加方便地使自行車騎行人根據(jù)不同的地形選擇適合自己的檔速。

為解決上述技術(shù)問題，本設(shè)計(jì)提供一種可以有N檔變速的超級變速系統(tǒng)。采用單片變速齒輪，在工作狀態(tài)時(shí)通過變速檔控制鋼絲繩，從而將齒輪分成8個(gè)相同的部分。通過變速檔拉動鋼絲繩，則鋼絲繩會牽動每個(gè)部分中的支桿使旋轉(zhuǎn)式分解輪框裂開，分成8個(gè)相同的部分。支桿在鋼絲繩得作用下做機(jī)械運(yùn)動，從而使旋轉(zhuǎn)式分解輪框分開的邊擴(kuò)大，以擴(kuò)大齒輪的周長。此時(shí)，與鏈條相嚙合的輪齒個(gè)數(shù)減少。但是，由于輪齒特殊的鉤型設(shè)計(jì)，使得輪齒能緊緊嚙合鏈條，從而達(dá)到變速的目的。松開鋼絲繩后，在回位彈簧的拉力作用下，各個(gè)部分回歸原位，超級變速齒輪恢復(fù)原樣。

本設(shè)計(jì)利用鋼絲繩、支桿、鉤型輪齒以及旋轉(zhuǎn)式分解輪框?qū)崿F(xiàn)變速的作用。由于旋轉(zhuǎn)式分解輪框變速時(shí)在鋼絲繩的牽引下會擴(kuò)大自己的半徑，相當(dāng)于使一個(gè)更大半徑的主動齒輪帶動從動齒輪運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)提高檔速的目的。由于旋轉(zhuǎn)式分解輪框在鋼絲繩牽引下擴(kuò)大自己的半徑是一個(gè)平滑且連續(xù)的過程，因此超級變速齒輪的設(shè)計(jì)使得變速從原來有限的檔速變化到了如今的N檔速變化。此超級變速系統(tǒng)可以更加方便地使自行車騎行人根據(jù)不同的地形選擇適合自己的檔速。

圖1、圖2和圖3為具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1為復(fù)位狀態(tài)，圖2為工作狀態(tài)，圖3為超級變速系統(tǒng)示意圖。

圖1 超級變速齒輪復(fù)位狀態(tài)

圖2 超級變速齒輪工作狀態(tài)

2.2.2 后輪驅(qū)動全足控三輪電動車

設(shè)計(jì)的目的是提供一種后輪驅(qū)動全足控三輪電動車，實(shí)現(xiàn)后輪驅(qū)動、踏板控制轉(zhuǎn)向、速度和剎車。同時(shí)，改進(jìn)整車結(jié)構(gòu)，使得重量分配更加合理。

后輪驅(qū)動全足控三輪電動車包括車架、后輪、座椅、后橋、推力桿、電池組、驅(qū)動電機(jī)、腳控臺、前叉和前輪。車架上裝有座椅和電池組，車架通過推力桿與后橋連接，后橋兩端對稱裝有后輪，車架前端裝有前叉，前叉下端裝有前輪，特征在于后橋上裝有驅(qū)動電機(jī)，并通過后橋驅(qū)動后輪以推動整車前進(jìn)。車架前端設(shè)有腳控臺，腳控臺上裝有轉(zhuǎn)向踏板、制動踏板、速控踏板和電源開關(guān)。

轉(zhuǎn)向踏板上裝有主動齒輪，前叉上裝有從動齒輪，主動齒輪與從動齒輪咬合連接。車架上裝有電子駐車制動器，后橋上裝有制動鼓，電源開關(guān)通過導(dǎo)線分別與電子駐車制動器和電池組連接，電子駐車制動器通過控制線與制動鼓連接，制動踏板通過制動拉線與制動鼓連接[3]。速控踏板通過線束分別與電池組和驅(qū)動電機(jī)連接。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作靈活簡單易行，具有駐車制定功能，使用安全可靠。

圖3 超級變速系統(tǒng)示意圖

2.3 具體實(shí)行方式

在原有的后輪驅(qū)動全足控三輪電動車的基礎(chǔ)上，改進(jìn)原有的速控踏板，把超級變速齒輪安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上作為主動齒輪，將后輪上的齒輪作為從動齒輪，主動齒輪由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，從而帶動從動齒輪轉(zhuǎn)動。超級變速齒輪的總變速鋼絲線接在三輪車上的前叉上，連接在變速踏板上[4]。

2.4 工作流程

智能變速代步車運(yùn)行流程，如圖4所示。車輛行駛時(shí)，通過左腳打開電源開關(guān)。電源開關(guān)通過電子駐車制動器控制制動鼓解除駐車制動狀態(tài)，同時(shí)電池組對驅(qū)動電機(jī)輸出電流，使得電機(jī)轉(zhuǎn)動。超級變速齒輪固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，電機(jī)帶動超級變速齒輪轉(zhuǎn)動，然后由左腳踩踏轉(zhuǎn)向踏板，轉(zhuǎn)向踏板通過帶動主動齒輪和從動齒輪，實(shí)現(xiàn)前輪的左右轉(zhuǎn)向。右腳踩踏速控踏板，速控踏板內(nèi)含有超級變速齒輪的變速總鋼線，當(dāng)速控踏板加速（減速）方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，速控踏板拉緊（放松）鋼絲繩，從而使得超級變速齒輪變大（?。?。在電機(jī)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下，后輪軸上裝載的從動齒輪轉(zhuǎn)速增加（減?。瑥亩沟煤筝喌霓D(zhuǎn)速增加（減?。筝喿鳛橹鲃虞啂诱嚰铀伲p速），使得車輛實(shí)現(xiàn)了N檔變速功能，且過程平穩(wěn)，增加了變速的舒適性。

圖4 智能變速代步車運(yùn)行流程圖

車輛行駛過程中遇到緊急情況需要減速或停車時(shí)，右腳松開速控踏板，踩踏制動踏板，制動踏板通過制動拉線拉動安裝在后橋上制動鼓實(shí)現(xiàn)減速制動。車輛停止后，右腳關(guān)閉電源開關(guān)，電源開關(guān)通過電子駐車器控制制動鼓處于駐車制動狀態(tài)[5]。

3 結(jié) 論

智能代步車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)專業(yè)性相對較高，真正適合用戶需求受消費(fèi)者歡迎的產(chǎn)品又需要專業(yè)技術(shù)與用戶體驗(yàn)的實(shí)際相結(jié)合。因此，好的代步車產(chǎn)品一定是擁有較高技術(shù)含量的產(chǎn)品。目前，我國產(chǎn)品創(chuàng)造的水準(zhǔn)越來越高，更多有創(chuàng)新性的產(chǎn)品層出不窮，技術(shù)方面完全可以滿足產(chǎn)品自身的需求。此外，通過專業(yè)技術(shù)人員的不斷研發(fā)，將會有越來越多高科技產(chǎn)品涌入市場，滿足消費(fèi)者的需求。