新型便携式代步车的设计

新型便携式代步车的设计

刘占宇，吴永强，刘军

(大连科技学院机械工程系，辽宁大连116052)

摘要:针对步行人员设计了一款新型便携式代步车，主要由踏板、外壳、底盘、电动机、锂电池、转向系统、刹车系统、车轮

等零部件组成，以电能为能源，通过电动机带动后轮转动提供动力，从而带动车体进行运动。由踏板的踩下与抬起控制转向 系统带动前轮进行转向操作。以电能驱动，并配有充电收纳匣，可在闲置情况下收纳并充电，节省空间的同时又方便下次使 用。采用单片机技术与压力传感技术，是一款新型的便携代步工具。关键词:代步车;便携式;单片机;压力传感器中图分类号:TH 122 文献标志码:A

文章编号：1002-2333(2018)03-0117-03

引言

代步车是一种为经常需要步行的人群设计的载运助 力机械，其主要功能是通过简单的操作控制车体，实现车 体对人体的载运及移动。目前市场上常见的小型代步车 主要有电动自行车、电动代步车、两轮自动平衡代步车、 独轮平衡代步车等，其中最受关注的就是平衡代步车。1

便携式代步车的整体结构设计

7.7模型外观

本文设计的便携式代步车的实物模型示意图如图1 所示。

图1实物模型示意图

便携式代步车整体的体积仅有常规手提箱的大小， 以电能驱动，并配有充电收纳匣，可在不使用的情况下收 纳并进行充电，在节省空间的同时又为下次的使用节约 了时间;代步车采用的转向系统为纯机械结构，大大地提 髙了代步车的可靠性以及环境适应能力;并且，其设计原基金项目：2016年辽宁省大学生创新创业训练计划项

n (201613207024)

理符合人体工 程学的要求，不会在移动过 程中改变人体 重心，简化了 操作，加强了 代步车的可操 控性，降低了

学习成本，使大多数人可以快速地掌握操作要领；同时， 代步车的大部分构件还可以采用回收材料制作，在降低 了成本的同时又做到了低碳环保，是一项可以普及的新 型代步方案。

便携式代步车的机械结构包括踏板、底盘和转向系 统三大部分。该小车以电能作为驱动能源，在驱动电动机 和锂电池组的共同作用下使新型代步机工作。便携式代 步车的系统框图如2所示。通过驱动电动机和锂电池组的 组合，从而实现该代步车的驱动，使用者能简单地操作来 控制车体，实现车体对人体的载运及移动。

7.3代步车工作原理

便携式代步车的内部结构如图3所示。所示机械结构 是代步车的转向系统，可以通过踏板带动滑槽，滑槽带动 滑块，牵动转向推杆做前后运动，转向推杆前方为齿条，

图2便携式代步车的系统总图

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齿条与转向轮上齿轮啮合带动齿轮转动，带动转向轮实 现转向的目的。在两转向轮之间采用转向拉杆连接来确 保左右转向的同步，同时平衡两边机构的受力，提高机构 的耐用性。

2代步车各部分结构设计

2」

踏板

踏板是“便携式代步车”中的核心操控装置，在车体 上部左右两端各有一个踏板，如图4所示。使用者可以通 过对踏板踩下与抬起的操作来控制代步车转向，在其后 部黑白相间的突起为防滑橡胶条。其前端的黑色部分是 电动机的控制装置，为橡胶材质，具有防滑的功能，在下 压时可以启动电动机。在没有负载的情况下两踏板在竖 直方向会弹起一小段距离，此时电动机断电，只有两踏板 同时被踩下时电动机才会处于待机状态，此时代步车由 于设置在电动机轴上的阻尼作用仍然处于刹车状态。

图4踏板的设计

只有当人体向前微^0，两踏板上电动机控制装置被 踩下时，电动机才收到运转信号逐渐解除阻尼并开始转 动，通过齿轮将动力传递到后轮上使后轮转动，推动车体 缓慢加速运动到极速并带动人体移动。当需要刹车时只 要将身体恢复直立状态，电动机控制装置弹起，电动机停 止工作，由于电动机轴上阻尼作用会使平衡车逐渐减速 并在短距离内刹驻，防止由于突然刹车而造成的重心不 稳发生摔车事故。2.2底盘

图5展示的是底盘的局部，主要负责承载转向机构； 图6结构主要负责踏板轴限位，并实现踏板在停机时弹起 的功能;图7结构主要负责对转向推杆的限位功能;图8结 构主要负责对转向轮的限位功能。2 J 转向系统

当右踏板被踩下，左踏板被抬起时，可实现右转弯， 当左踏板被踩下，右踏板被抬起时，可实现左转弯，如图9 所示。随着踩下和抬起程度的变化可以控制转向角度。此 处的设计是参考了人体工程学的原理：当人在步行的时 候如果要转弯，必须是转向方向的脚落地而另一只脚抬

图8转向轮限位机构

起，这样才能保持人体的平衡而不至于摔倒。以这种方式

控制踏板对人体重心的改变最小，所以不会发生在转向 的时候摔倒的情况，设计时采取在后轮轴上加装差速器 的方案，使得单脚踩下电动机控制装置时，电动机只输出 一半功率，通过这种措施来辅助进行安全转弯。

由于采用后轮转弯系统，在平衡车运动的状态下，后轮 改变很小的角度，使其转弯半径变小，因此在转向方面变得 更加灵活。由于转弯半径变小，因雌合在相对较狭小的空 间内使用，例如市场、车间等人员相对密集的场所。2.4充电匣

充电匣是为了实现代步车的收纳并进行充电的设 备，由匣体和支撑架组成，如图10所示。匣体可以相对支 撑架进行旋转，其主要目的是为了给代步车提供一个收 纳并可进行充电的空间，在闲置的情况下可以减小代步 车的占地面积，并为下次的使用做准备。

118 2018 年第 3 期网址: 电邮：

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图9踏板操作转向

图10充电匣及内部示意图

充电电池采用环保设计方式。代步车采用一种金属 钒的硫酸盐溶液为载体的环保可充电电池，可充电电池 能降低环境的污染，并可以反复充电使用，杜绝了更换电 池的烦恼，而且代步车的运行时效将会提高。2.5拎手

拎手设计是为了方便携带代步车，其内嵌式的设计 美观且节省空间，在代步车收入充电匣之后可以通过拎

手方便地将其取 出，解决了便携性 和易用性的问题， 如图11所示。

2.6材料的选择

通过对各种材 料的比较分析，本 设计中的各零部件

均采用铝合金材料。铝合金是在纯铝中加入其他合金材料 制成，但保留了质量轻的特点，同时使铝合金的机械性能 得到提高。铝合金材料可以作为受力材料，同时也可以作 为制造轴、盖、壳等常见部件的选择。铝合金制造成本相对 较低，而且拥有良好的可塑性，使用相同的制作方法可以

生产同样的零件，降低了制造工艺方面的成本。由于铝合 金材料特性轻、容易加工、具有较好的散热性，同时耐腐 蚀、强度高，因此可以用来生产该代步车的零件(滑槽、滑

von Mises (N|/mA2)

2.309C 4-009

图12滑槽的力学分析

块、齿条、齿轮、转向推杆等)。滑槽的有限元分析如图12所 示，由图中可见，滑槽采用铝合金材料完全满足使用要求。 3

结论

新型便携式代步车相比于市面上的平衡代步车具有 体积小、成本低、操作灵活、方便携带与收纳、可靠性高、 实用性强、学习成本低等优势，降低了故障机率，提升了

耐用性和环境适应能力。驱动能源为电能，低碳环保，属 于清洁能源，可广泛地应用于快递行业、医院、商场、工厂 厂房、仓库等需要代步工具的场合。在小车电路的设计 中，为了减少分立元件的使用量和各模块的电量消耗，尽 可能选择集成度髙、反应灵敏的器件。比如在设计车距控 制模块时就避免了超声波检测，选择以光电开关调节探 测距离来控制车间距离。为达到小车识别加减速区目的， 避免了使用判断错误造成速度变更的误差，利用ST 188红 外对管检测纵向黑线的数目，其功能顺序依次为加速^ 减速^正常速度，循环往复。为达到小车直立行驶的目

的，利用陀螺仪和加速度传感器来调节小车重心，将小车

45°角放置，使其重心处于两驱动轮中间，从而依靠两轮 直立行驶。

无直接刹车系统，通过踏板处的压力传感器来识别 代步车是否刹车，当身体恢复直立状态时，通过压力传感 器的数据反馈，使单片机做出相应的信号输出，从而达到 电动机控制装置弹起，使电动机停止工作，由于电动机轴 上存在阻尼作用会使代步车逐渐减速并在短距离内刹 驻。代步车的操作方法相对简单，通过身体的状态(前倾、 后仰、直立、高度差)就可以改变代步车的前行、后退、刹 车以及转弯指令的运行，相比传统的代步工具变得更加 的人性化。新型便携式代步车相较于市面上的同类产品 有着绝对的竞争优势，不仅可以满足各种代步需求，其便 携性、可靠性以及超高的性价比更是可以吸引消费者的 眼球，大批量生产时可以使用冲压等高效的生产技术，在 保证效率的同时又可以将成本控制在最低，并且其组成 零件多为市面上常见的标准件，大大降低了生产成本和 维修成本，还可采用回收材料制作，实现低碳环保，响应 国家节能减排的号召。在批量生产的情况下，预计每台新 型便携式代步车的成本可以控制在500元以下。

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(10)：72-75.

[5] 王杨.基于模型设计的自平衡车样机研发[J].汽车实用技术，2016

(8):113-114. (责任编辑马忠臣）

作者简介:

刘占宇（

1994一），男，本科在读，机电专业；

吴永强（1996—），男，本科在读，机电专业；刘军（1969—），女，教授，主要从事机械优化设计及机械 CAD 方面的科研和教学工作。

收稿日期：2017-05-04

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