两轮自平衡电动车机械结构设计与有限元分析

论文摘要

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。

论文目录

• 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