两轮自平衡电动车悬架的设计

[23]。图3-1经典悬架形式根据大学物理知识可以知道，物体重心位置相对支承部位越高，物体的稳定性也就越低，容易发生倾斜。由此，在经典悬架结构的基础上进行改进，设计出如图3-2所示结构的悬架，其呈现下垂形式，可以很好地满足车身以及驾驶员的稳定性。由图3-2所示，该悬架主要由板材和圆铝焊接而成，在中间的板材焊接一个凸台，凸台上有6个螺钉孔，凸台两端焊有两个阻尼器定片，悬架靠6个螺钉与车体链接。板材两边有两个弹簧保持柱用来保持悬架弹簧不失稳。图3-2悬架的总体装配图3.2两轮自平衡电动车悬架的工作原理如图3-2所示，悬架主部件两边由两个弹簧保持柱，上面依次套有悬架弹簧、阻尼器驱动架、橡胶夹块和橡胶缓冲块以及一个螺母。悬架通过铆钉与车架链接，车架的重量会通过链接的铆钉传给阻尼器驱动架，再依次传给悬架弹簧和悬架。弹簧在传递过程中会起到缓冲作用，当阻尼器驱动架上下跳动时，阻尼器定片会和阻尼器动片发生摩擦，将传来的振动能量转为热能散发，从而减少震动。3.3悬架弹簧的设计悬架弹簧是在悬架装置中很重要的部件，在设计的过程当中弹簧的刚度要适中。刚度太大悬架的柔度就不够，就起不到该有的缓冲作用；但如果刚度过小悬架的振幅则会非常明显，会造成电动车在行驶过程中颠簸剧烈。因此必须对悬架弹簧做出详细的设计。这里根据弹簧和弹簧保持柱的实际配合。悬架弹簧的外径应该满足：D最大工作载荷与最小工作载荷相比弹簧变形量：10mm≤l≤20mm取它们的中间值，即：l≤15mm根据参考文献进行悬架弹簧的设计。弹簧原始条件的确定：设计开始的时候要确定其最小和最大工作载荷，由于两轮自平衡电动小车对其驾驶时的舒适和驾驶各种路面环境适应性有相应的要求。选择冷卷压缩的弹簧YI，并且端部要并紧和磨平，支承圈为一圈，选择C级弹簧钢丝。另假设它的最小的工作载荷是30Kg力，这种情况出现在失重的时候，它的最大的工作载荷是130Kg力，这种情况出现在超重的时候。由于整个电动车有四个悬架弹簧，所以每个弹簧的工作载荷为总体载荷的四分之一。依据上述条件可得：最小的工作载荷：P最大的工作载荷：P工作行程为：h=l=15(mm)弹簧外径：D弹簧类别为II类：N=端部结构：端部并紧、磨平，两端支承圈各一圈。弹簧材料：碳素弹簧钢丝C级。初算的弹簧刚度为：P=pn-p1代入数据得：P=因该弹簧属压缩弹簧，承受II类载荷，故其工作极限载荷为：Pj=1.25Pn（3-2）代入数据得：P根据D2和Pj查表3.1可得：（1）弹簧丝直径。（2）弹簧中径。（3）工作的极限载荷为。（4）工作的极限载荷下的单圈变形量。（5）单圈刚度。表3.1圆柱螺旋压缩弹簧计算表材料直径d/mm弹簧中径D/mm工作极限载荷Pj/N工作极限载荷下单圈变形量Fj/mm单圈刚度Pd/N*mm-12.5202830215.03117.90151.744.4607.20610.6248.224.714.33.0142532444.99283.08229.161.5275.5319.39229151.224.43.5182835564.41398.65329.782.2215.9069.54625467.534.64.0203542728.45467.6417.02.3057.93110.5631659.039.5有效圈数为：n=Pdp代入数据得：n=表3.2压缩弹簧有效圈数22.252.52.7533.253.53.7544.254.54.7555.566.577.588.599.51010.511.512.513.514.51516182022283035根据表3.2圈整数为：n=2.5(圈)总圈数为：n弹簧刚度为：P'=Pdn代入数据得：P工作的极限载荷下的变形量为：Fj=nfj代入数据得：F节距为：t=Fjn+d代入数据得：t=自由高度为：H0=nt+1.5d（3代入数据得：H表3.3压缩弹簧自由高度H0选取表456789101112131415161718192022242628303235384042454850根据表3.3取标准值：H弹簧外径：D2=D+d（3代入数据得：D弹簧内径：D1=D-d（3代入数据得：D螺旋角：α=arctantπD（3代入数据得：α=arctan展开长度：L=πDn1cosα代入数据得：L=最小载荷时高度：Hj=H0-代入数据得：Hj实际工作行程：h=H1-H代入数据得：h工作区范围：P高径比：b=H0D代入数据得：b=故不必进行稳定性验算。最终计算得到的悬架弹簧参数如表3.4所示。表3.4悬架弹簧主要参数表材料中经(mm)圈数自由高度（mm）极限载荷（N）刚度（N/mm）旋向Ф4C级碳素404.542.441715.8右旋

4悬架的设计本文对悬架的设计是基于Pro/E软件进行的。在Pro/E软件里，三维实体模型有零件文件和装配体文件。Pro/E采用的是自底向上的装配体设计方式。4.1各零件的设计4.1.1悬架主部件设计悬架主部件主要由板材和圆铝焊接而成。在中间的板材焊接一个凸台，凸台上有6个螺钉孔，凸台两端焊有两个阻尼器定片，在凸台中间部分有两个倒角的直角三角形。板材两边各有一个圆柱用来保持悬架弹簧稳定。由于悬架主部件是对称图形，先通过拉伸命令生成凸台和板材，再依次画出弹簧保持柱、阻尼器定片和倒角的直角三角形，再通过镜像生成对称的部分，最后画出螺丝钉部分。根据上述思路，建立了如图4-1所示的悬架主部件的模型。图4-1悬架主部件4.1.2悬架弹簧的设计弹簧是悬架装配图中的重要部件之一，它在整个环节中起到缓冲的作用，分布在板材上的两个弹簧保持柱上。弹簧的设计在Pro-E里面有专有的生成命令，主要采用的是插入命令中的螺旋扫描下的伸出项。根据弹簧的设计参数输入相应的参数，然后采用拉伸项将其修饰。根据上述思路，建立如图4-2所示的悬架弹簧模型。图4-2悬架弹簧4.1.3阻尼器驱动架的设计通过其结构分析可以看出阻尼器驱动架是一个结构比较简单的元件，总共可以分为三步，第一步先将其主体部分通过拉伸生成，然后将其拐角处倒角，第二步通过拉伸将弹簧保持住圆筒和销钉孔生成，第三步定位螺钉孔生成。根据上述思路，建立了如图4-3所以的阻尼器驱动架的模型。图4-3阻尼器驱动架4.1.4阻尼器动片的设计首先分析其结构特征，可以看出阻尼器动片是一个结构比较简单的元件，主要通过四步可以生成其模型。第一步首先通过拉伸命令将其主要部件生成如图4-4所示；第二步通过拉伸去除材料生成半圆开口；第三步通过拉伸命令生成定位销钉孔；最后用拉伸命令将其倒角修饰。根据上述思路，建立了如图4-5所示的阻尼器动片的模型。图4-4阻尼器动片主部件图4-5阻尼器动片4.1.5橡胶夹块及橡胶缓冲块的设计（1）橡胶夹块的设计橡胶夹块是放置在阻尼器动片上的，所以其尺寸要和阻尼器动片要配套。分析其结构特征，可以分为两步。第一步先用拉伸命令将其主要部分模型生成如图4-6所示；第二步根据阻尼器动片相应的尺寸，采用拉伸命令生成最终的模型。根据上述思路，建立了如4-7图所示的橡胶夹块的模型。图4-6橡胶夹块主部件图4-7橡胶夹块（2）橡胶缓冲块的设计对橡胶缓冲块的结构进行分析可以得，其实际就是一个圆环，因此我们可以直接用拉伸生成。根据上述思路，建立了如图4-8所示的橡胶缓冲块的模型。图4-8橡胶缓冲块4.1.6定位螺钉和螺母的设计（1）定位螺钉的设计根据其结构分析可以得。主要分两步，第一步通过旋转命令生成其主要部分；第二步通过拉伸命令生成凹槽等修饰部分。根据上述思路，建立了如图4-9所示的定位螺钉模型。图4-9定位螺钉（2）螺母的设计螺母的设计是一个常见的基础模型设计。主要通过拉伸命令生成初期的形状，再通过倒角命令将其修饰。根据上述思路，建立了如图4-10所以螺母的模型。图4-10螺母4.2悬架装配根据两轮自平衡电动悬架的具体结构，不难看出其装配也是对称的，我们采用由主体到部件，由下往上的装配顺序。4.2.1悬架主体部分和悬架弹簧的装配悬架主体部分和悬架弹簧的装配可以采用销钉式的装配方法。根据上述思路，建立了如图4-11所示悬架主体部分和悬架弹簧的装配模型。图4-11悬架主体部分和悬架弹簧的装配模型4.2.2阻尼器动片的装配根据总体装配思路采用的是由下往上的装配方法，我们现在将阻尼器动片装配采用销钉的装配到图中去。根据上述思路，建立了如图4-12所示阻尼器动片在总装配图中的装配。图4-12阻尼器动片在总装配图中的装配4.2.3悬架左边剩余零件的装配根据上述总体思路，采用右下往上的装配方法，我们可以依次装配橡胶夹块、阻尼器驱动架、橡胶缓冲块、螺母及定位销钉的装配。根据此思路，我们建立了如图4-13所示的装配图。图4-13悬架左边部分装配4.2.4总体装配图的装配根据两轮自平衡电动车悬架的装配左右对称特征，我们根据上述总体步骤最右边部分进行装配。根据此思路，建立如图4-14所示两轮自平衡电动车悬架的总装配模型。图4-14两轮自平衡电动车悬架的总装配

5总结与展望5.1总结两轮自平衡电动车作为一种新型的代步工具，具有节能环保，运动灵活等特点，在民用、军事领域都有广泛的应用，受到了国内外的重视。国内缺少对两轮自平衡电动车机械机构的研究，本文对两轮自平衡电动车的悬架结构进行机械设计。本论文主要内容和结论如下：对两轮平衡电动车的资料进行收集并了解，理解学习两轮自平衡电动车悬架的结构原理，之后选择适合两轮自平衡电动车的设计方案。在此基础上，对悬架上各零件进行结构设计并画出各零件图，最后画出悬架的装配图。本文内容受时间、作者水平及条件所限，本论文还有许多不足之处，第一未生产出实体，只有理论数据分析。第二未对各零件尺寸进行公差配合设计，只设计了大概模型。第三未建立动力模型，进行仿真。5.2展望两轮自平衡电动车新一代的代步工具，它不仅可以为人们的出行提供方便，还可以节省能源，减少污染，时时刻刻向人们传达着以科技和节能为主题的时代信号。随着科技的进步，两轮自平衡电动车更具人性化，两轮自平衡电动车将会有越来越多的领域应用。

参考文献王良成，杨志民，胡聪聪，等.两轮自平衡小车的设计与实现[J].实验室科学，2012，15(6):4.张文芳.两轮自平衡电动车行进控制技术研究[D].哈尔滨工业大学，2012.陈业伟，刘海刚，项华珍，等.两轮自平衡小车控制系统的设计[J].微型机与应用，2014，33(11):4.ManringND,KassaragaddaSB.Thetheoreticalflowrippleofanexternalgearpump[M].JournalofDynamicSystemsMeasurementandControl,2003.ASB,BJML,BCNC.AxiomaticDesignofAutomotiveSuspensionSystems[J].CIRPAnnals,2002,51(1):115-118.MAX，WONGPK，ZHAOJ．Practicalmulti-objectivecontrolforautomotivesemi-activesuspensionsystemwithnonlinearhydraulicadjustabledamper[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,2019,117:667-688.陈助碧.1/4汽车半主动悬架系统的试验方法研究[D].杭州:浙江大学，2006．方飞.麦弗逊前独立悬架汽车的操纵稳定性研究[D].武汉理工大学，2006.聂佳梅，张孝良，胡贝，等.车辆被动悬架技术发展新方向[J].车辆与动力技术，2012(2):6.王洪礼.汽车悬架系统非线性振动的主动控制[J].机械强度，2000，22(3):33-38.王国丽，顾亮，孙逢春.车辆主动悬架技术的现状和发展趋势[J].兵工学报，2000，1:4.余志生编著.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.陈家瑞编著.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005.王望予编著.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2005.西北工业大学机械原理及零件教研室编著，濮良贵，纪名刚主编.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2004.赵俊明.红旗CA7220型(小红旗)国产轿车[J].汽车与社会，1996，3