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《郑州大学》 2010年
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两轮自平衡电动车机械结构设计与有限元分析

彭楠  
【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。
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