两轮平衡车的结构设计【电动平衡车双轮成人代步儿童智能体感扭扭车两轮自平衡思维车扶手】【含说明书+CAD图纸+UG三维图纸】

附录ATray selection and with the shelves, forklift matchFirst, the selected tray Size:When used plastic pallets, according to the requirements of the project, the selected size will be different.1. First, consider the specifications and packaging of goods placed in the plastic tray method.For example: the European standard turnover box size is 600 * 400mm, 1200 * 1000mm pallet in place a layer of 5 in 1200 * 800mm layer placed on the tray 4, the general stacking 5 layers.2. Consider the pallet loading tools (such as containers, trucks, etc.).For example: If you are working round-trip or one-time use, you need to give priority to the width of 2300mm of integrated container shipping, for 1200 * 1000mm pallet, length 1200mm and width 1000mm to use a combination of place, must be selected to enter the fork 4.The tray on the 1200 * 800mm, 800mm width direction with two side by side.The pallet of 1100 * 1100mm width by 1100mm, placed 2, 2, or 4 to enter the fork into the fork can be.3. If used in the warehouse shelves, shelves to consider the size of width and depth, usually select the shelves each placed two trays of each cargo space, and allow access to the space of about 200mm.In depth direction as far as possible to give large size, this does not produce plastic pallets carrying capacity of the stringent requirements in order to save procurement costs.4. If the use of automated warehouse shelves, in addition to meet the above requirements, but also take into account the slip coefficient of the tray, the tray bottom with transmission equipment and chain, into the fork height, carrying capacity on the shelves, permanent deformation,length of surface deflection, the position of bar coding and RFID chips placed on other factors.5. Use plastic trays should also consider the size of generality, the size of the domestic common international standard for the 1210, 1208 European standard and T11 Japanese standard tray.Second, the choice of single and double-sided:1. Single use plastic pallets only one side, the surface grid of two peace-plate, the bottom of Sichuan fonts, font, or nine square field pad feet, according to carrying capacity and the use of different occasions into shelf series,standard series and ultra-light series of three standards.2. Sided plastic tray that the same structure on both sides of the tray, the surface grid plate of peace are two sides to exchange used, based on carrying capacity and the use of different occasions, the shelves are divided into two series and standard series standards.3. Use double-sided tray or trays should be based on the appropriate storage, loading and unloading equipment and state (such as the library type, rack type, stacking or placing the state, etc.) to determine.4. For the small footprint of the ASRS or high shelves, or electric stacker forklift to move vertically oriented occasion, single-sided double-sided shelf series shelf series of trays and trays can be chosen.5. If the three-dimensional library or load up on the shelves of 1T, but there is no ceiling shelves, the proposed shelf tray with built-in pipe.Steel structure steel tray built an effective solution to the product on the shelf load the greater the greater the weight, the old problem of high cost, more importantly, about the use of square steel tube wall thickness of 2mm rigid, reaching the shelves(ASRS) are horizontal and vertical deflection 10mm stringent requirements, while reducing the permanent deformation and reduce costs.6. For the area, mainly the large and the level of the occasion, if the manual handling hydraulic pallet truck is suitable for use single-sided tray.For stacking of goods to the bottom of the tray above and below the cargo coincide, the swastika with the end of double-sided tray or tray-type side is better.If using self-moving motorized pallet trucks are suitable for articles not connected with the bottom of the nine feet single tray.Third, the load requirements1. Dynamic load refers to the use of electric forklift or a manual hydraulic pallet truck can lift the maximum weight allowed.General shelf tray to load-bearing 1.5T-2T, the standard load-bearing pallet can 1T, lightweight tray dynamic load 0.5T.2. Static load refers to the stacking, the bottom of the plastic tray can bear maximum weight.General shelf tray to load-bearing 6T-8T, the standard load-bearing pallet can 4T, lightweight tray static 1T.3. Shelf load refers to the plastic tray packaging on the shelves when the maximum allowable weight.Must pay attention to dynamic load, static load, load library shelf load and establish the difference between carrying capacity and shelves of different structures, closely related to ambient temperature and storage period.General heavy trays on a shelf in load-bearing beams 0.7T-1T, standard tray loading 0.4T-0.6T.4. Shelf load permanent deformation of the plastic tray and deflection have certain requirements, national standards for the maximum deflection 30mm, but this was partial width.We recommend using the deflection on the shelf no more than 20mm of plastic pallets.If the automatic warehouse, the requirements of the degree of deflection even more stringent, generally require less than 10mm.Cheng Machinery silver mesh)附录B电动平衡叉车是以直流电源（电瓶）为动力的装卸及搬运车辆。据国外资料统计，日本1992年电动叉车产量就已经超过了叉车总量的1/3。在德国、意大利等一些西欧国家，电动叉车所占的比例达到50%左右。电动叉车的迅速发展主要得益于各生产厂家的不断进步。产品外形大多采用了流线型设计，造型更加美观。主要生产厂家实现了规模生产和零部件专业化生产和装配流水线作业。加工精度、自动化程度都提高了。在新材料、新工艺方面，最重要的体现是晶体管控制器（SCR和MOS管）应用。它的出现使电动叉车的使用性能得到很大的提高，从总体上说，电动叉车的耐用性、可靠性和适用性都得到显著提高，完全可以与内燃机叉车相抗衡。 本文主要评述市场上销量较大的四支点电动平衡叉车的结构特点及发展。车体是叉车的主体结构，一般都是由5mm以上钢板制成，其特点是无大梁，车体强度高，可承受重载。 就电瓶在叉车车体上的放置位置而言，有两种不同的制造技术。即电瓶安置于前后桥之间或后桥之上。 这两种技术代表了叉车设计的两种最优选择，且各有优缺点，稳定性好，但是车体内的可利用空间较小，因此限制了电瓶的容量，这对于载重量不超过3t的叉车并不突出，但对于那些运动情况复杂，8h工作时间内电瓶容量要求高的大吨位叉车就变得严重了。 采用大容量电瓶，以延长电动叉车的持续工作时间，从而扩大电动叉车的使用范围，这是各叉车制造商共同追求的目标。 例如，STILL公司的R60/40系统叉车，由于采用了第一种技术，其最大的电瓶容量为80V，870A.h;69.6kW.h,而CARER公司的R40叉车由于采用第二种技术，电瓶容量达到960A.h;76.8kW.h（高出了10.35%）。在LINDE公司采用第一种技术的E40系列叉车上可安装电瓶的最大容量为735A.h,58.8kW.h。同样规格的CARER公司叉车，由于采用了第二种技术，可安装电瓶的最大容量增加30.6%。 第二种情况，当电瓶布置在叉车后桥上时，叉车的重心提高了，整机稳定性受到影响，由于叉车的高度增加，司机的座位提高，因而司机在操作时视野更开阔，特别是搬运体积大的货物时就更适用了。当电瓶安置在后桥上，电机和液压泵的维修更方便，因为拆走电瓶和脚踏板后，电机和液压泵便一目了然。 目前，国内企业生产的电动叉车，大多采用的是第二种技术，而国外企业则两种情况都有。 2 门架 目前，国内外电动叉车大部分已经采用宽视野门架，起升液压缸由中间放置改为两侧放置。液压缸的放置位置有两种：一种是液压缸位于门架后面，如抚顺叉车厂和TOYOTA的电动叉车；另一种是液压缸位于门架外测，如南京华瑞电动叉车和BALKANCAR叉车。CARER公司的R40/45系列电动叉车的液压缸位于门架外侧，R50/60/70系列叉车的液压缸则位于门架后面。 门架一般分为标准型、两节型或三节型。国内叉车的起升高度一般在25m之间，且以3m及3m以下的居多，而国外电动叉车的起升高度一般在26m之间，由于仓库的立体化程度高，因此起升高度3m以上，电动叉车的需求量比国内高得多。 3 驾驶室 由于多数电动叉车用于室内搬运，因此一般没有封闭的驾驶室，只安装起防护作用的护顶架。世界上比较先进的电动叉车，如：LINDE的E20新型叉车驾驶室，按先进的人机工程学原理开发研制，采用舒适的液压减振悬挂式座椅，能够根据驾驶员的身高和体重进行调整。双踏板加速系统在叉车改变行驶方向时无需转向，方向盘立柱的倾角可根据驾驶员的要求进行调节。中心液压操纵杆集门架的升降和前后于一体。所以这些新设计都大大地减轻了驾驶员的劳动强度。 4 驱动系统 驱动系统是电动叉车的关键部件之一。各种叉车在驱动系统的结构上存在很大的差别，有单电机布置形式上也存在差别，如国内抚顺产的叉车，其电机轴与驱动桥为丁字型结构，而国外TOYOTA和BALKANCAR叉车的驱动电机轴与驱动桥却是布置的，结构紧凑。LINDE的E20电动叉车和CARER的P50叉车的前轮驱动是由两个独立的电机来完成的，电机与驱动轴平行放置，结构紧凑。由于是双电机驱动，加速和爬坡性能好，牵引力大，采用了电子整速系统，替代原来的机械差速系统，使用性得到了很大的提高。 5 液压系统 电动叉车一般都采用单独的电机，带动齿轮泵，从而为其门架工作系统的提升和倾斜提供液压动力。目前国产叉车，由于没有实现液压电机的调速，液压电机在启动后，只能高速转动，不会随着功能和压力的改变而自动调节，多余的流量只能通过溢流阀流回油箱，造成能量浪费。国外新型叉车，如LINDE的E20电动叉车，采用了先进的液压脉冲控制技术，液压泵脉冲控制器能够根据液压回路的反应，自动平衡电机速度与用油量，从而节约电能，这种控制的优点是电源利用率高，无电压峰值，液压系统的噪声低，液压元件的磨损也低，从而大大地提高了整车的可靠性和使用寿命。 6 制动系统 一般的电动叉车主要采用机械式停车制动和液压式行车制动。停车采用手制动，行车采用脚制动。 NISSAN公司BX系列电动叉车制动系统装有一个主导真空增压器，可保证任何时候都有足够的主动压力，既增加了制动的安全性，又减轻了驾驶员的劳动强度。 CARER电动叉车采用液压制动系统。膨胀型制动有外部控制，并采用动力辅助制动（与动力转向系统的动力形式相同）。 SCR 和MOS管的使用，使电瓶叉车的制动能量再生成为可能。能量再生过程也就是一个电子制动过程，电子制动在以下三种情况下产生： （1）松开加速器控制踏板时。 （2）踏下反向的加速器踏板时。 （3）踏下液压制动踏板的第一级时。 对于LINDE的E20和CARER的P50电动叉车，当初次或者轻轻踏下制动器时，牵引电机将变成一台发电机，将电能补送回电瓶，而不象一般叉车制动时将能量白白地浪费掉。只有在进一步制动时，液压制动才真正起作用。这种制动系统的优点是延长了每次充电后的工作时间，减少了制动系及传动元件的磨损，也减少了维修的停工时间，因而降低了使用成本。 7 转向系统 平衡叉车都采用后轮转向，且工作范围小，转向运动频繁。如果采用机械转向，则驾驶员的工作强度会很高。如果采用液压动力转向，则劳动强度会大大降低。因此，现在市场上销售的叉车基本上实现了动力转向。国内电瓶叉车的液压转向一般是转向电机在叉车工作过程中不停地满负荷运转，因此造成了不必要的能量浪费，以及电机和液压减的磨损。但是，LINDE 和NISSAN等公司的电瓶叉车，其动力转向则更进了一步，即通过方向盘不动时，则转向电机不工作。此功能不但节约能量，还延长了再次充电后的可工作时间，缩短了转向电机的空转时间，因此也减少了电机和液压泵的磨损。 日本小松公司的电瓶叉车采用EPS速度传感器动力转向。该系统是“负荷感应型”转向，带有一个伺服制动和动力液压转向型优先配给阀。动力转向系统使用提升电机的动力，能自动选择转向所需的最佳力。 8 电控及其自我诊断和液晶显示系统 电气控制是显示电动叉车技术水平的一个重要因素。因此，随着电子技术的发展，电瓶叉车的电控也日趋完善。电动机控制器的发展主要经历了以下几个阶段： （1）电池直接启动，仅靠复杂的调整或电池的放电控制。 （2）电阻器启动。控制能量损失大，只可有限地分解速度。 （3）晶闸管控制器（也叫可控硅控制器）控制。 晶体管控制使可靠性大大提高。 （4）双极晶体管控制。与晶闸管相比，使用更加简单，但是电路的可靠性要求比较高。 （5）MOS场效应管（即金属-氧化物-半导体场效应管）控制。门极驱动电流小，并联控制特性好，正向电压降较小，开关损失降低，MOS场效应管比双极晶体管的控制特性更好。由于减少了元器件，并采用全封闭装置，可靠性大大提高。通常SCR（可控硅）控制器的插座电压为11.5V，而MOS场效应管控制器的插座电压0.25V。MOS管场效应管的工作效率更高，允许的最高速度更大，操作噪声更小，保护措施更强，所以的用户电源都有防短路保护装置，并且具有独特的三项安全保护措施，即软件自动保护措施，硬件自动保护和硬件自我诊断保护。 晶体管斩波器在叉车上的成功应用，除了实现无级调速和再生性制动外，还增加了自我故障诊断和液晶数字显示功能。 日本小松公司电动叉车装有液晶显示控制器，用各种符号作代表，具有可读性。指示器对可能出现的错误向驾驶员发出警报，包括松开和锁定停车制动器，安全空挡联锁装置和电瓶的过量放电，显示出各种数据包括电瓶放电量，电解液量，工作时间和行驶速度等，可以随时向驾驶员报告可能出现的故障，大大方便了叉车的维护与保养。同时，可以向驾驶员提供行驶速度和叉车载重量等参数，也为驾驶员的科学操作提供了依据，从而延长叉车的使用寿命。8两轮平衡车的设计 摘 要两轮自平衡车结合了两轮同轴、独立驱动、悬架结构和倒立摆模型的自平衡原理，是一种在微处理器控制下始终保持平衡的集智能化与娱乐性于一体的新型代步工具。整车由底盘、动力装置、控制装置和转向装置组成。底盘采用下沉式的悬架结构，降低车身和使用者的重心减小了平衡控制难度,利用阻尼器削弱冲击力提高驾驶舒适性；控制部分由陀螺仪和加速度计作为传感器模块监测车体状态，可获得精确稳定的测量数据。同时微处理器实时处理状态数据，进而由驱动模块控制电机转动以维持车体平衡；转向操纵杆高度可调节亦可折叠，以适应不同高度人士使用又便于运输和存放；采用电池作为动力能源，当车减速或下坡时可自动回送电能更加节能。 两轮自平衡车的基本设计理念是娱乐、经济、安全、方便、节能环保。本车具有运动灵活、智能控制、操作简便等特点，同时它价格低廉、性价比高，娱乐性和适用性增强，弥补了传统观车辆的体积大、功耗多，不适于单人使用的缺点。两轮自平衡车适用范围更广，市场需求大，具有很强的市场推广价值和市场潜力。关键词：两轮自平衡电动车，环保， 结构设计，陀螺仪，控制电路。 第一章 绪论 在研究两轮自平衡车技术中主要涵盖了机械和电子两大系统技术，机械系统中研究的是各个机构的特点，机构的分析以及所研究机构的应用领域所发挥的功能等。而电子系统中要完成的是对整个机构系统的精确地控制、调节及有关信息的反馈。目前而言，自平衡车的应用范围很小，相关的技术已经臻于成熟，但还有待于进一步的发展优化，以便应用于更广的领域。 图1. 市场上的两轮自平衡代步车1.1课题研究的背景及意义1.1.1两轮自平衡车的研究背景 随着社会的不断发展，能源消耗，环境污染，交通拥挤，生活空间狭小的问题不断出现，个人认为解决这些迫在眉睫的问题，也需要我们贡献自己的一点力量。目前市场上出现了两轮自平衡代步车（图1），因其技术含量较高，占地面积小，灵活性和路面通过性强，非常适用于大型商场、机场、展览馆、博物馆、体育馆、广场等室内外场所工作人员、购物者、观众的代步工具。本文将对相关方面的技术作进一步的研究。1.1.2 研究意义 两轮自平衡车运动灵活、智能控制、操作简便，适于单人使用且适用范围广，增加了人们对外出活动的兴趣，减少人们的运动强度，解决人们时间不充足的问题。本产品结合了两轮自平衡系统的特殊机械结构和智能化的控制系统特点，其研制意义可归纳为： 该车作为载人行驶的代步工具，可根据需要将该车改造为大型商场、机场、展览馆、博物馆、体育馆、广场等室内外场所工作人员、购物者、观众的代步工具，因而具有一定的使用价值和市场价值。 自平衡系统自身的特点和倒立摆一样，可以作为一类研究对象进行各种控制算法的研究与验证，用于检验新型控制技术的正确性，也可在教学中作为典型实例进行讲授。以本产品为基础，改造成适合工业或民用的两轮移动机器人。两轮移动机器人拥有传统轮式移动机器人的灵活性、机动性、适应性等特点，是智能机器人领域中一个崭新的研究方向。采用电能作为动力能源，节能环保，有助于缓解环境问题、能源问题。 该平衡车操作简单，智能控制，性价比高，适用范围广，有一定的市场潜力。1.2 两轮自平衡车在国内外的研究现状1.2.1 国外研究状况两轮自平衡小车的相关研究始于1987年，两轮自平衡系统首先是由日本学者由日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授提出类似的设计思想。1986年，该国的Kazuo Yamafu ji教授突发奇想设计了一个两轮同轴、重心高高在上的模型。在这个模型中，电机和控制芯片设计在上部，靠很多个陀螺仪来监测模型的姿态。受当时计算机和传感器技术的限制，Kazuo Yamafu ji的两轮自平衡模型只能沿着事先设置好的轨道行驶。而无法完成预期的目标，但随着研究的不断深入和技术的不断发展，取得了一定的成果。美国发明家Dean Kaman于1995年开始秘密研制，直到2001年12月才将这项高度机密的新发明公布出来，2003年3月正式在美国上市（图2）。它的工作原理主要是建立在一种与人体的平衡能力相似的，被称为“动态稳定” 主要通过内置的精密固态陀螺仪、倾斜传感器以每秒100次的频率来判断车体姿态，测出驾驶者重心，透过精密 且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，通过驱动马达来做到动态平衡的效果。以每秒高频次的频率进行细微调整，不管什么状态和地形都能自动保持平衡。假设 我们以站在车上的驾驶人与车辆的总体重心纵轴作为参考线。当这条轴线发生偏折时，系统会自动平衡。 图2美国研制的平衡机构 当今时代不少国家都对两轮自平衡系统的研究有了更深入的研究。2002年，美国的Dan Piponi设计的机器人只适用于平坦路线。同年，瑞士以Felix Grasser为首的一个研究小组制作设计了一个钢结构的可以远程控制的两轮自平衡机器人，实验结果令人满意。美国科学家David P.Anderson研发的两轮自平衡机器人（图3）。比如通过控制可实现其本身的零半径回转，可实现更为复杂的运行环境。 图3 两轮自平衡机器人 2005年，自行车系统的平衡控制理论取得突破。日本的村田制作所向公众展示了其最新研究。随后的几年时间里两轮自平衡车无论是其控制系统还是机械结构的优化选择方面都取得了长足的发展。 1.2.2 国内研究状况 国内对两轮自平衡系统的研究起步较晚，但也取得了很大的进步。2003年台湾国立中央大学也制作了一个两轮自平衡模型，并通过模糊控制理论对其进行了控制，可实现相关功能的应用。2005年，哈尔滨工业大学的一个研究小组研制出一个两轮自平衡机器人的样机（图4）。依靠的基本原理是陀螺仪来检测车体的姿势，通过电动机来驱动小车的运行。 图4 两轮自平衡机器人的样机 近年来科学技术的不断发展，随着对两轮自平衡小车研究的深入,国内平衡车机械结构、控制系统的不断完善，我国在这领域的研究也取得不断地发展。 设计两轮平衡车主要克服的问题是其结构设计，材料选择等方面突出其体积小，节能减排的理念。而平衡车平衡控制的实现，依靠控制系统中硬件部分控制电路设计，传感器模块中参与信号参数检测的陀螺仪及加速度计及软件部分的控制器。1.3 本文主要完成的内容结构 以机械设计理论为基础，参阅机械专业相关文献，提出两轮自平衡电动小车的整车结构方案，并对其中的某些关键零部件进行设计和分析。全文共分为六章 第一章为绪论，阐述了两轮自平衡小车的课题背景和研究意义，介绍了国内外平衡小车的发展现状，并对本文的研究问题给予了说明。第二章为总体的设计，包括设计目标，总体结构设计，平衡车的工作原理。 第三章为机构设计主要包括车身，车架结构，悬架的结构，配电箱设计，动力装置，控制装置，转向装置，以及对本章的小结。并借助机械设计软件绘出具体模型。 第四章为控制系统的硬件系统和软件系统，主要包括单片机，传感器，电动机驱动器，控制程序及控制电路等。 第五章为研究课题的结论。 第二章 总体设计2.1 设计目标 两轮自平衡小车的设计主要分为两个大部分。一是机械结构系统，二是控制系统。机械部分包括:车身、车轮、车身上支架、悬架、轴承、连杆等机械结构，主要功能是承载硬件电路，搭建工作平台。控制系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括直流电机、驱动器、传感器、单片机、电源、电源转换电路、处理器以及外围扩展电路等。软件系统为控制程序和控制电路。2.2 总体结构设计 两轮自平衡小车整车机械结构包括车身、动力装置、控制装置和转向装置四大部分。 图5小车结构 图6 车身部分结构 1车把 2伸缩调节杆 3伸缩调节器 4储物篮 5电位器 6脚踏板 7挡泥板 8车轮 9车身骨架 10电机 11螺栓 12车架-悬架连接器 13弹簧悬架2.3 自平衡车的工作原理两轮自平衡电动车的平衡原理来自于倒立摆模型，由于两轮自平衡电动车的双轮平行布置在车体的左右两端，且载人时重心在双轮轴心正上方，所以它相当于一个倒立摆，是不稳定体，车体总是要向前或向后倾倒。当检测到车体向前倾斜时，内置的精密电子陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密 且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，通过让电机加速旋转来产生一个向前的加速度，这个加速度使得在双轮轴心上方的重心向后摆动，这就抵消了车体的向前倾斜，使车体的重心回到两轮中心轴的正上方，从而在竖直方向保持平衡。这一平衡是动态的，为保持车体竖直不倒，必须不断检测车体倾斜姿态，根据倾斜状况驱动电机前进或后退，来克服重心偏移现象，保持车体平衡。假设我们以站在车上的驾驶人与车辆的总体重心纵轴作为参考线。当这条轴往前倾斜时，平衡车车身内的内置电动马达会产生往前的力量，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩；一方面产生让车辆前进的加速度。相反的，当陀螺仪发现驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。这就是自平衡车系统所达到的的“动态平衡”。而方向控制上驾驶人只要改变自己身体的角度往前或往后倾，平衡车就会根据倾斜的方向前进或后退。而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比。原则上，只要平衡车有正确打开电源且能保持足够运作的电力，车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能，这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大大不同。两轮自平衡车平衡条件 图7 两轮自平衡系统受力分析 上图为自平衡车在坡度为的路面上行驶的动力学分析模型。假设某时刻车身相对于竖直方向有一倾角, 且在车轮上施加一顺时针方向的力矩, 使车轮沿坡面向上加速滚动, 由于惯性, 车身将有可能不绕车轴A发生转动, 而只发生平动。此时, 路面对车轮的静摩擦力为临界驱动力。 忽略空气阻力和车轮滚动阻力, 可以得到和具有以下关系： (1)式中：为临界驱动力矩;为临界驱动力; 为车轮质量; R为车轮半径。 对于=0时的临界驱动力, 其表达式： （2）式中: m1为车身(包括驾驶员)质量。当时具有更一般的形式： （3） 显然式(2)是式(3)在= 0时的特殊情况,即(3)对=0的情况也适合。将式(3)代入(1), 得： (4)若使, 车身将绕轮轴A逆时针转动,最终回到竖直位置。 第三章 机械结构系统3.1 车身 图8 车身结构 车身机构的设计中车架由方管（型号Q235，50-50(1.0-5.0)）焊接而成, 车架承受车身(含驾驶者)重力和悬架弹簧的支反力。和悬架一样, 可以认为4个支承点是固定的，车架只承受来自车身的压力。主要基于该车身结构能有一定的承载能力，保证机构的稳定性。材料选择质轻，结构强度大的，以便节省材料。3.1.1 悬架 悬架采用钢板(汽车用钢板（GB3273-89）, 厚度2.5mm)和槽钢(5#,高度腿宽腰高=50324.4)焊接而成。由于车身对悬架的压力是一个激振载荷(该激振频率受悬架弹簧参数决定), 因此悬架的自振频率必须和该激振频率错开, 以免发生共振。忽略对悬架力学性能影响不大的弹簧导向柱和一些圆角。 悬架是平衡车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证车能平顺地行驶。悬架是平衡车中的一个重要组成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到平衡车的多种使用性能。 典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。 图9 汽车悬架图 考虑到自平衡电动车的体积，悬架设计时体积不宜过大，要做到简单轻便。 图10两种不同的悬架设计图 悬架弹簧是悬架装置中最重要的部件，其刚度不能过大也不能过小。刚度过大则悬架柔度不够，起不到缓冲作用;如果刚度过小，则振幅会明显变大，造成行车过程中的剧烈颠簸。故有必要对其进行详细设计。这里根据实际情况，要求悬架弹簧外径满足即可，根据工作载荷范围( 300N1300N)，工作行程(定为15mm)，弹簧外径( D45mm)可以得出每个悬架弹簧的主要参数，设计结果如表2所示。 表 1 悬架弹簧主要参数材料 中径/mm 有效圈数节距/mm 极限载荷/N 刚度/(N*mm- 1)4C级碳素 40 2. 5 14. 5 417 15. 8 也就是说，当车身在垂直方向上有震动后,悬架弹簧对悬架的反力将以22.5Hz的频率发生。从以上的不同的悬架形式中，根据研究分析可设计为 图11悬架机构3.1.2 车轮 车轮有两个作用，首先它要承受车身载荷，因此强度要足够;其次，车轮内部安装有减速器等零部件，相当于一个容器。对车轮提出以下要求:强度足够;质量尽可能小;结构尽可能简单，易于制造。 图12 车轮结构 图13摩托车轮胎由上表可知，轮惘尺寸为： 轮惘宽度x轮辆外径=1.85inch x 18inch=47mm x 457mm 车轮的轮毅的外径由决定，轮毅的外径等于齿圈尺寸这个数字加上两倍的安装齿圈处的厚度。 车轮的轮毅的长度由轮轴长度决定。至于轮辐，它的形状比较自由，只要满足强度和刚度要求就可以了。3.1.3 惰轮 体积较大的惰轮采用玻璃纤维纤增强型PA66制造, PA66强度中等, 因具有良好的自润滑性而广泛用在润滑条件不良或不便润滑的中轻载传动场合, 加入玻璃纤维后强度得到显著提高。考虑到PA66在高温时强度急剧下降, 故与之啮合的齿圈和中心小齿轮均采用导热性能较好的金属材料制造。为保证强度, 在分析时必须使用最恶劣的工作状态. 按照设计要求和初期设计结果, 将代入式(4)解得： 惰轮驱动2只车轮, 而齿圈分度圆半径为, 故每只惰轮与齿圈间的圆周作用力为： 3.1.4轮轴 轮轴是车轮的中心部件，它通过一些轴承、键等与车轮内的其它零部件构成连接。负载产生的重力对车轮的压力比较大，轮轴承受很大的力，因此在尺寸上不能太小。一方面，轮轴不能做得过粗，否则将不可避免地增加中心小齿轮的分度圆直径，这对提高传动比是极为不利的(轮壳尺寸有限);另一方面，轮轴也不能做得细，因为太细一方面会使内侧轴承过小，另一方面会降低轴右端键的强度。我们在定子右侧设计一凸台。 图14定子右端凸轮 为简化问题, 按全部载荷作用于齿面上部来计算齿根的弯曲强度。限制惰轮中央的所有自由度, 将载荷换算为压强, 施加在节圆与齿顶圆之间的齿面上。从惰轮的受力分析经验结果可以得出, 惰轮轮齿会发生变形, 最大位移发生在为齿顶部位,惰轮最大等效应力发生在齿根部位, 故惰轮保证该部位的弯曲强度符合要求即可。3.1.5配电箱 配电箱是按电气接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中或屏幅上，构成低压配电装置。正常运行时可借助手动或自动开关接通或分断电路。故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警。借测量仪表可显示运行中的各种参数，还可对某些电气参数进行调整，对偏离正常工作状态进行提示或发出信号。 （1）应考虑到配电箱的材料，考虑其散热问题。 （2）配电箱的体积应尽可能的做大，可放置更多的蓄电池。 （3）配电箱离地面的位置不宜太低，防止摩擦，破坏内部结构。3.2 动力装置 本车采用无刷直流电机。无刷直流电机具有效率高，启动转矩大，过载能力强，操作性能好，结构简单、牢固，免维护或少维护，体积小，质量轻等优点。电机输出动力后经减速器降速来提高输出扭矩同时降低了负载的惯量，更有利于维持车体的平衡。 简单的讲，一般的永磁式直流有刷电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在其气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生反映磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停的旋转。为了实现无电刷换向的目的，直流无刷电动机一般将其电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。它采用转子位置传感器代替电刷，依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路实现与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，达到换相的目的，从而使电机工作。 图15 无刷直流电机 电源采用铅酸蓄电池。虽然铅酸蓄电池体积偏大，重量较重，但具有技术成熟、价格低廉、安全性高、较高的容量，较大的放电能力并可以免维护使用等突出优点。两轮自平衡电动车自身重量小且承载量不会超过1个人，速度限制在 15km/h以下也不用于远距离行驶,因此采用2节12V电动自行车铅酸蓄电池串联组成 24V供电电源.既满足使用要求又价格低廉，购买和更换都很方便。 图16铅酸蓄电池 3.3 转向控制装置 图17操纵杆主体结构及内部传感器安装位置转向操纵杆由两个螺栓与车身连接，可以左右摇。采用旋转变阻器作为转角传感器安装在操作杆与车身的连接处，它直接输出与操纵杆的转角成正比的电压值。行驶过程中运算模块根据此电压值控制向左或向右转弯及转弯角度。同时驾驶者身体的倾斜也提供一部分向心力，减小转向阻力使转向更容易。同时操纵杆高度可调节以适应不同高度时也可折叠以减小占用空间。 图18平衡车结构 3.4 两轮平衡车的装配 由上述分析过程可知，该平衡车包括：两个车轮，两个悬架，车身（包括配电箱）及操纵杆。 结构连接部分为悬架和车轮之间靠4个螺钉连接且可以相互转动；车身通过连接构件被螺母压紧在悬架弹簧上；操纵杆则是靠2只螺栓和车架固定。在操纵杆与车身连接的部分用防尘罩罩住，目的为了防止该结构生锈。 图19 两轮平衡车装配图3.5本章小结本章的研究内容主要包括了自平衡车系统中的机械结构的研究，有车身的设计，谈到了悬架的设计优点及其作用，还包括了车轮，配电箱的注意事项。控制转向装置的操纵杆的分析了解以及动力装置电机电源的选择。 参考文献1. 张培仁, 屠运武等。 自平衡两轮电动车: 中国, 1502513AP. 2004-6-9。2. 周惠兴, 赵建萍. 两轮自平衡电动车P. 中国专利,2008-4-29。3. 程刚, 屈胜利, 刘学超。两轮自平衡小车可控角度的推导研究J. 伺服控制, 2008( 6): 51-53。4. 李言俊，张科，系统辨识理论及应用，国防工业出版社，20034。5. 崔万安， 电动自行车构造与原理M. 北京: 人民邮电出版社, 2008。6. 成大先， 机械设计手册M. 北京: 化学工业出版社, 2004。7. 两轮自平衡电动车的结构设计与有限元分析 张三川，彭楠，李霞(郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）