两轮自平衡电动车的结构设计与有限元分析_张三川
二轮自平衡车的控制与实现
二轮自平衡车的控制与实现刘玉宏【摘要】本文使用了Runge-Kutta算法来消除陀螺仪的累积误差，并使用PID控制算法来控制二轮自平衡车的车身平衡。
文中给出了这两种算法的数学公式、框图和部分程序，最后验证了这两种算法的有效性。
%Runge-Kutta algorithm is used to eliminate the accumulated error in this paper,which come from the gyroscope. PID algorithm is utilized to control the balance of two-wheel self-balanced car.The mathematical formula, the diagram and the program are given in this paper.At last,the effectiveness of two algorithms are confirmed.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2015(000)022【总页数】3页(P130-131,124)【关键词】自平衡车;Runge-Kutta算法;PID算法【作者】刘玉宏【作者单位】河海大学常州校区，江苏常州，213022【正文语种】中文1.1 二轮自平衡车系统模型二轮自平衡车也可称为二轮自平衡机器人，最早来源于美国DEKA研制的segway。
Segway是以帮助腿部残疾人士自由行动为目的的，但是人们发现它在汽车所不能行走的场合大有用武之地，例如机场、车站等地可以帮助人们快速通行，因此对它的研究也就热起来。
二轮自平衡车的模型是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的系统，它实际上是一个可以行走的一级倒立摆，它以双轮差速方式布置，每个轮子由直流电机通过减速器直接驱动，以电机轴心线为中心前后转动[1]。
如图1所示。
对于两轮机器人来说, 在静止状态下不能稳定平衡，若要其稳定必须采用动态平衡[2]，机器人的平衡是一个动态过程，机器人在平衡点附近不停的变化进行调节以保持平衡。
一种新型两轮自平衡小车的建模和控制
基于APDL语言的电动车车架参数化优化设计
基于APDL语言的电动车车架参数化优化设计
李霞;刘本学;张三川;刘剑
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2013(35)6
【摘要】利用ANSYS软件参数化设计语言—APDL建立电动巡逻车车架的有限元模型,进行弯曲和扭转两种工况下的静力学分析,找出车架受力薄弱环节.在保证车架强度及刚度的条件下,以车架质量最轻为优化目标,对车架主要梁厚度参数进行优化,分析优化后车架的应力应变分布.对优化前后车架质量进行比较,优化后车架质量降低了15％,为实际车架优化设计提供了理论指导.
【总页数】4页(P130-133)
【作者】李霞;刘本学;张三川;刘剑
【作者单位】郑州大学机械工程学院,郑州450001;郑州新大方重工科技有限公司,郑州450064;郑州大学机械工程学院,郑州450001;郑州大学机械工程学院,郑州450001;郑州新大方重工科技有限公司,郑州450064
【正文语种】中文
【中图分类】U469
【相关文献】
1.基于ANSYS参数化语言APDL的结构优化设计 [J], 赵长勇;张系斌;翟晓鹏
2.基于ANSYS参数化设计语言APDL的产品结构优化设计 [J], 桂树国
3.基于APDL语言的某车架纵梁的混合优化设计 [J], 樊啟要;常思勤
4.基于APDL参数化的汽车起重机车架结构分析 [J], 杨宝林;徐长生
5.基于APDL参数化语言实现拱轴系数 m的优化设计 [J], 宁云;颜东煌;涂光亚;卢伟升
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基于PID控制器的两轮自平衡小车设计
本科毕业设计基于PID控制器的两轮自平衡小车设计摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。
两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。
本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。
由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。
文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。
关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆Two-wheeledSelf-balancingRobotMaXuedong(CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China) Abstract:Thetwo-wheeledself-balancingrobotissmallinmechanism,withsimplestructureandcanmakeflexiblemotion,目录华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1前言研究意义应用意义。
自平衡车巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点(胡春亮等，2007)。
驾驶者不必担心掌握平衡，车体自身的平衡稳定性，使得原本由于平衡能力障碍而无法骑自行车的人群也同样可以驾驭。
基于MMA7260两轮自平衡小车控制系统设计
基于MMA7260两轮自平衡小车控制系统设计杨继志;郭敬【摘要】两轮自平衡小车运动控制的关键是小车平衡的控制.本文设计并制作了一台以MMA7260加速度传感器为姿态敏感元件,采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器,通过L298电机驱动模块驱动双向直流电机实现两轮自平衡小车的姿态控制.将涉及到具体硬件的控制程序进行了分离和封装,因此小车可以作为验证各种控制算法性能的理想物理平台,并采用PID算法对小车姿态控制进行了试验,验证了自平衡小车物理系统方案的可行性.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2011(024)003【总页数】3页(P144-145,140)【关键词】MMA7260;两轮自平衡小车;STC12C5A60S2;控制算法【作者】杨继志;郭敬【作者单位】北京航天试验技术研究所,机电技术事业部,北京,100074;北京航天试验技术研究所,机电技术事业部,北京,100074【正文语种】中文【中图分类】TB51两轮自平衡车的物理结构决定了它的重心在支点之上，因此在非控制状态（或静态）下为一不稳定系统，只有通过自动姿态控制，才能使小车非车轮部分重心保持在车轮轴垂直线上。
同时两轮自平衡车在姿态控制过程中，物理支撑部位直接与自然地面接触，这与一般的一级倒立摆运行在经过加工的导轨上不同，虽然二者动力学模型类似，但是其控制过程中受到的干扰因素更丰富，因此两轮自平衡小车是研究各种控制算法性能的理想平台。
本文设计的两轮自平衡小车控制系统，采用MMA7260三轴高灵敏度加速度传感器作为自平衡小车的姿态传感元件，采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器运行控制算法，采用L298作为电机控制芯片，实现对车轮驱动直流电机的控制。
STC12C5A60S2单片机最高允许的晶振频率达35MHz，运算速度较快，同时还集成了AD转换器和PWM输入功能，大大简化了与MMA7260模拟信号的连接和对直流电机的控制电路，使用方便。
两轮自平衡电动车设计方案的探讨
两轮自平衡电动车设计方案的探讨周小仨【期刊名称】《办公自动化（综合版）》【年(卷),期】2013(000)003【摘要】The traditional electric vehicles possessed the structure withfront&rear wheels, this paper discusses a new 2-wheeled electric transportation vehicles possessed the structure with right&left wheels, and needn't the riding skill for the people, it can be balanced automatically.The control thought of inverted pendulum will be used and adopted the modern electronic technology, composed with the hardware of micro controller, gyroscope and accelerometer, Hall element, brushless motor and mechanical structure etc. introduced PID fuzzy control algorithm, Kalman filter, multi-sensor data convergence etc. software algorithms to implement the forward&backward of the electric bike, flexible turning around as well as auto-balancing.% 传统的电动车是前后轮结构，本文探讨一种新的两轮电动交通工具是左右轮结构，且不需要人的骑行技术，能自动平衡。
浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文
浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文浅论小型两轮自平衡电动车系统的设计与研究论文小型两轮自平衡电动车控制方案，是使用姿态检测传感器来检测小车姿态的变化，运用合适的运动控制原理，驱动电机进行相应的调整，以保持小车平衡、但在实际设计中，加速度计检测出来的数据易受小车运动速度影响，陀螺仪检测出来的数据易受温度影响，因此需要采用滤波器对其进行滤波、通过对卡尔曼滤波器与互补滤波器这两种不同的滤波器进行比较，在基于飞思卡尔公司Kinetis K60的小型两轮自平衡电动车姿态稳定系统上加以验证，从而得出在实际设计中卡尔曼滤波器优于互补滤波器。
1控制系统分析与设计1.1系统分析小型两轮自平衡电动车系统主要由姿态传感器,CMOS摄像头传感器、矢量光电编码器,Kinetis K60单片机、直流减速电泪L及其驱动电路组成。
陀螺仪与加速度计的数据经过AD转换后传至控制器中，通过滤波器进行滤波后，获得较为精确的角速度和角加速度数据，从而计算得到角度偏差;摄像头采集道路信息，进行路径识别，使小车沿一定路径J决速运行光电编码器采集车轮速度，通过负反馈控制小车速度，三者数据融合后，再通过PID算法输出控制量，生成PWM从而控制电机运行。
1.2矢量编码器小车进行角度姿态控制时会产生两个自由度上的偏移，除用测量角度的加速度计和陀螺仪外，还需要增加测量两轮车位移的传感器，这里选用可以测量正负位移的欧姆龙500线矢量编码器(A日相光电编码器)。
2角度滤波算法分析从加速度计采集到的角度信息存在高频干扰，输出电压，矢量编码器控制电路会在实际反映倾角的电压值附近波动、要从陀螺仪获得角度信息，需要经过积分运算，而从单片机采集的角速度信息存在误差和温度偏移、这个误差会随时间延长而积累，最终导致输出信号偏离真实角度信号、因此，下面介绍两种滤波法，对两种传感器所获得信息进行校正。
2.1互补滤波器通过加速度计和陀螺仪积分获得的`两种与角度相关的信息，利用加速度计修正陀螺仪的积分输出，利用陀螺仪修正加速度计的高频干扰。
两轮自平衡电动车论文：两轮电动车自平衡控制算法的研究
两轮自平衡电动车论文：两轮电动车自平衡控制算法的研究【中文摘要】两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具,它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同,而是采用两轮并排固定的方式,就像一种两轮平行的机器人一样。
该系统是一种两轮左右平行布置的,像传统的倒立摆一样,本身是一个自然不稳定体,必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。
其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民用和军事上有着广泛的应用前景。
本课题旨在研制一种两轮电动车自平衡控制系统,其工作原理是系统以姿态传感器(陀螺仪、加速度计)来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,通过高速微控制器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。
本文在总结和归纳国内外两轮自平衡小车的研究现状后,选用AtmeDgal16微控制器、德国冯哈勃Faulhaber带编码器空心杯减速电机2342L012、MMA226D加速度计传感器和EWTS82陀螺仪、驱动车轮、设计制作主板和电机驱动板,组装两轮自平衡电动车模型;通过C语言编写自平衡控制程序,烧录程序,实车验证所选用的控制算法可行性。
在研究过程中,本文首先通过建立动力学模型,运用拉格朗日方程来验证系统中三个自由度可否能控,并且求出控制算法中的四个K值,基于陀螺仪存在漂移的问题及加速度计的动态响应慢,对于系统的姿态检测而言,单独使用陀螺仪或者加速度计,都不能提供有效和可靠的信息来反映车体的实时状态。
本文对传感器两者所采集的数据进行了卡尔曼滤波优化处理,补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差,得到一个更优的倾角近似值。
基于在过程控制中,PID控制器一直是应用最为广泛的一种自动控制器,PID控制也一直是众多控制方法中应用最为普遍的控制算法,它解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性,调节PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时在PID调节器中引入积分项,系统增加了一个零积点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
两轮自平衡车平衡控制系统的研究
自从在2008年北京奥运会上的精彩亮相，两轮自平衡车在中国市场已经逐渐为大众所接受。节能环保、便携新颖，两轮自平衡车以其独特的优势博取人们的青睐。又两轮自平衡小车以其一级倒立摆结构成为控制算法验证实现的独特平台。因此，两轮自平衡小车有较高的研究价值。本设计的重点是抓住两轮自平衡车的基础即平衡控制进行系统设计，结合姿态解算数据融合算法驱动直流电机以实现两轮小车的平衡控制。
两轮自平衡车以其体积小、灵活度高等优势，进入市场便得到大众的青睐，众多公司中又以Segway公司的产品更为大众所认可。双轮自平衡车以其众多优势在面向以观光游览、休闲散心、购物代步为主的短途旅行成为得力的代步工具。
1.1.2
同时，两轮自平衡小车作为一种新式交通工具，以电力为能源，清洁无污染，便携体积小，对于减小工作日里的交通拥堵，减轻环境污染程度，起到建设性的作用。
由控制理论可知三个分解后的子系统的控制对象相同，因此他们之间存在系统耦合。为便于分析，在分析一个子系统时，假设另外两个控制对象已经达到稳定状态。譬如，在平衡控制时，假设速度和方向控制实现平稳；同样，在速度控制时，假设已经可以保持平衡状态。
在三个子系统中以平衡控制系统最为关键。但从车体平衡控制的角度来看，另外两个控制成为它的干扰。因而自平衡小车的方向和速度的控制应尽可能的保持平滑，以减少对平衡控制系统的干扰。以小车的速度控制为例，需要通过改变车体倾角的设定值来改变车体的实际倾角，达到速度控制的要求。同时，为了不对车体的平衡控制造成干扰，车体倾角的变化应该非常缓慢的进行。三者之间的配合如图2-1所示。
①两轮自平衡车作为代步工具，以其便携、灵活的特点为优势，可以在人员流动量大且占地面积大的公园、商场、展览馆、游乐场等作为首选代步工具。因此具有广阔的市场前景及应用价值。
两轮自平衡电动车原理
两轮自平衡电动车原理
自平衡电动车是一种基于动力学原理的交通工具，通过内置的陀螺仪、加速度传感器等感知装置感知车身的倾斜角度和变化，然后根据这些数据控制电机输出的力矩，以实现车身的平衡。
在正常行驶过程中，当车身倾斜时，陀螺仪和加速度传感器将感知到这一变化，传输给车辆控制系统。
车辆控制系统通过分析这些数据，计算出平衡车身所需的力矩大小和方向，并通过电机控制器调整电机的输出。
如果车身前倾，控制系统将相应增加电机输出的力矩，使车身恢复平衡；如果车身后倾，控制系统将减小电机输出的力矩。
通过不断地调整电机的输出力矩，控制系统可以保持车身在平衡状态。
为了实现平衡，自平衡电动车通常采用双轮设计。
双轮之间通过一个转动机构相连接，使得两个轮子能够同时受到力矩的调控。
当车身倾斜时，转动机构会自动调整两个轮子的转速和方向，使得车身恢复平衡。
同时，转动机构还可以根据车辆的前进或后退指令，控制两个轮子的转速不同，以实现车辆的前进或后退。
除了陀螺仪和加速度传感器，自平衡电动车还会配备其他感知装置，如压力传感器、速度传感器等，用于感知车身的压力分布和速度变化，从而更精确地控制车辆的平衡。
此外，车辆控制系统还可以根据用户的操作指令，调整电机的输出力矩，实现转弯、加速、刹车等动作。
总之，两轮自平衡电动车通过感知车身倾斜角度和变化，并根
据这些数据控制电机输出力矩，以实现车身的平衡。
这种基于动力学原理的控制方式，使得自平衡电动车能够在无人驾驶或人机协同驾驶的情况下稳定地行驶。
两轮自平衡电动车核心控制算法的选择
两轮自平衡电动车核心控制算法的选择周小仨【期刊名称】《办公自动化（综合版）》【年(卷),期】2013(000)004【摘要】两轮自平衡电动车采用的是倒立摆的控制思想，人类可以完美的手动控制倒立摆，利用身体的平衡技巧骑行自行车、电动车，不会摔倒，那么，我们能否模拟人类的控制平衡的方法来控制自然不稳定的两轮车达到自动平衡呢，答案是肯定的，我们设计一种控制器，采用模糊控制、PID算法、自适应技术三者相结合的核心控制算法，作用于执行结构就能达到预期的效果。
%The 2-wheeled of self-balancing electric vehicle is used the thought of inverted pendulum control, human being can be perfected the manual control of the inverted pendulum, and by using the skills of ride bikes for body's bal-ance the electric cars which will not fall down, so, we can simulate human balance control method to control the unstable nature of the 2-wheeled vehicle to achieve automatic balance, the answer is positive, we design a controller, fuzzy control, PID algorithm and adaptive technology, combined with the core of the control algorithm, and applied to perform structure, the desirable effect can be achieved.【总页数】2页(P56-57)【作者】周小仨【作者单位】黄冈职业技术学院黄冈 438002【正文语种】中文【中图分类】TP273;TM33【相关文献】1.基于四元数互补滤波和PID控制算法的两轮自平衡车系统设计 [J], 林伟捷;黄唯佳;蔡剑卿2.基于四元数互补滤波和PID控制算法的两轮自平衡车系统设计 [J], 林伟捷;黄唯佳;蔡剑卿3.两轮自平衡车的轨迹跟踪中T-S模糊方法的分数阶PID控制算法的研究 [J], 马燕妮4.两轮自平衡小车建模及LQR控制算法设计 [J], 龙周;汤健华;江励;黄辉;陈荣满5.基于滑膜干扰抑制的两轮小车自平衡控制算法 [J], 陈运胜;范运活因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于双轮自平衡技术的电动轮椅设计与控制研究
基于双轮自平衡技术的电动轮椅设计与控制研究近年来，电动轮椅成为了现代化社会不可或缺的交通工具之一，为残疾人以及行动不方便的人们提供了方便与舒适的代步方式，减轻了他们的生活负担。
然而，传统的电动轮椅存在一些问题，例如操作不便、机动性差等。
基于这些问题，本文将讨论基于双轮自平衡技术的电动轮椅设计与控制研究，以解决传统电动轮椅所存在的问题，并提高其使用体验。
一、双轮自平衡技术介绍双轮自平衡技术也被称为倒立摆技术，它是一种可以实现自主平衡的技术。
它通过检测摆体倾斜的方向，通过电机的控制，使摆体重心向倾斜方向运动，达到了平衡的目的。
在电动轮椅中，通过将双轮自平衡技术应用于轮椅设计，可以使轮椅更加灵活稳定。
二、双轮自平衡电动轮椅的设计1.材料选择：轮椅的基本框架应该采用坚固的材料，如钢铁材料，以保证其可靠性。
同时，座椅和背部垫需要选用高弹性的材料，使得用户可以更加舒适地坐在轮椅上。
2.双轮自平衡技术的应用：双轮自平衡电动轮椅主要通过倒立摆技术来实现平衡功能。
轮椅底座的安装位置应该与倒立摆控制器相对应，轮椅的整个平衡系统应该一体化设计，才能满足基于双轮自平衡技术的电动轮椅的要求。
3.轮椅的控制系统设计基于双轮自平衡技术的电动轮椅控制系统，应该配备适当的控制器、传感器、电机等设备。
其中，传感器用于检测轮椅的速度、倾斜角度等参数，控制器则可以实时的根据传感器所检测到的参数进行调整，并进行相应的判断处理，控制电机的转速和转向，从而实现平衡控制。
在控制器的框架中，应该考虑到方便控制，实现人性化设计。
三、基于双轮自平衡技术的电动轮椅的控制策略1.平稳启动：在启动时，检测到坡度斜度后，轮椅应该缓慢的提速，和一些其他的普通电动轮椅一样，基于双轮自平衡技术的电动轮椅不应该过快的提速，否则容易造成用户摔倒，令人受伤。
2.平衡控制基于双轮自平衡技术的电动轮椅，其核心就在于平衡控制。
轮椅应该自适应地根据传感器所检测到的用户体重、体型等信息，来实时的进行平衡的控制，保证用户在行驶的过程中能够保持舒适、稳定的状态。
一种自平衡双轮电动车稳定运行控制方法及一种带坐垫及把手的自平
专利名称：一种自平衡双轮电动车稳定运行控制方法及一种带坐垫及把手的自平衡双轮电动车
专利类型：发明专利
发明人：不公告发明人
申请号：CN201710352256.2
申请日：20140915
公开号：CN107187530A
公开日：
20170922
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种自平衡双轮电动车转向检测及控制方法，属于自平衡电动车技术领域，自平衡双轮电动车在运行的过程中加入一定的动力控制调节量，控制车子转弯、前后方向上的运行的稳定性，使车子保持在平稳状态下运行。
申请人：常州爱尔威智能科技有限公司
地址：213022 江苏省常州市新北区科五路高新科技园10号楼东楼5楼
国籍：CN
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3 关键部件的力学分析
3. 1 惰轮的有限元分析 总体积较大的 3 个惰轮采用玻纤增强型
PA 66[ 7] 制造, PA 66强度中等, 因具有良好的自润 滑性而广泛用在润滑条件不良或不便润滑的中轻
载传动场合, 加入玻璃纤维后强度得到显著提高. 考虑到 PA66 在高温时强度急剧下降, 故与之啮 合的齿圈和中心小齿轮均采用导热性能较好的金
两轮自平衡电动车的结构设计与有限元分析
张三川, 彭 楠, 李 霞
(郑州大学 机械工程学院, 河南 郑州 450001)
摘 要: 阐述了两轮自平衡车 的动平衡原理 和条件。对 整车进 行了结 构设计 和有限元 分析; 采用 高速
电机和下沉式悬架设计方案, 有 利于降低控制难度和节能; 使用玻 璃纤维增 强型材料 PA 66制造的 减速
U)
m
2g
R
( 1)
式中: M 0 为 临界驱动力 矩; f 0 为临界 驱动力; m 2 为车轮质量; R 为车轮半径.
对于 U= 0时的临界驱动力 f 0, 文献 [ 4] 给出
了其表达式
f0 = (m 1 + m 2 ) g tanH
( 2)
式中: m 1 为车身 (包括驾驶员 )质量.
当 UX 0时 f 0 具有更一般的形式:
edu. cn.
第 1期
张三川, 等: 两轮自平衡电动车的结构设计与有限元分析
31
Fig. 1
图 1 两轮自平衡系统受力分析 Force analysis of Two-whee led Se lf-balanc ing
Sy stem
显然式 ( 2)是式 ( 3)在 U= 0时的特殊情况,
即 ( 3)对 U= 0的情况也适合.
2011年 1 月 第 32卷 第 1期
郑 州大学 学报 (工 学版 ) Journa l of Zhengzhou U n ive rs ity ( Eng ineer ing Sc ience)
文章编号: 1671- 6833( 2011) 01- 0030- 04
Jan1 2011 V o l132 N o11
两轮自平衡小车从整体上可分为控制系统和 机械结构两大部分. 和两轮自平衡机器人相比, 两 轮自平衡车的平衡控制方式极为类似, 但在机械 结构上提出了较为苛刻的要求. 近年来对两轮自 平衡机 器人控 制系统 ( 包括电 子硬件 和驱 动程 序 ) 的研究成果 不胜枚举, 这些成果可以 用于指 导两轮自平衡车的控制系统设计. 相比之下, 对车
体结构设计研究的成果还较少, 因此笔者拟从平 衡原理出发, 提出一种新的车体结构设计方案, 并 对其关键部件进行有限元力学分析以验证结构的 可行性.
1 两轮自平衡车平衡原理及条件
图 1为自平衡车在坡度为 U的路面上行驶的
动力学分析模型. 假设某时刻车身相对于竖直方
向有一倾角 H, 且在车轮上施加 一顺时针方向的
惰轮 最 大 等效 应 力 发 生 在 齿 根部 位, 为 15. 7
MP a. 假定惰轮的工作温度为 55 e , 根据文献 [ 8]
可计算出在实际工况下玻纤增强型 PA66的弯曲
疲劳极限为 35. 07 MP a, 故惰轮 轮齿的弯曲强度
符合要求.
3. 2 悬架的有限元分析 悬架采用槽铝型材 [ 7] (牌号 2A 11, 尺寸规格
中图分类号: U 462. 2; U 482. 3
文献标志码: A
0 引言
近年来, 随着自动控制技术的不断发展, 用于 载人的两轮自平衡车受到人们的高度关注. 2001 年, 美国的 D ean K am en[ 1] 发明了世界上第一部新 型、方便快捷的两轮自平衡交通工具 Segw ay PT. Segw ay PT 使用两台直流无刷伺服电机作为动力 源, 使用包括 5个陀螺仪在内的一套复杂的传感 系统实时监测小车的姿态, 小车最高时速 25 km, 载重能力 110 kg. 2003年, 中国科学技术大学的 屠运武、张培仁等 [ 2] 成功研制出两轮自平衡电动 代步工具车 F ree M over, 并申请了专利. F ree M over的车架和轮轴位于同一水平面上, 靠两台低速 有刷电机作为动力来源, 整车重 30 kg, 最高时速 10 km, 最大续航里程 30 km. 周惠兴等 [ 3] 于 2009 年申请了名为两轮自平衡电动车的实用新型, 其 设计特点是充分考虑了实际使用中的安全性和操 作的人性化, 添加了护栏、动态支撑轮等部件.
B @H @ s= 50 mm @ 20 mm @ 4 mm ) 和铝合金板 [ 7] ( 牌号 2A 11, 尺寸 规格 s = 8 mm ) 及铝合 金管 [ 7] ( 牌号 2A11, 尺寸规格 D @ s = 30 mm @ 4 mm ) 焊
接而成. 由于车身对悬架的压力是一个激振载荷
( 该激振频率受悬架弹簧参数决定 ), 因此悬架的
属材料制造 ( 表 1). 为保证强度, 在分析时必须使用最恶劣的工
作状态. 按照设计要求和初期设计结果, 将
m1 = 100+ 25= 125( kg )
m2 = 3. 6 @ 2= 7. 2( kg )
R = ( 18+ 2. 75 @ 2) @ 0. 0254 / 2= 0. 298(m )
Hmax = 5b; Umax = 10b 代入式 ( 4)解得
器惰轮可以满足设计要求, 而且 减轻了整车重量; 所设计的自平衡电动车主要 参数为: 整车尺寸 448 mm
@ 660 mm @ 1350 mm, 重 31. 6 kg, 最大爬坡度 10b, 最大载重量 100 kg, 可在 - 5b ~ 5b倾 角范围内 保持平
衡.
关键词: 两轮自平衡系统; 电动车; 结构 设计; 有限元分析
3. 3 车架的有限元分析 车架由铝合金冷拉矩形管 [ 7] ( 牌号 2A 11, 尺
图 3 悬架装配体 Fig. 3 A ssemb ly of th e suspension
根据工作载荷范围 ( 300 N ~ 1 300 N )、工作 行程 ( 定为 15 mm )、弹簧外径 ( D[ 45 mm ) 可以 计算出每个悬架弹簧的主要参数 [ 6] , 设计结果如 表 1所示.
32
本设计中弹簧选用普通螺旋弹簧, 减振形式 则为滑动摩擦减振. 悬架装配完成后, 夹布橡胶筒 和悬架弹簧导向柱之间形成一定压力, 当夹布橡 胶筒随车身上下振动时, 它和悬架弹簧导向柱之 间的滑动摩擦力将使振动能量急剧衰减, 以起到 减振的目的. 很显然, 改变橡胶筒和保持柱之间的 装配过盈量可以调节减振效果.
第 1期
张三川, 等: 两轮自平衡电动车的结构设计与有限元分析
33
Xn =
E
k =
15. 8 @ 1 000 @ 4 =
m1
100 + 25
22. 5(H z) 也就是说, 当车身在垂直方向上受到扰动后,
悬架弹簧对悬架的反力将以 22. 5 H z的频率发生
周期性衰减振动, 这个频率不会使悬架产生共振.
M = 0max 99. 5( N # m ) 考虑到共有 6只惰轮驱动 2只车轮, 而齿圈 分度圆半径为 d1 /2 = 0. 103 m, 故每只惰轮与齿 圈间的圆周作用力为
Ft =
99. 0.
150/36 =
161( N )
形, 最 大位移发 生在为齿 顶部位, 其值为 0. 006
mm, 显然刚度符合要求. 从图 4( b ) 中可以看出,
f0 = (m 1 + m 2 ) g
s inU+
s inH cos( H+ U)
( 3)
收稿日期: 2009- 12- 29; 修订日期: 2010- 04- 30 基金项目: 郑州市科技攻关计划资助项目 ( 10TTG S4832- 4) 作者简介: 张三川 ( 1962 - ), 男, 四 川 人, 郑州 大 学副 教 授, 研究 方 向: 新 能 源车 辆 工程. E - m ia:l sc. zhang@ zzu.
表 2 悬架的前五阶固有频率 T ab. 2 Th e first 5 natural frequencies of the su sp en sion
阶次
1
2
3
4
5
固有频率
313
383
877 1 190 1 469
/H z
根据机械振动理论可 知, 4 个悬架弹簧总体 的自振频率不受库伦阻尼的影响.
id le gear
为简化问题, 按全部载荷作用于齿面上部来 计算齿根的弯曲强度. 限制惰轮中央的所有自由 度, 将载荷换算为压强 ( 4. 47 @ 106 P a) , 施加在节 圆与齿顶圆之间的齿面上. 惰轮的有限元分析结 果如图 4所示.
从图 4( a)中 可以看出, 惰轮 轮齿发生 了变
图 5 悬架应变和应力云图 F ig. 5 Stra in and S tress c loud- chart of the su sp en sion
( a) 中可以看出, 悬架两端的位移最大, 为 0. 077
mm, 刚度满足要求; 从图 5( b)知最大应力发生在
侧板与底板焊缝处, 为 17. 6 MP a, 而 2A11的强度
极限在 300 MP a以上, 可见强度裕量也是很大的.
对悬架进行动力学分析得到的其前五阶自振频率
如表 2所示.
图 4 惰轮应变和应力云图 F ig. 4 S train cloud-chart and S tress c loud- chart of the
mm < 车长 ( 前后距离 ) < 500 mm; 整车重量 < 35 kg; 车身在铅垂面附近 - 5b~ 5b范围内可维持平 衡; 最大爬坡度 Umax = 10b; 最大载重量 100 kg; 小 车标称 车速 10 km /h, 最 高车 速 15 km / h; 寿 命 5 000 h. 2. 2 整体结构设计