两轮自平衡电动车机械结构设计与有限元分析

摘要

两轮自平衡电动车和两轮自平衡机器人同属于两轮自平衡系统,只是在性能和安全上,前者提出了更多的较为苛刻的要求。近年来国内外对两轮自平衡机器人的控制研究较多,但针对其机械结构的研究却较少,尤其是对两轮自平衡电动车的研究更是少之又少。
　　本文总结了国内外相关领域的研究成果,在此基础上结合车辆设计理论,对两轮自平衡电动车的机械结构进行了建模和分析。
　　所做的具体工作如下:
　　1)对两轮自平衡系统进行动力学分析,得到其动态平衡的必要条件,为后续设计和分析提供依据。
　　2)对两轮自平衡电动车进行结构设计,克服了国内相关专利的缺点。将中速电机和减速器集成在车轮内部,有利于提高电动车动力性能和工作效率;下沉式悬架设计不但使电动车舒适度增加,还可以降低动平衡控制难度;大量使用铝合金型材作为原材料,使电动车在满足力学性能的前提下重量却被限定在一定范围之内。从设计结果来看,达到了预期的目标。
　　3)运用大型有限元分析软件ANSYS对车体中的关键部件进行力学分析。通过分析发现,所有零部件力学性能均满足要求,这说明先期设计是比较合理的。部分零部件刚度和强度裕度较大,通过优化,使其在保证力学性能的前提下重量大幅下降,实现了轻量化设计目的。
　　4)针对轻型电动代步工具起动、爬坡时动力不足的问题,本文以研究两轮自平衡电动车为契机,提出了一种全新的可自动换档的结构方案。当车速在某一临界值以下时,以低速档运行,以获得较好的力学性能;当车速达到并超过某一值时,自动换入高速档,以满足速度要求和充分利用电机的转速范围。
　　文中还对这种方案进行了粗建模。为给方案中一个关键部件的详细设计提供依据,文中设计了一台实验机,并附带给出了所有相关图纸。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 本章提要

1.2 课题背景

1.3 国内外研究综述

1.3.1 国外对两轮自平衡机器人的研究

1.3.2 国内对两轮自平衡机器人的研究

1.3.3 国内外对两轮自平衡系统的实用化研究

1.4 两轮自平衡车的研究意义

1.5 本文的研究内容

2 同轴两轮自平衡原理与控制

2.1 本章提要

2.2 两轮自平衡系统的动态平衡原理

2.3 两轮自平衡系统平衡控制

2.4 本章小结

3 两轮自平衡电动车结构设计

3.1 本章提要

3.2 总体方案设计

3.3 电动减速轮设计

3.3.1 电动减速轮结构方案设计

3.3.2 电动减速轮详细设计

3.4 两轮自平衡电动车悬架设计

3.4.1 悬架简介

3.4.2 两轮自平衡电动车悬架设计

3.5 两轮自平衡电动车车架总成设计

3.5.1 车架设计

3.5.2 配电箱设计

3.5.3 车身装配

3.6 两轮自平衡电动车操纵杆设计

3.7 两轮自平衡电动车总装配

3.8 本章小结

4 关键零部件的有限元分析

4.1 本章提要

4.2 ANSYS简介

4.3 轮轴的有限元力学分析

4.4 惰轮的有限元力学分析

4.5 惰轮架的有限元力学分析

4.6 悬架的有限元力学分析

4.7 车架和配电箱的有限元力学分析

4.8 本章小结

5 可自动换档的两轮自平衡电动车结构设计

5.1 本章提要

5.2 可自动换档的电动轮换档方案的确定

5.2.1 设计的目的及要求

5.2.2 两种不同的换档方案

5.2.3 两种换档方案的比较

5.3 可自动换档的电动轮设计

5.4 适应自动换挡的悬架和车架设计

5.5 总装配

5.6 本章小结

6 自动换挡钢球推出试验装置设计

6.1 本章提要

6.2 设计内容

6.3 试验装置结构

6.4 试验机工作原理

6.5 试验机零件图和装配图

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 领域展望

参考文献

致谢

附录A 配电箱最大尺寸求解及证明

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果