• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      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

      2015-04-12 08:35:24王一博劉博文
      黑龍江工程學院學報 2015年4期
      關(guān)鍵詞:代步輪轂車架

      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。

      [1] Essa.Segway次世代的移動方式[J].城色,2008(7):110-113.

      [2] 張培根,屠運武,張先舟,等.自平衡兩輪電動車[P].中國:CN 1502513A2004-6-9.

      [3] 程剛,屈勝利,劉學超.兩輪自平衡小車可控角度的推導研究[J].伺服控制,2008(6):51-52.

      [4] 胡仁喜.Autodesk官方標準教程系列[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

      [5] 蘇夢香,鄭超欣,王佳梅,等.基于 Autodesk Inventor的三維參數(shù)化設(shè)計方法[J].機械設(shè)計與制造,2007(6):168-169.

      [6] 趙雨旸.基于ANSYS的變速器齒輪有限元靜力學分析[J].黑龍江工程學院學報:自然科學版,2009,23(9):1-10.

      [7] 李現(xiàn)友,段偉.Inventor有限元分析模塊的實例應(yīng)用[J].包頭職業(yè)技術(shù)學院學報,2009(4):20-22.

      [8] 丁發(fā)興,余志武,溫海林.高溫后Q235鋼材力學性能試驗研究[J].建筑材料學報,2006(2).

      [9] 付建勛,李京社,汪春雷,等.Q235鋼楊氏彈性模量的研究[J].材料導報,2009(18):68-70.

      [10]張三川,彭楠,李霞.兩輪自平衡電動車的結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析[J].鄭州大學學報,2011(1):30-33.

      猜你喜歡
      代步輪轂車架
      基于ANSYS升降穿梭車車架力學分析
      抗壓痕透明粉在精車鋁輪轂上的應(yīng)用研究
      上海涂料(2021年5期)2022-01-15 06:09:26
      裝載機前車架加工工藝改進
      超迷你折疊代步電動車
      樂活老年(2019年4期)2019-05-20 06:42:28
      滿世界做車架日本篇
      中國自行車(2018年4期)2018-05-26 09:01:43
      基于CPS 的汽車輪轂制造系統(tǒng)設(shè)計
      從代步到騎行——重構(gòu)中的中國自行車文化
      中國自行車(2017年1期)2017-04-16 02:53:41
      基于ANSYS的輪轂支架結(jié)構(gòu)設(shè)計
      設(shè)計“奇葩”的代步工具
      新能源背景下的城市個人代步工具設(shè)計研究
      寿光市| 垣曲县| 郸城县| 芦山县| 壤塘县| 孙吴县| 宁陕县| 龙口市| 措勤县| 仙游县| 黄平县| 香河县| 象州县| 夹江县| 喀喇| 琼海市| 越西县| 河西区| 蓬溪县| 布尔津县| 宝清县| 福泉市| 延庆县| 安乡县| 合肥市| 郑州市| 盖州市| 铜山县| 肥城市| 宝清县| 兴文县| 酉阳| 司法| 社会| 兰坪| 和静县| 泸西县| 天全县| 石屏县| 新闻| 北京市|