电动滑板车设计

摘要根据公安部交管局统计，截止2015年底，机动车全国保有量已达到2.79亿辆。汽车是带给了人们出行的方便，但是，交通拥堵与环境污染的现状都是我们不想看到的。公交与地铁虽然是较环保的交通工具，然而，它们也不能解决人们最后一公里的困扰。电动滑板车作为一种轻巧时尚的新型代步工具，广受青少年的青睐。它体积小、质量轻、造型美观、驾驶方便，是人们在日益拥堵的交通环境下最易选择的一种交通工具。在此，首先对该产品外形进行结构设计，以达到造型上的美观。然后设计合理安全的控制系统，让人们能够享受轻松自由的驾驶乐趣。最后运用CATIA进行三维建模，设计一款动感时尚的简易滑板车。关键词：电动滑板车；PWM调速控制；CATIA建模AbstractAccordingtothestatisticsofThePublicMinistryandTrafficManagementBureau,bytheendof2015,theamountofnationalmotorvehiclehasreached279million.Thecarcanbringsaconvenienttraveltopeople,however,wedon'twanttoseethephenomenonofterribletrafficjamsandenvironmentalpollution.Althoughthebusandsubwayaremoreenvironmentallytransportationmeans,theycan'tsolvethelastmileofpeople.Recently,Electricscooter,whichasanewtypeofenvironmentally-friendlyfashiontraffictool,iswidelypopularwithyoungpeople.Becauseofitssmallsize,lightweight,beautifulappearanceandconvenientdriving,itisbecomingakindoftraffictoolsthatpeoplemostlikelytochooseintheincreasingtrafficenvironment.Here,wefirstdesignitsstructuralforappearance,inordertoachievebeautifulshape.Andthendesignareasonableandsafecontrolsystem,sothatpeoplecanenjoyfreedrivingpleasure.Finally,weuseCATIAforthree-dimensionalmodeling,anddesignasimple,dynamicfashionscooter.Keywords:Electricscooter;PWMspeedcontrol;CATIAmodeling第1章绪论1.1引言面对现阶段城市交通拥堵不堪的现状，昔日高速疾驰的汽车如今不得不逐渐降低车速，缓缓的蠕动在道路中，而电动滑板车凭借其自身的优越性，能轻松自如的穿越在人群中，让人们真正享受到轻松自在的驾驶乐趣。电动滑板车因其体积小，质量轻，方便出行，节约环保等独特的优点深受青年朋友们的青睐，是一种值得选择的新型代步工具[1]。电动滑板车的拟定设计方案：（1）从电动滑板车的机械结构与电力控制两大部分入手，逐步完成电动滑板车的总体设计，使滑板车具有折叠轻便、动力性强、舒适性高、承重量大、安全可靠等特点；（2）采用轻量化设计，应用碳纤维材料；（3）后轮采用双减震机构，满足舒适性与承载性要求；（4）具有方便的折叠功能，结构紧凑、外形要美观；（5）车把高度具有自由调节度，能适用于不同身高的人群；（6）行驶动力性强，续航里程高。1.2电动滑板车的发展背景在一个世纪前，滑板车就已经问世了。有人在一对轮子上固定一块板子，通过板子上的一安装扶手来控制方向，这种简易的设计可想而知，行驶时噪音不会很低。另一种结构是通过由木质横梁连接的一个被分开的金属溜冰鞋改装而成。而实际滑板车的应用开始于1993年，是由一位Sieghartstxaka的德国人将两个车轮安在一块铝片上，然后再加装一套扶手以方便自己上班而发明的。经过不断的改良后，他便踏着自制的滑板车去上班。起初，他这一做法并没有引起人们的关注。但没过多久，一位商人主动找上门来参与投资并生产这项发明，于是，滑板车有了自己的市场[2]。在90年代末，瑞士MicroOriginalScootersandkickboards公司的维姆·欧波特（WimOuboter）发明了一种可折叠的滑板车。随后，日本的JDBug和很多国外公司均复制了他的这一发明。1999年到2000年，美国先后出现了不同颜色和款式的滑板车，较流行的品牌包括Razor和Micro，它们现在仍在生产，深受儿童和年轻人喜爱。后来，为成人设计的可折叠滑板车，加装有更宽更长且更耐用的踏板，另外还配有更大的轮子以及刹车装置。如Xootr，拥有7.1英寸的轮子和为大人设计的踏板。2006年，一家名为Nextsport的公司设计了一款被称为Fuzions的四轮滑板车，使滑板车形式更加多样化。2013年，Airwheel生产的一种独轮代步滑板车在市场上悄然流行，动感的时尚造型，轻松便快捷的驾驶方式更受广大消费者喜爱[2]。随着滑板运动全球化的流行，动力滑板车作为一种更新奇和刺激的运动器材更是得到了人们的青睐。而集绿色环保、无污染、轻巧灵便等优点于一身的纯电动滑板车更是让人们极力向往。经国内外市场研究和调查，电动滑板车在国内外市场有着巨大的发展潜力。在国内，随着社会的快速发展，文化以及娱乐的消费水平和档次也迅速增长，传统滑板车已经不能满足人们的消费需求。目前国内已有多家电动滑板车厂家，竞争日趋激烈，这就要求在技术方面和质量方面必须有不断的发展和创新[3]。1.3电动滑板车的市场现状电动滑板车作为一种简单时尚的休闲代步工具，其速度可以达到20公里/时，是取代传统滑板车的又一新生运动型产品。动力滑板车自从传入我国以来，由于价格太高，使用者寥寥无几。随着工业技术的进步，生产效率的提高，再加上竞争激烈，其价格下降幅度很快，越来越多的人逐渐钟爱于它。但是，现阶段的滑板车设计在使用方式与操作习惯上绝大多数依旧倾向于青少年儿童，所以，对于青年及成人等热爱滑板运动的大人们，只有少之又少的产品能勉强满足消费。除此之外，绝大多数产品的设计，都是采用简单的机构模式，其造型单一缺乏个性，并不符合现阶段时尚潮流的都市风格。所以，不少厂家近年来都在着力开发新的产品，弥补市场上的空缺。1.4研究本课题的意义及内容当代社会快节奏的生活方式让人们进入了快速化时代，然而，机动车保有量的不断增加使交通陷入了拥堵现象。经常看到人来人往的市区干道上车辆长龙般的队伍，汽车的出行反而带给人们烦躁的情绪。此外，为减少环境污染，政府采取的单双号限行政策，又进一步限制了汽车的出行。电动自行车又由于它们体积较大，质量重，不方便市区高层居民的出行。即使挤公交坐地铁也不能解决最后一公里的困扰。外观时尚小巧、可以折叠的微型电动滑板车就自然而然成了一款受欢的交通工具。但是，随着社会的不断进步发展，人们的消费需求也在不断增加，功能单一的产品已不再是人们所想要的。所以面对这一现状，所设计产品的功能要集多样化与一体，外形要美观时尚，符合当代潮流。针对上面提出的问题，本次毕业设计展开了相关分析讨论。首先材料应用上,采用碳纤维复合材料取代传统材料，使滑板车尽可能的轻量化；设计上，运用CATIA软件对电动滑板车进行三维建模、装配、渲染，以便快速、直观地进行产品的优化设计，使滑板车具有折叠轻便、承载性大、舒适性良好与续航里程高等特点。争取通过本次设计，完成一款性能稳定、结构美观时尚的电动滑板车，让人们在满足出行时的方便同时，还能享受轻松自由的驾驶乐趣。第2章电动滑板车设计概述2.1电动滑板车的工作原理电动滑板车工作原理如图1所示，系统有蓄电池、调速控制系统、轮毂电机三大部分组成。图1电动滑板车工作原理当打开电源启动滑板车时，控制器得电进入工作状态。当转动调速转把时，转把输出调速信号送往控制器中，控制器根据接收到的调速信号输出相应驱动信号，控制电机旋转，电动机开始旋转，由于采用轮毂电机，电机旋转直接使车轮旋转，滑板车启动行驶。当行驶过程中按下闸把时，闸把通过信号线将断电信号送入控制器中，控制器接收到信号后立即断开电动机的供电电源，同时闸把通过闸线控制滑板车前后轮的制动器动作，实现机械制动[4]。2.2电动滑板车整车结构的分析电动滑板车是在普通人力滑板车的基础上，以电池作为辅助能源，安装电动机、控制器、转把、刹车把等操作部件和显示仪表系统的机电一体化私人交通工具。由于各制造厂家设计和选用电气配套部件的不同，电动滑板车的外形、功能、性能以及制造成本各异，但它们的基本结构组件和各部分作用是相同的。2.2.1电动滑板车的基本结构组件电动滑板车一般靠直流电机的旋转作为动力部分，通过传动部分将动力传递到车轮，然后带动由车架、悬架及前后轮组成的行车部分。行驶工况的改变则是通过操纵制动部分以及电气仪表部分来控制。(1)动力部分由蓄电池供电带动直流电机旋转，这一系统是电动滑板车的动力部分，它是整车的动力源。(2)传动部分电动滑板车的传动部分将动力部分输出的动力传递给驱动轮，驱动电动滑板车行驶。由于采用轮毂电机，电动机的外转子与轮胎为一体结构。电机的旋转直接使车轮旋转，不需要其它的传动装置。(3)行车部分行车部分是指由车架、悬架（减震器）、前后轮等组成的滑板车整体，它用来承受道路的反作用力，支撑全车的总重量，并将传动部分传递的扭矩转换成驱动电动滑板车行驶的驱动力。(4)操纵制动部分操纵制动部分由车把、调速手柄及制动装置等组成，用来控制行驶方向、行驶速度以及制动等。2.2.2电动滑板车电气部分的相互关系如电动滑板车电气部分相互关系图2所示，其中动力电池组来给电动机及其它附属用电设备供电。直流电动机一般在滑板车上采用轮毂电机，通过将动力电池组的化学能转化为机械能，直接使外转子车轮转动。控制器起监控作用，能将驾驶员的行驶意愿通过电压、电流而施加到电动机上，从而进行控制车速。充电器能将市电220V交流电转换成可供动力电池充电的低电压直流电[5]。图2电动滑板车电气部分相互关系2.3电动滑板车的主要参数的确定参考市场上出现的各种滑板车，对各种结构进行大致的分析后并结合自己最初的设计意愿，决定设计这样一款车：采用直流36V有刷轮毂电机作为传动部件，电路采用基于LM339芯片的PWM调速控制。为减轻车身质量的同时又要保证强度要求，采用碳纤维复合材料作为车身骨架。为满足舒适性与承载量，后轮采用优质且承重较好的减震悬架作为支撑，转向机构采用带扶手的机械转向。造型上设计出符合更多青年人青睐的款式，尽可能的动感时尚。根据电动滑板车的实际设计要求和工作原理，确定其设计主要参数如表1所示：表1电动滑板车主要参数设计类别主要参数最大速度20KM/H前后车轮直径20CM电机参数36V250W整车尺寸930*560*900驱动方式后轮驱动电池12Ah锂电池保护20V欠电压保护第3章电动滑板车结构设计3.1概述电动滑板车主要由车把、车架、前轮转向机构、驱动机构、电控系统和相应附件组成。采用这样的机构设计便于操作，简单易学，能够让更多的普通大众轻松驾驭这种电动滑板车。为了动力布局合理和整车的舒适性，本车采用后轮驱动且安装减震机构。在结构上，前后轮由中间车架相互连接，驾驶员体重由车架承担进而分担到前后轮上，车架前部与前轮转向机构连接，后部通过悬架及减震机构与后轮连接。驾驶员操纵车把即可实现前轮转向，通过调速转把便可控制电动滑板车的行驶与加速，制动则由后轮盘式制动器实现。车架箱体上安装有减震、电池、控制器等部件，上方由踏板覆盖，实现密封。因此款电动滑板车由多个结构装配而成，牵扯的很多零件的相互配合，所以在设计时，首先运用CATIA三维软件进行建模设计，在建模设计的过程中通过装配来不断校核机构是否干涉。这样一来，避免了设计参数的不合理化，使设计能够合理有效的进行，在此章节，关于零部件的具体尺寸不再具体列出，详细参数请参考各个零件图。3.2滑板车的轻量化设计目前在国内汽车行业，第四阶段油耗限值、碳排放要求和电动车续航里程是厂商们面临的三大挑战，面对这一挑战，很多厂商也不约而同的把轻量化设计作为解决问题的关键技术之一。碳纤维作为一种无机高分子材料，其中含碳量高于高于90%，具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导热和导电等优点，是实现汽车轻量化设计最好的方法。采用碳纤维复合材料实现轻量化设计较成功的例子便是BMW的3系车了，因大批量采用碳纤维而减重约250-350公斤，可以看出碳纤维复合材料已经引领了汽车的轻量化设计[6]。而电动滑板车市场，依旧采用传统材料来生产，这不仅增加了滑板车的整备质量，还加大了动力电池的负载能力，导致续航里程不高。所以，该款滑板车在设计时，决定尝试碳纤维复合材料作为生产原料，来解决轻量化设计，以增加滑板车的续航里程。3.3电动滑板车驱动电机的选择目前，无论是在电动车上还是在动力滑板车上，驱动电机全部使用直流电机，还没有采用以逆变方式交流驱动的电机。考虑到整车结构的优化，直流轮毂电机已经成了滑板车动力源的最佳选择。我们知道，直流电机是靠转子与定子间磁场的相互作用来完成连续地旋转运动，通过定点切换绕组的电流方向，以使转子与定子的两磁场一直保持在排斥状态。为此，便设计出了由电刷与换向器相互配合来换向的有刷直流电机。这种电动机优点是启动快，启动转矩大，爬坡性能好，车辆可以由静止状态下直接启动，驱动电路简单可靠、价格低。然而缺点便是电刷易于磨损，需要定期维护。但随着电力电子技术的发展，采用晶体管与位置传感器的电子换向电路代替了机械换向结构，从而无刷直流电机问世了。这种电动机一般不需要维护，寿命长。但是，由于要保证足够的转矩，电机的尺寸要做得大些，同时要采用性能较好、价格稍高的钕铁硼磁钢，控制电路复杂，元器件较贵，且控制器易于损坏，造价高[7]。考虑到电动滑板车的实用性，结合这两种电机的优缺点，本次设计采用有刷直流轮毂电机。据某宝商品信息展示，拟采用一款36V直流驱动150W功率的轮毂电机。3.4滑板车的前后车轮参数车轮是用来支承电动滑板车进行滚动行驶的部件，其强度和弹性必须符合载重行驶要求。轮径有多种规格，轮径过大时骑行不安全；轮径过小则滑板车通过性性降低，设计时应选择合理的尺寸规格。又因有刷直流轮毂电机均为外转子形式，即与车轮连在一起的部分为转子，与轴连在一起的为定子，车轮是转动的，轴是固定不动的部分，所以，选取的轮毂电机将直接决定相应车轮的具体尺寸参数。后轮参数及结构如图3和图4所示：图3后轮参数图4后轮结构效果后轮主要尺寸参数如表2所示：表2电动滑板车主要参数轮胎直径断面宽度轴径轴径总长200mm50mm14mm194mm考虑到滑板车整体的协调性，前轮径向尺寸与后轮一致，前轮参数及结构如图5和图6所示：图5前轮参数图6前轮结构效果前轮主要参数尺寸如表3所示：表3电动滑板车主要参数轮胎直径断面宽度轴径轴径总长200mm50mm14mm130mm考虑到电动滑板车整车的使用方便性，前后轮轮胎均采用实心橡胶轮胎，这样避免扎胎、爆胎现象，使驾驶员无后顾之忧。轮辋为铝合金结构，尽量减轻整车质量。3.5车把及转向机构设计车把是电动滑板车行驶方向的操纵部件，其作用如下：（1）操纵滑板车的前轮，使其按所需方向行驶。（2）电动滑板车的调速转把安装在右把手上，以控制行驶速度。（3）滑板车的制动操纵刹把安装在左把手上，行驶中刹车断电。（4）车把上一般安装有灯光和喇叭的控制开关，操纵方便。为了使该车适用于不同身高的人群，此车车把高度设计具有可伸缩调节性，调节范围在950mm—1325mm之间，驾驶员调整好适合自己的高度后，通过锁紧箍螺母锁定即可固定该高度，这样以来，该车可适用于身高在1.2M—1.8M范围的人群。在结构上，该车设计尽量简单。车把和车身设计成垂直方向，这样易与控制方向的同时又可上下车自如，行动方便。为了使用方便，车把设计具有折叠机构，只需向下翻转压杆便可使车把向后横卧，便于滑板车的存放。具体设计结构如图7所示：图7车把设计结构图1-车手把；2-车把；3-锁紧箍；4-主杆；5-折叠扣及压杆；6-前叉车把与立柱主杆均为空心圆柱碳纤维结构，一方面，减轻车身质量；一方面，空心圆柱便于刹车钢索与控制线路的内置布置，使结构美观紧凑。转向机构是提供一种动作更平稳、转向操作更顺畅的转向装置，产品的车架前端与前叉主杆连接处的圆柱套筒上下两端各安装一个轴承，套嵌在前叉主杆上，使车架沿着主杆能够自由旋转，从而达到转向目的。具体设计效果如图8所示：图8前轮转向机构1-车把；2-主杆；3-折叠机构；4-转向柱；5-前叉；6-车轮转轴；7-车架3.6踏板与车架的结构设计车架是滑板车的主体，其作用是将车把、前后车轮、悬架等连成一个有机的整体。它不但要承受行者、货物和车体自身重量，而且还要承受滑板车行驶时由于颠簸所产生的各种冲击力。它是滑板车整车的力传导与内力平衡中心。因此，车架不但要有美观新颖、合理的结构形状，而且必须有足够的强度与刚度。此次设计车架依然采用碳纤维材料，车架连接前后车轮，中间做成凹陷空间，以安装动力电池组与控制器。为减轻车身质量，车架设计宽度仅为200MM，但这无法满足驾驶员双脚站在滑板车上的舒适性，为此，专门配套设计一踏板，这里踏板不但起盖板作用，还拓宽车架的空间结构，更加方便的使驾驶员双脚并立站在滑板车上，使整车的舒适性进一步提高。并且，滑板车的整体美观性主要由踏板体现而出，结合强度要求与美观性，在此设计踏板为燕尾式形状，后翘的燕尾遮挡住后驱动轮，不但起到了挡泥板作用，还能避免驾驶员不小心踏上驱动轮可能受到的伤害。车架与踏板具体设计尺寸参数见零件图，整体结构如图9与图10所示:图9车架整体结构1-转向套筒；2-踏板固定螺孔；3-车架；4-支架安装孔；5-电池、控制器仓；6-悬架安装孔；7-后摆臂安装孔图10踏板整体结构3.7后轮减震机构设计悬架是车架与车轮之间的连接装置，它的功用是把车辆行驶在颠簸路面时受到的各种反力传递到车架上，以保证车辆的正常行驶。又由于这种力是具有冲击性的，在悬架中还应安装减震弹簧，使车架与车轮之间保持弹性联系，为避免弹性系统受到冲击后产生持续地振动，故悬架中还应加装减震器，这样驾驶员才能享受到舒适驾驶的乐趣。在此，参考汽车悬架结构，特此为这款电动滑板车设计一套纵臂式悬架，以增加驾驶舒适性。悬架两摆臂由一横梁连接，以增加稳定性，考虑到制动器的需要，特此为后续盘式制动器的安装设计定位基座，减震器与弹性元件串联安装，以体现结构整体化一，布局合理。悬架与减震器结构如图11所示，装配效果如图12所示。图11悬架与减震器结构图图12后轮减震机构装配图1-悬架；2-减震器；3-制动器安装位置；4-后轮；5-后轴3.8盘式制动器的设计制动器作为车辆行驶安全必不可少的部件，在电动滑板车上亦不可少。作为一款轻微简易的滑板车，制动器可以采用常见的鼓式制动、V型摩擦块式及盘式制动等等，考虑到盘式制动效率更高，性能较稳定，所以此款滑板车采用单后轮固定钳盘式制动器。结合电动自行车制动器参数及自身结构，设计参数如表4所示：表4钳盘式制动器主要参数制动盘直径D制动盘厚度摩擦衬块平均作用半径R120mm3mm50mm制动盘设计成镂空式样，不但做到了车身轻量化，还易于制动盘的通风散热。通过拉紧钢丝绳来旋进摩擦衬块，最终压紧制动盘实现制动。零部件示意如图13所示。制动盘上的三颗定位孔使制动盘与后轮轮毂电机上的预留螺孔通过螺钉紧固连接，制动钳也通过螺钉与悬架固定连接。图13盘式制动器示意图第4章电动滑板车控制系统本章节将对该款电动滑板车的调速原理及控制要求进行说明，然后对动力电池、控制器加以选择，以达到所需控制要求。4.1电机调速原理4.1.1直流有刷轮毂电机的工作原理

直流有刷轮毂的电机为外转子形式，转子与车轮轮辋为一体结构，转子上缠绕电枢线圈，定子为永磁体磁钢。靠电流的磁效应进行工作，线圈通电后产生的磁场与定子磁场相互排斥，促使外转子旋转，从而带动车轮旋转。线圈电流方向的交替变化是随电动机转动的换向器以及与其相关的电刷完成的。4.1.2直流电机的调速原理

由直流电机转速与控制电压及控制电流的关系:n=U-IRKeφ

式中n─转速，单位为r/min；U─电枢电压，单位为V；I─电枢电流，单位为A；R─电枢回路总电阻，单位为Ω；φ─励磁磁通，单位为Wb；Ke─电动机结构决定的电动势数。可知，直流电机调速有三种调速方式：(1)改变电枢电压U：从直流电机转速与控制电压及控制电流的关系可知，电机转速n会随着电枢电压U的变化而随之改变。但是在改变U时，在保证电机寿命安全的情况下，只能向额定电压以下改变，可见这种调速也只能使电机的转速低于额定转速，其转速调节的下限受低速时运转不稳定性的限制。(2)改变励磁磁通φ：他励直流电动机的励磁电流一般只能向小于额定励磁电流的方向变化，因此磁通总是小于额定值，电动机的转速在额定电枢电压下都将高于额定转速，其机械特性向上移动，减弱磁通升速，电动机的最高转速受电动机换向机构的限制，因此调节范围不大。(3)改变电阻R：通常是在电枢回路中再串连一些附加的电阻，只能进行有级调速，并且附加电阻上的损耗较大咖电动机的机械特性较软，一般应用于少数小功率场合。工程上常用的主要是前两种调速方法，调压调速和调磁调速时的电动机机械特性如图14所示。图14直流电动机调压调速和调磁调速机械特性图

调节电枢端电压是在要求实现无级调速控制系统中最普遍采用的一种调速方法。早期，人们广泛利用由晶闸管构成的V-M系统来实现，但随着电力电子技术的发展，可获得可调直流电压的PWM系统迅速占领了市场，图15是脉宽调制型调速系原理示意图。a)原理图b)波形图图15脉宽调速系统原理图开关S表示脉宽调制器，调速系统的外加电源电压Us为固定的直流电压，当开关S闭合时，直流电流经过S给电动机M供电；当开关S打开时，直流电源供给M的电流被切断，M经二极管VD续流，电枢两端电压接近为零。如果开关S按照某固定频率通断而改变每周期内的接通时间ton时，控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端平均电压，达到调速目的[7]。波形图如4-2b所示，电动机平均端电压为Ud=1T0tonUsdt=tton—开关Sƿ=ton可见，电动机平均端电压Ud4.2电动滑板车控制要求电动滑板车以体积小，质量轻，出行方便等因素广受大家喜欢。在控制方面，要求通过调速转把可对电机进行速度平滑控制；通过刹车，可实现断电制动；同时，为控制电路及电源的安全，要有相应的保护电路，使其具有响应速度快、控制运行稳定、免维护等特点[8]。目前市面上的大部分控制器都只有欠压保护功能，而对于负载过大可能引起的大电流未给予保护，应进行优化设计。控制器控制原理如图16所示。图16控制器控制原理4.3动力电池的选择动力电池作为车辆的动力源，要求能够一定时间内大电流放电。目前，市场上主要采用镍氢电池、铅酸电池、镍镉电池及锂电池等几种作为车用动力电池。铅酸电池是目前应用最广泛的一种电池，其价格低廉，容易被消费者接受，但其长期低电量使用会加速铅酸电池的老化。锂电池是目前最小的电动车蓄电池，为电动自行车的小型化要求提供了条件[9]。由于所设计的是一种轻微简易的电动滑板车，相对电动车来说，无论是在体积上还是在重量上，都是无法相比的。所以对于体积更小的滑板车，锂电池是最理想的选择。本次设计拟采用市场上一款双叶牌锂动力电池，其规格参数如表5所示：表5动力电池参数设计规格具体参数标称电压36V充电电流3.6A工作电流10-20A重量5kg容量12Ah过充保护电压42V尺寸230*58*146mm图17动力电池实物图4.4控制器的选择查阅相关资料，决定采用新旭36V有刷直流控制器，该控制器采用LM339为主控芯片，控制器有电源电路、启动电路、刹车调速电路、PWM调制电路、欠压保护电路及过电流保护电路6个单元电路组成[10]。控制电路图如图18所示。图18控制器控制电路图（1）供电电路：动力电池的36V直流电压直接加到电动机的供电端，同时该电压经三端稳压器IC1LM7812稳压后输出+12V直流电压，为VT1、VT2和IC2(LM339)供电，同时该电压再次送入IC3LM78L05，由其输出+5V直流电压，为调速转把等部件提供工作电压。（2）启动电路：电动滑板车接通电源时，直流12V电压给IC2A的3脚提供工作电压，lC2中IC2A与IC2B分别构成PWM信号调制和锯齿波信号产生电路,由1脚输出PWM信号，经VT1、VT2放大后去驱动场效应晶体管VF3、VF4，此时电动机开始转工作。（3）刹车电路：该电路的刹车电路主要是由闸把开关、VD1和IC2内部电路构成的。当捏下闸时闸把的常开开关闭合导通时，IC2A7脚接地，此时IC2A的1脚变为低电平，使VT1、VT2截止，场效应晶体管VF3、VF4也停止工作，实现刹车断电制动。（4）PWM调制电路：采用四电压比较器LM339中的IC2A与IC2B共同组成PWM调制电路，如上图4-5所示。其中，IC2B产生震荡锯齿波电路，产生的震荡锯齿波信号经IC2A比较后输出不同占空比的方波。最后再由VT1、VT2放大而驱动功率管，控制轮毂电动机电源通电导通时间，进而控制其转速。（5）保护电路：四电压比较器LM339中的IC2C与IC2D分别起过电流保护与低电压保护作用，当发生上述现象时，其输出引脚输出低电平，锁住PWM调制。正常情况下，IC2A7脚的电压由调速转把的霍尔感应电压控制，感应电压越高，输出的PWM占空比越大，电机转速越高。控制器参数如表6所示：表6控制器参数表规格参数额定电压36V额定功率250W欠压保护31.5V限流保护15±1A适配电机36V250W转把电位5V刹车点位低电位刹车大小尺寸长7.5cm，宽5.3cm，高2.1cm第5章轻微简易电动滑板车三维建模5.1机械结构总体设计本课题所设计的产品结构如图19，凹陷式的踏板和车架组成车体部分，动力电池与整车控制器固定在车架凹陷的箱体中，由上方的踏板密封；后驱动轮毂电机通过悬架、减震器与车架相连；前叉杆通过车架前端的转向柱与车架相连，从而实现转向。车把不仅能折叠，以使携带存放方便，而且还能自由调节高度，能适用与更多人群，折叠效果如图20所示。图19轻微简易电动滑板车结构总体设计图20折叠效果图所设计的轻微简易电动滑板车参数要求如表7：表7电动滑板车参数表车长车宽车把高度最小离地间隙最大载重最高车速1006mm560mm950m--1325mm≥90mm150kg20km/h5.2CATIA软件简介CATIA是由法国的DassaultSystem公司开发，专门应用于飞机、汽车、轮船等机械产品的一款CAD/CAE/CAM设计软件。因其使用方便、功能强大、质量可靠等被广泛应用于各个机械领域，且一直是业界的主导地位[11]。由于本人以前从未接触该软件，所以此次毕业设计从零基础开始对CATIAV5软件进行学习并加以运用，占用了较多的时间，初步了解CATIAV5是由很多模块组成，此次设计主要应用到了零件设计模块、创成式外形设计模块、装配设计模块及实时渲染模块等。5.3轻微简易电动滑板车实体建模此次滑板板车实体建模主要包括四个部分，对于其他一些小的零部件的建模这里不再赘述，详情请查看零件图。（1）车把与前叉杆；（2）车体部分(包括车架、踏板)；（3）悬架部分；（4）制动部分。5.3.1车把与前叉杆实体建模车把是电动滑板车行驶方向的操纵部件，其上还装有调速转把和刹车装置。车把与立柱均采用空心结构，既满足轻量化设计要求；又便于刹车钢索与控制线路的内置布置，使外观美观。不仅如此，为空心结构的车把与立柱方便了高度的可伸缩调节性，使车把高度调节范围可适用于身高在1.2M—1.8M范围的人群。此外，主杆与前叉杆通过销钉连接实现的可折叠功能，更加方便了滑板车的使用性能。本部分的车把、主柱与前叉的实体模型建立是基于CATIAV5的创成式外形设计与零件设计两平台相结合的基础上完成的，车把与主杆实体模型如图21所示，设计时运用了凸台、凹槽及倒角等基本的命令创建而成。前叉则是通过扫掠、分割、厚曲面等命令建立模型，如图22所示。图21车把与主杆外形三维模型图22前叉结构三维模型图5.3.2车体部分实体建模车体部分包括车架与踏板。此次设计采用车架与踏板相组合的方式，车架连接前后车轮，中间做成凹陷空间，以安装动力电池与控制器，如图23所示。燕尾式的踏板盖在上面，并且拓宽车架宽度，可以使驾驶者自然的双脚并立站在滑板车上。后翘式燕尾遮挡住后驱动轮，不但起到了挡泥板作用，还能避免驾驶员不小心踏上驱动轮可能受到的伤害，如图24所示。车架的后端预留设计了悬架与减震的连接孔，以方便连接后轮。前端为A字形转向机构，以便于前叉连接。车体部分的的实体模型建立也是基于CATIAV5的创成式外形设计与零件设计两平台相结合的基础上完成的。设计时，首先在草图环境中添加草图，然后运用一系列的凸台、凹槽、扫琼、后曲面及倒圆角等命令逐级创建而成。图23车架结构图图24踏板结构图5.3.3悬架部分实体建模悬架部分零件很多，特别是减震器，包括弹性元件、阻尼器、挡圈、连接杆等等，主要起到承载整车质量及缓和路面对车轮的冲击作用，以保证车辆的正常行驶及舒适性。在此，通过CATIAV5的零件设计平台、创成式外形设计平台及装配平台设计一套纵臂式悬架。悬架与减震器结构形状如图25中a和b所示，悬架两摆臂由一横梁连接，以增加稳定性，考虑到制动器的需要，特此为后续盘式制动器的安装设计定位基座，减震器与弹性元件串联安装，以体现结构整体化一，布局合理。悬架装配效果如图26所示。a)悬架结构b)减震器总成图25悬架与减震器结构图图26悬架装配示意图所有连接为螺栓连接，由于CATIAV5具有标准零件库调用功能，在设计时直接调用螺栓及螺母等零件。这样一来，使工作量与设计用时得到有效减小。5.3.4制动器实体建模在此，通过CATIAV5的零件设计平台、创成式外形设计平台及装配平台设计一套盘式制动器，结构装配效果如图27所示。制动盘设计成镂空式样，不但做到了车身轻量化，还易于制动盘的通风散热。制动盘上的三颗定位孔使制动盘与后轮轮毂电机上的预留螺孔通过螺钉紧固连接，制动钳也通过螺钉与悬架预留孔通过螺栓固定连接。图27盘式制动器结构装配效果5.4轻微简易滑板车的渲染设计渲染(RealTimeRendering)是CATIA基础结构模块（CATIAInfrastructure）其中一功能块，可以模拟材料纹理映射，赋予图形以逼真效果。与之相配合使用的还有图片工作室（PhotoStudio），通过CATIA的图片工作室，可以对所设计的产品进行箱体环境设置、灯光布置、摄像机位置视角、背景添加等等一系列的实时渲染，最后对生成的高质量照片级图像直接保存。这样，自己所设计的产品就能立即逼真有效的展现在客户面前，方便快捷，大大节省了开发成本，缩短了研制时间[11]。通过自己对CATIA渲染模块连续三天学习与应用，我尝试了多种多样的渲染效果，分别对各个零部件进行材质添加，以交互式方式实时创建了真实的渲染效果，如图28中a、b、c、d所示。a)b)c)d)图28滑板车渲染效果图第六章产品性能分析6.1动力性计算我们知道，车辆在行驶时会受到各种各样的阻力，必须施加一驱动力Ft，才能保证车辆行驶。而当驱动力Ft与总阻力F相等时，滑板车将保持匀速行驶[12]。根据交通法规，非机动车辆最高行驶速度不得超过20KM/h,可以此来对该车的动力性与续航里程进行计算6.1.1驱动力电动滑板车在行驶时可建立以下动力平衡方程式：Ft

=Fr+Fw

+式中Ft—后轮驱动力；Fr—车轮滚动阻力；

FwFiFj—上坡时的坡道阻力。在此，假定驾驶员为一成年男性，其体重75KG，身高175CM。电动滑板车在无风的平坦路面上匀速行驶，因此，Fi和FFt=Fr+（1）滚动阻力F

Fr=f*G

（式中f常取值0.018；G为电动滑板车的总质量。带入数据得F

（2）空气阻力Fw由公式Fw=CD式中CD—空气阻力系数，常取CD=0.86Ua—行驶速度（km/h）；A一迎风面积（m），在滑板车中为驾驶员身体在行驶方向的投影面积，滑板车的可忽略不计；由人机工程学可知[14]，人体表面积计算公式B=61H+128w-1529（cm2）式中H—驾驶员身高（cm）；W—驾驶员体重（kg）；则驾驶员身体在行驶方向的投影面积面积可粗略A=B/2带入数据H=175cm,W=75,得B=61x175+128x75-1529=18746cm则A=B/2x10-4=0.9373带入数据CD=0.9，Ua=20KM/hFw=0.86x0.9373x202/21.15=从而驱动力：Ft=Fr十Fw6.1.2输出功率由于采用轮毂电机，电动滑板车的电机输出扭矩Me，直接传动到主动车轮上，即Mt=M由公式：Ft=Mt/r

式中Mt—驱动扭矩（N·m）；R—驱动轮半径（m）；得Mt=3.0948N·根据Me=9549Pe式中n—原动机转速(

r/min)；

Pe—电动机的输出功率（kW）又由Ua=0.377n·r(km/h)其中r车轮半径为0.1m，可得滑板车以20KM/h速度行驶时的转速n:n=530.52r/min根据(4)(8)(9)得：

Pe=M可知额定功率为250W的电动机在滑板车最高车速行驶时输出功仅有172W，有足够的后备功率来实现滑板车的加速性能及爬坡要求，动力性良好。6.2续航里程的计算根据蓄电池的基本电特性，蓄电池的容量以Ah表示。它等于放电时间与放电电流的乘积即：Ce=I·t

式中Ce—电池容量（Ah）I—放电电流（A）；t—放电时间（h）；由直流电机的功率与其电压、电流的关系：P=U·I(W)

（12）可知，当输出功率P等于172W时，消耗电流：I=P/U=4.8A这样,可以根据已知条件及公式(11)(12)，得出该滑板车动力电池放电时间：t=Ce可知，该滑板车以最高车速20KM/h可以行使2.5h,即续行里程可以达到50KM。6.3滑板车制动性计算6.3.1制动性分析由滑板车行驶平衡方程（3）式可知，滑板车在匀速行驶时会受到滚动阻力与空气阻力的阻碍，但为了使其尽快停止，必须对其施加一地面制动力FXb，但它的值不能超过附着力F