（车辆工程专业论文）电动代步车的结构设计分析与开发.pdf

中文摘要 摘要 电动代步车是老年人、残疾人以及家庭主妇等人群的一种较理想的代步工具， 也是近年来电动车市场发展的一个分支，具有一定的消费市场。 本文在分析国内外现有电动休闲车和电动轮椅车设计状况和优缺点的基础 上，提出了一种兼有两种车型优点的轴距可调式新型电动代步车的设计方案，并 利用现代设计理论和分析技术对该方案进行了结构设计和分析，主要研究内容如 下： 代步车国内外现状分析与研究，特别是对现有电动休闲车和电动轮椅车结 构优缺点的讨论，在此基础上提出了一种滑管式轴距可调的新型电动代步车设计 方案； 对电动代步车的现代三维设计开发技术进行了讨论与分析，在此基础上采 用p r o e 对上述新型电动代步车设计方案进行了结构设计和建模，对整车几何特 性、物理特性与设计参数、各种运动工况进行了分析计算和校核、对关键零部件 进行了选用与分析； 采用a n s y s 有限元分析技术对上述电动代步车的整体结构进行静动强 度、刚度及固有频率、振型分析和计算，特别对上述轴距可调的滑管式结构接触 有限元分析与计算； 在上述设计与分析基础上，制作出了一种滑管式轴距可调的新型电动代步 车样车，进行了相关校核与评价，初步验证了上述设计方案的可行性 上述研究与分析为新型电动代步车的设计开发打下了一定的基础，取得了一 定效果并达到了预期目标。 关键词：电动代步车，轴距可调，设计开发，有限元分析，接触 英文摘要 a b s t r a c t e l 硎cs c o o t e ri sa ni d e a li ：i d ei n s t e a do fw a l kt o o lf o ri n c o n v e n i e n ta c t i v e a g e d - e l d e r 、h a n d i c a p p e da n dh o 删；哪i v 髂，w h i c hh a s 砒a t e do o n s “h n c rm a r k e t 鹤o n e b r a n c ho f e l e c t r i cv e h i c l em a r k e ti nr e c e n ty e a r s n i st h e s i sp u tf o r w a r dan e w d e s i g ns o l u t i o no fw h e e l b a s e 删u 删cf o rn e wt y p e e l e c t r i cs c 0 0 t 盱w h i c hc o n t a i nt h ev i r t u eo fe l e c t r i cl e i s u r ec a ra n de l e c t r i cw h e e l c h a i r , b a s e d0 1 1t h ed e e p l yr e s e a r c ha n da n a l y s i st h ea d v a n t a g ea n dd e f e c to fe l e c t r i cl e i s u r e c a l a n de l e c t r i cw h e e l c h a i rd e s i g nh o m ea n da b o a r d , f i n a l l yf i n i s h e dt h es t r u c t u r ed e s i g n a n da n a l y s i so ft h i ss o l u t i o nt h r o u g hm a k m gg o o du s eo fm o d e r nd e s i g nt h e o r ya n d t e c h n o l o g yo f a n a l y s i s ，t h em a i nt a s ka st h ef o l l o w ： a n a l y z e oa n dr e s e a r c h e dt h es t a t u so fe l e c t r i cs c o o t e rh o m ea n da b o a r d , e s p e c i a l l y , t h ea d v a n t a g ea n d d e f e c to f e l e c t r i cl e i s u r ec 盯a n de l e c t r i cw h e e l c h a i rd e s i g n h o m ea n da b o a r d p u tf o r w a r ds h d ep i p ew h e e l b a s ea d j u s t e ds o l u t i o no ft h en 胛t y p e e l e c t r i cs c o o t s d i s c u s s e da n da n a y z a dt h et e c h n o l o g yo f m o d e mt h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g na n d d e v e l o p m e n t , d e s i g na n dm o d e l i n gt h ed e s i g ns o l u t i o no ft h en e wt y p ee l e c t r i cs c o o t e r m e n t i o n e da b o v eu s i n gt h ed e s i g nt o o lp r o e , t h ew h o l ev e h i c l eg e o m e t r i cp r o p e r t i e s , p h y s i c sc h a r a c t e r i s t i c d e s i g np a r a m e t e r , w o r k i n gc o n d i t i o nw e r ea n a l y s i sa n d v e r i f i c a t i o n , m e a n w h i l et h ek e yp a r t so f t h ev e h i c l ew 骶c h o s e na n da n a l y z e d s t a t i ca n dd y n a m i cs u e n g t h s t i f f n e s sa n dn a t u r a lf r e q u e n c y , v i b r a t i o na n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o no fo v e r a l ls t r u c t u r ef o rt h ea b o v ee l e c t r i cs c o o t e r 饿a n a l y z e da n d c a l c u l a t e db a s e do n a n s y sf e m a n a l r 窨i st e c h n o l o g y b a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h ea n a l y s i sa n dd e s i g na b o v e , as f i d i n g - t u b e a d j u s t a b l ew h e e l b a s en e wt y p ee l e c t r i cs c o o t e rw a sm a n u f a c t u r e d , a n dt h ef e a s i b i l i t yo f d e i g ns o l u t i o nw a f tv a l i d a t e db yc a n y i n gl b f o u g ht h ec h e c k 谢t ht h er e l e v a n t e v a l u a t i o n t h es t u d ya n da n a l y s i sm e n t i o n e da b o v em a d et h ef o u n d a t i o nf o rt h en 哪t y p e e l e c t r i cs c o o t e rd e s i g na n dd e v e l o p m e n t , a n dg mc e r t a i ne f f e c t 缸t h es 锄et i m e a c h i e v e dt h ee x p e c t e dt a r g e t k e y w o r d ：e l e c t r i cs c o o t e r , w h e e l b a s e e l e m e n ta n a l y s i s , c o n t a c t m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 、敷学签字日期：z 口口7 年月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：工酞孝导师签名： 签字日期：加，7 年，月5 日签字日期：z o o7 年5 月日 1 绪论 l 绪论 1 1 国内外研究现状 随着科技的进步、工业的发展、环境的污染、交通的紧张，意外事故频繁发 生，残疾人数在急剧增加。我国的残疾人口每年以七十万到八十万的速度在增长， 也就是说，每天增加两千多名残疾人，每四十秒钟左右就要增加一名残疾人。据 2 0 0 6 年4 月1 日起至5 月3 1 日结束的第二次全国残疾人抽样调查，目前，我国各 类残疾人总数8 2 9 6 万人，残疾人占全国总人口的比例为6 3 4 。各类残疾人的人 数中肢体残疾2 4 1 2 万人，占2 9 0 7 。由于他们丧失了行走能力，因此他们的各 种生活权益急需要得到保障，为残疾群体的特殊需求也应得到关注。 另外，目前世界各国都正面临人口老龄化的问题，2 0 0 6 年欧洲6 5 岁以上的人 口大约占该地区总人口的1 4 7 ，达一亿人以上，预计到2 0 3 5 年后将会超过1 6 ， 日本政府的一份调查显示，未来1 0 年内，日本6 5 岁以上人口的比例可能突破四 分之一。我国也正在进入人口老龄化阶段，6 0 岁及以上的老年人已达到1 4 3 亿， 占全国人口总数的1 0 9 7 以上预计到2 0 1 0 年我国老龄人口将达1 6 亿，约占 人1 ：3 总数的1 2 ，并将于2 0 1 5 年突破2 亿，而到2 0 4 4 年前后甚至将高达4 亿。 这将意味着我国正面临着世界各国从未遇到过的一场人口危机，即不远的将来我 国有劳动能力的人的数量要大幅度减少，而需要照顾的高龄者人数将要增加。高 龄人的一个很大的障碍就是步行能力减弱，最后还可能不能行走，在这种条件下， 需要有劳动能力的人照顾他们。为了节省劳动力，让有劳动能力的人为国家作贡 献创造社会财富，就应该使需要照顾的老年人和肢体残疾者行动自立。因此，为 老龄人和残疾人提供一种方便、简单、安全可靠的代步工具越来越引起全社会的 重视和关注吲，对于这方面的基础研究和产品设备的开发也将是我国未来经济发 展的重要课题。 目前，关于代步工具领域的研究主要是在欧美、日本以及中国台湾实际上 欧美、日本等国家在很早以前就己注意到了这种高龄人口的社会问题，为步行能 力弱的高龄者和残疾人，开发了各种类型的电动轮椅代步工具。在欧美、日本等 国家目前进入实用化阶段的电动车几乎都是作为外出移动手段的室外用的电动轮 椅车和代步休闲车。法国研究智能轮椅由轮椅、超声波传感器、人机界面组成， 设置为手动、自动、半自动三种模式。美国p r i d e 公司生产的电动代车已经销售 到世界许多国家和地区剀m 。台湾电动代步车和轮椅车盼工业已经发展成为了地 区经济的支柱产业 在国外及中国台湾的电动代步车研究，从上世纪九十年代开始，产品种类和 重庆大学硕士学位论文 形式已经发展的相当丰富，总体外形上既有原始轮椅形式，价格便宜，使用方便 易于折叠，也有外形上相对较大而功能较多，乘坐更加舒适的高档电动代步车。 中国台湾地区交通部近期对电动车( 电动休闲车、电动代步车) 实行全面放开， 让其合法化。这对于台湾地区电动车产业无疑是一次新的里程碑。台湾地区电动 休闲、代步车发展协会理事长吴宗兴表示，预计到2 0 1 0 年台湾地区电动车内需将 达到2 0 万辆，电动休闲、代步车将成为台湾市民的一种新兴的近程代步工具。电 动休闲、代步车市场目标群系以家庭主妇以及银发族为主，市场售价为1 5 2 5 万元( 新台币) 不等。 中国在这方面的研究和发展才刚刚起步，目前全国各省都新兴起一些开发研制 电动代步车的厂家，尤其是在浙江、上海、广州和香港比较多，最近重庆有家摩 托车厂也开始研发电动代步车去年中国医学会已投入大量的人力物力来开发残 疾人使用的电动轮椅车。但大多数厂家都还处在研发阶段，批量生产的的单位还 很少。 目前国内外电动轮椅、代步车主要有以下几种结构：一是单机驱动的四轮电 动代步车。这种车后面由一个电机驱动，转向机构靠操纵柄操作，转向机构的结 构和汽车很相似，操作简单但结构复杂，并且转弯半径大，在室内操作很不方便， 不能在狭小的空间行驶。二是双轮驱动的六轮电动轮椅车，前面两个万向轮，中 间两个驱动轮，前面或后面带有两个防倾轮。这种车可以实现原地转向，转弯半 径小，能够在狭小的空间运动，但是此车前面没有扶手和挡板，在急刹时很容易 向前倾翻，且在行驶时容易碰到乘坐者的漆盏和腿部。三是单机驱动的三轮电动 代步车，此车前面一个转向轮，后面两个驱动轮，结构与四轮电动代步车相似， 前面单轮结构简单转向方便，但行驶起来很不稳定，特别是在转向时很容易发生 侧翻。所以，面对巨大的市场和缺乏的生产现状，研究和开发适合老年人、中年 妇女和残疾人室内和室外都可以使用的便携式新型电动代步车就非常有必要和有 实际价值。 1 2 课题研究的意义 由于汽车、摩托车等代步工具需要消耗燃油才能实现其功能，普遍存在着空 气污染和噪音等问题，随着国际油价的不断上涨，使机动车辆使用成本越来越高， 另外随着全球对汽车排放控制、能源利用等问题的日益关注，清洁、环保、节能 的新能源电动车已成为世界汽车工业发展的熟点。各种燃气汽车、电动汽车、混 合动力汽车技术在近几年得到了快速发展。因此一种既有利于环境保护，而且可 以减轻使用者经济负担的新型的适宜的交通工具是人们普遍的愿望和需求l 糟】例。 电动代步车作为交通工具之一，由于环保、结构简单、操作简易，越来越引 2 1 绪论 起人们的喜爱【4 l 。尤其是具有中、短行驶里程的、低速的、单人骑行的电动代步 车，更是给老年人或残疾人士带来了极大的方便。 电动代步车的基本原理和电动汽车相同，只是体积更小，一般乘坐单人；速 度慢，一般在每小时6 公里左右；爬坡能力在8 0 一1 2 。之间。而且电动代步车具有 其他一些明显的优点： 噪音低、振动小。电机驱动时要比内燃机噪音小得多，其传动机构也简单， 因而噪音和振动较小。 能源利用率高及能源多样化。采用二次能源电能，而电能可以由其他 能源转化而来，如风能、水能、核能、太阳能、热能、化学能等，所以电动代步 车对缓解目前全球石油危机有积极作用。电动代步车在平道上行使功率不超过 1 0 0 w ，一次充电能耗不超过l k w h ，而且可以利用夜间电网负荷不足的时候进行 充电，这对提高电网的运行效率大有益处。 结构简单、易维修。与内燃发动机相比，电动机结构要简单得多，故障也 少，电动机的日常维修量较内燃机也要少得多。 无污染。以蓄电池为能源，以电机为动力，行驶时没有尾气排放。 电动车因其结构形式简单，操作简易以及动力补给方便的优点，越来越受到 广大家庭主妇、残疾人和老年人的青睐。 电动交通工具也有很高的科技含量i 旧它的发展，在技术上可以得到一系 列科技成果的支持，比如电动车中广泛使用的永磁电机，所用材料在我国有比较 丰富的资源，具有产业优势；又如越来越多的电动车开始采用我国自行研制的蓄 电池，这些都是与未来电动交通工具工业密切相关的工业成果。轻型电动休闲、 代步车的推广。为今后电动车的规模化发展起了促进作用。发展电动休闲、代步车 在我国有很大的经济利益和节能功能，轻型电动车每百公里耗电一度半，折合人 民币一块钱左右，一般的家庭都完全可以接受。 这几年我国的轻型电动车发展很快，从1 9 9 7 年不足2 0 0 0 0 辆达劭了去年的1 0 0 万辆以上，消费者已对用电能驱动的车辆不再陌生。这种氛围为我国电动休闲、 代步车的发展提供良好的市场环境。另外发展电动车有益于保护环境，也是解决 我国石油资源紧缺问题的一个方向，符合我国广大百姓的生活消费水平需要。 所以电动代步车有很广阔的市场前景和巨大的市场潜力，给一些厂商带来了 很大的商机，四轮电动休闲、代步车是电动车市场的一个新兴领域，主要实用与 老年人、残疾人以及学生和妇女，在为消费者提供行动便利与舒适性的条件下，这 种电动休闲、代步车的市场需求是相当看好的。电动代步车等创新产品在世界各 国销售将逐年增长，开发这种电动休闲代步车也可以作为一种出口仓4 汇的好产品 【1 9 】。 3 重庆大学硕士学位论文 如果能设计出一种能在较小的空间内，甚至是在无回转半径下实现全方向运 动的室内外两用电动轮椅无疑将有很好的价值和前景。 1 3 本论文主要研究内容 本设计主要面向老年人、妇女和肢体残疾者，研究开发一种室内外两用的， 前后轴距可以自动调节，具有万向移动功能的电动代步车。 本论文主要在以下几个方面开展了工作： 通过查找国内外电动车专利，对国内外现有电动代步车结构进行分析研 究，调查和分析已有的解法原理，找出当前代步车在结构设计方面存在的缺陷和 不足，以及影响使用者使用的各方面不利因素，并通过大量调查走访，了解现代 人群对代步车的使用要求和建议，在设计和构思中加以采纳和应用。 利用p r o e 软件实现车体的三维建模，创建部件效果图和整车效果图，用 a u t o c a d 对部件进行详细设计，使车身设计及制造过程实现无误码数据传递，直 接沟通车身各个设计和制造环节，把传统车身设计与制造方法和现代计算机设计 技术紧密结合起来。 利用a n s y s 软件对代步车主要部件进行有限元计算和仿真模拟实验，并 对模拟的结果作详细分析，根据分柝结果进行结构设计改进。对车身的主要构件 静力分析，及时发现结构设计中存在的缺陷和不足，并及时采取有效措施进行改 进。通过车身结构的模态分析，掌握车身振动产生的机理和振动的特性，避免前 后部分和人体发生共振。通过接触分析了解滑动接触过程中摩擦产生的原因，对 接触受力进行仿真，研究过盈配合和结构发生变形情况下的应力大小及分布情况， 为结构设计部件的设计和选取提供参考依据。 完成产品的总体设计、部件设计、完成交付制造和加工的图样资料，同时 编制全套技术文件，指导生产厂进行加工 本论文在于结合当前代步车设计开发项目的实施，实现了现代计算机技术在 车身开发的应用，更突出了设计背景和实用性，体现了人和车结合的需要 本课题研制开发一种轴距可调节的电动代步车，此车共有四轮，前面两个万 向轮可以任意转向；后面两个驱动轮，分别由两个电机驱动，可以实现3 6 0 度全 方向移动，能在室内、走廊、过道等狭小的空f 回运动。速度慢，行驶安全，带有 智能控制器，使用者很容易对前进、后退、加速、制动、行进间转弯等运动实施 有效安全地操作控制。 本课题研发的电动代步车结构紧凑，具有传动比大、传动效率高、体积小、 承载能力大、传动噪音小、传动平稳等特点。根据材料、结构、人体工程力学、 美学等原理，充分吸收各种代步车的先进的造型技术，将电池、控制器、驱动器 4 l 绪论 等巧妙地布置在座椅下面，使重心分布和转动装置设置在最佳位置，整车形态小 巧优美，骑行平稳舒适，简洁方便。 本课题由重庆大学与日本d a i s h i n 公司联合开发，结合现代机电一体化技术， 自动控制技术和新材料、新工艺技术，车型设计制作与现代环境和人文习俗相适 应，本文最后并对电动代步车舒适性、平顺性、操纵稳定性、爬坡性能、加速性 能、轴距调节功能进行试验和测试。 本课题研发的电动代步车属于新型产品开发，目前在国内外属于首创。设计 研发出的代步车体积小、重量轻、智能化、可拆卸、行驶安全、操作方便、轴距 自由调节。 本课题研发的电动代步车申请一项国家发明专和。 5 2 新型电动代步车结构方案设计与分析 2 新型电动代步车结构方案设计与分析 随着计算机辅助设计嘲、计算机辅助工程等数字化技术和有限元法、优化设 计等现代理论的发展，机械设计正在由传统的方式向现代的方式转变。数字化技 术和现代理论的结合形成了现代设计的基础，并在现代机械产品设计中发挥越来 越重要的作用。它的内容主要包括优化设计、有限元法、计算机辅助设计、可靠 性设计、设计方法学、动态设计、工艺术造型设计人机工程、并行工程、价值工 程、反求工程设计、模块化设计、虚拟设计、疲劳设计等。在运用它们进行工程 设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。 2 1 新型电动代步车结构方案的提出 机械产品设计是人的创造性的活动，是为了满足人类某一种需求而进行设计 的。设计的第一步是认识需求”，并由此决定要设计一种装置来满足它，基本目的 就是把需求限定在某种确定的方面，并限定满足需求的一些特殊的技术要求和特 性，这样就可以在下一步寻求解决这一特定问题的解法。下图2 1 是设计流程图。 图2 1 代步车设计流程圈 f i g 2 i f l o wc h a r td e s i g no f e l e c t r i cs c o o t e r 7 重庆大学硕士学位论文 在本设计之前，通过查找国内外电动车专利，对国内外现有电动代步车的结 构进行详细的分析，调查和分析已有的解法原理，研究分析当前代步车在结构设 计方面存在的缺陷和不足，以及影响使用者使用的各方面因素，通过大量调查适 合人群，了解当前人们对代步车的使用要求和建议，在结构设计方案和构思中加 以改进应用。 2 1 1 国内外现行电动代步车结构框架与分析 目前电动代步车产品中，主要有两种类型。一种是其前后轮轴距较长( 一般大 于8 0 0 毫米) 、并带有转向轮的户外型电动代步车 1 4 l 【1 目 1 6 】n lp q 【柚】，如图2 2 所 示。它主要用在户外的庭院小路、小区内的道路、或行驶在距离不远的公路及人 行道上，供老年人、妇女及残疾人士等使用。由于其轴距较长，在上下坡、制动 图2 2 电动代步休阑车 f i g 2 1t h ee l e c t r i cs c o o t e r 图2 3 电动轮椅车 f i g , 2 3t h ep o w e rw h e e l c h a i r 2 新型电动代步车结构方案设计与分析 或加速时，不容易出现前后倾翻；但也因其轴距较长，相应的转弯半径就较大， 也就是转变时所占据的空间较大，因而不适合在室内较窄小的空间中使用。例如， 老年人、妇女、残疾人士在家中、在超市内就无法使用这种户外型电动代步车。 另一种是前后轮轴距较短( 一般在6 0 0 毫米以下) 的户内型电动代步车( 也称电 动轮椅车) ，如图2 3 所示。该车的转向是凭借两个独立驱动的驱动轮的速度差来 实现的。当两个驱动轮的速度相同、但其转向相反时，该电动轮椅车还能够通过 原地转动来实现转弯。因为其前后轮轴距较短，故转弯时所占据的空间极小，老 年人、妇女、残疾人士在家中、在超市里，就完全能够自如地使用了。但是使用 这种电动轮椅车时，在上下坡、制动或加速情况下，极容易出现前后倾翻的事故。 目前关于户内型电动代步车防倾翻结构的发明很多，发明的主要思想是在原户内 型电动代步车的基础上，增加防倾翻车轮，如专利号为u s6 , 9 3 8 ，9 2 3b 2 、名称为 电动轮椅车( p o w 嚣w h e 矗c h a 岫的美国专利【1 1 7 1 【。j 1 9 1 l l o l l 1 为防止该车向前倾翻， 其重心相对后移；为防止向后倾翻，该车在驱动轮后面加装了防倾轮。 带防倾轮的电动轮椅车虽然可以减少前后倾翻的可能，但由于前后行驶轮的 轴距较短，而防倾轮又不是像行驶轮那样始终与地面接触，于是，在制动、加速 过程中，又存在电动轮椅车较大的前后俯仰运动，而使得乘坐者极不舒适。另外， 增加了该防倾轮后，在需要其原地转动时，所占据的活动空间也有所增大。并且 经过我们不断使用体会到，这种车操作很不方便，极难实现有效准确地控制，比 如有时想向左转向却因操作错误出现向右转向 另外，当前在某些少数厂家还生产了一种结构简单的前面只有一个转向轮的 电动代步车1 1 ，后面两个轮，和当前市场上常见的三轮车形状相似。既可以是前 面一个轮驱动也可以是后面两个轮驱动，这种车虽然结构简单，但是转向不稳， 转向的时候很容易发生侧倾，特别是对老年人和残疾人使用起来很危险，形状如 图2 4 所示。 图2 4 三轮电动车 f i g 2 4t h e r e w h e e l se l e c t r i cs o o o 鼢 9 重庆大学硕士学位论文 2 1 2 轴距可调式结构构思与方案 4 1 1 【蜘 针对以上问题的不足，本文构想一种既可以减小其转弯空间，同时又能有效 防止前后倾翻的电动代步车的底架。这种底架前端安装两个惰性轮，可以实现任 意方向转向，后面安装两个带有直流无刷电机和减速器的驱动轮，可以实现差速 转动。 这种车架主要有前后两块支撑板组成，前支撑板固定三个滑套，后支撑板固 定三个滑管，形成车架前后连接的纵梁。如图2 5 所示。套管和滑管一一对应星等 腰三角形布置，纵梁滑管间隙配合地插入滑套管内，相互配合形成平行滑动副连 接装置。在顶端滑管内安装一套驱动该纵向伸缩的驱动机构丝杆机构，由电 机驱动，驱动滑套和滑管纵向滑动。前支撵板呈拱形状，纵向滑套向后收缩到最 短时，踏板在此时的多余部分回缩、并穿插在座椅的坐垫底板下，如图2 e ( a ) c o ) 所示。后支撑板上安装代步车座椅和蓄电池筐，蓄电池悬挂在坐垫底板下部，为 踏板的回缩部分预留出穿插空间。底端两对相互配合的滑管前端各安装有一个在 该纵向伸缩处于最大伸长状态时的防脱机构，结构如图2 7 所示提起插销，底架 可拆分为单个体积不大、单个重量也不大的两部分。插销杆上带有顶柱，内有弹 簧，只有外力拔插插销时，顶柱才能进入杆内，插销才能被拔出此种结构的最 大优点是，节省了必须专门设置的行程限位机构。 图2 , 5 代步车底架 f i g 2 5c h a s s i so f e l e c t r i c $ c o o t m 本设计发明底架的电动代步车，既可以是户外型电动代步车、也可以是户内 型电动代步车( 电动轮椅车) 。当需要该车在户外的庭院小路、小区内的道路、或距 离不远的公路及人行道上行驶时，通过图2 5 丝杆电机和丝杆的伸缩驱动机构让纵 向伸缩梁伸长至户外型电动代步车那样的长度( 通常大于8 0 0 毫米) ，如图2 6 ( a ) 所 1 0 2 新型电动代步车结构方案设计与分析 示，图中滑管向后滑出，此时的电动代步车的轴距与户外型电动代步车的轴距相 当。在户内，其底架的纵向伸缩粱收缩后，即图中滑管向前滑入滑套管内，该车 就是一个普通的电动轮椅车了，能在狭窄的室内使用。其突出优点：转变半径小； 在需要原地打转时，所占据的空间小。即完全适合老年人或残疾人士在家中、在 超市里自如地使用，如图2 所示 ( a ) ( b ) 图2 6 电动代步车收缩图和伸展阻 f i 9 2 6t h es h r i n ka n de x t e n dp i c t 峭 这种电动车克服了现有电动轮椅车轴距过短的不足，具有了与户外型电动代 重庆大学硕士学位论文 步车相同的能可靠地防止其前后倾翻的优点。而且，当人们需要带着老年人或残 疾人士长途旅行时，只需把图2 5 中的防脱机构解开，使前滑套和后滑管两个部分 相互脱离，把底架拆分成前后两个部分，方便地装在旅行车上，以利于到旅行目 的地后重新组装供使用者使用。这种可以分体的结构在上下楼层或需要长途运输 时也有利于搬运。 图2 7 防脱机构 f i g 2 7p r o t e c t i o nd g v i c o 2 2 电动代步车现代三维设计开发技术介绍 c a d 技术产生于2 0 世纪6 0 年代。在4 0 余年的发展历程中，随着工业自动化 水平的提高，在船舶，汽车以及航空航天等高精尖的技术领域里，大量复杂的设 计课题成为功能完备的c a d 软件发展的强大推动力，因此，作为c a d 技术重要 标志的c a d 软件取得了突飞猛进的发展瞄】 3 1 l 。 2 2 1p r o e 三维设计技术 在当今众多的c a d 软件中，p r o e 以其强大的三维处理功能和先进的设计理 念以及简单实用的操作而被众多设计者接受和推崇，在机械设计与加工领域中广 泛应用。 p r o e 的典型应用p r o e 是一套由设计到生产的大型机械自动化软件，是 新一代的产品造型系统。p r o e 是一个大型软件包，有数十个功能模块组成，每一 个模块都有自己独立的功能。用户可以根据需要调用其中一个模块进行设计，各 个模块创建的文件有不同的文件扩展名。此外，高级用户还可以调用系统的附加 模块或者使用软件进行二次开发工作。 绘制二维草图绘制二维草图是使用零件模块进行三维建模的重要步骤。 在使用零件模块建立三维特征时，如果需要绘s f j - 维草图，系统会自动切换到草 2 新型电动代步车结构方案设计与分析 绘模块。同时，在零件模块中绘制二维草图时，也可以直接读取在草绘模块下绘 制的储存文件。 草绘环境的设置：为了让设计者在绘图时有一个符合个人习惯的设计环 境，在绘图时可以根据需要配置绘图环境，例如在图上是否显示弱尺寸，使用哪 些约束方式以及尺寸标注的小数点倍数等。 基本绘图工具的选用：二维图形都是由各种基本图形元素组成的，这些基 本图形元素包括：点、直线、圆弧( 圆) 、矩形、样条曲线、文本。 图形的编缉：在设计中，必须很好地使用编辑工具。常用的编辑方法有： 图形的复制( 包括镜像) ；图形的旋转和缩放；图形的分割和删除；图形尺寸的修改。 约束的使用：约束是二维草绘中的重要设计工具，同时也是必须掌握的设 计技巧合理使用约束可以大大提高设计效率，同时也可以使某些看起来感到无 处下手的图形快速成型。 缝工具的使用：戮工具是通过三维实体模型边线创建二维草绘图形的设 计工具。它虽然在二维模式下不可用，但在三维实体建模中却是绘制草绘截面的 一个重要工具，配合基本绘图工具和图形编辑工具，还可以绘制和实体边线紧密 贴合的草绘图形。 创建三维实体模型创建三维实体模型是使用p r o e 进行工程设计的主要 任务之一，是产品设计和开发的重要工具，也是创建工程图，零件装配，机械仿 真以及数控加工等后续工作的基础。在p r o e 中，创建三维实体模型的方法很多， 而三维实体建模包含的设计内容非常丰富，在创建模型过程中，要灵活应用模型 编辑和修改工具更改设计，不断完善设计结果。 特征建模的设计思想 在p m e 中，特征是组成模型的基本单位，是模型设计和编辑的操作单元，在 设计过程中要分清特征的基本类型。 实体特征：组成实体模型的主要特征，与真实事物相似。实体特征具有质量， 体积和厚度，等物理参数，可以用来进行零件装配，机械住址以及数控加工等等 后续处理。 曲面特征：是一种几何特征，其重要应用就是用来围成复杂实体模型的表面。 将设计实体化后，就可以获得实体特征。 基准特征：包括基准点，基准曲线，基准平面以及坐标系等。主要用来辅助 建模，因此是一种辅助设计工具。熟练掌握基准特征的使用是对一个三维实体建 模行家必有的要求。 三维实体建模的一般过程 基本建模过程主要包括以下内容： 重庆大学硕士学位论文 绘制二维草绘剖面图。 使用拉伸，旋转，扫描以及混合等方法创建基础实体特征。 在基础实体特征上创建圆角，孔等旋转实体特征。 在上述3 个步骤中，绘制二维草绘剖面图是最基础的工作，熟练掌握选取并 放置草绘碰面的一般方法和技巧，灵活选用标注和约束参照。 创建三维实体的基本方法 根据实体特征在模型中所处的层次不同，一般把实体特征分为以下两种类型。 基础实体特征：具有基础的地位，是创建其他特征的的基础。 旋转实体特征：在基础实体特征基础上继续创建的特征。这些牲特征具有特 征的形状和用途，例如孔，圆角等。 基础实体特征的创建方法主要有以下4 种。 拉伸：将草绘剖面沿指定直线拉伸生成实体特征 旋转：将草绘剖面绕指定曲线扫描生成实体特征 扫描：将草绘剖面沿指定曲线扫描生成实体特征。 混合：将多个草绘截面混合连接生成实体特征。 以上4 种方法是基础的建模手段，除此之外，创建基础实体还有可变剖面扫 描，螺旋扫描以及混合等高级方法。实体特征因特征类型的不同创建方法有较大 区别。 零件装配装配就是将多个零件按实际的生产流程组装成一个完整的产品 过程。在组装过程中，用户可以添加新零件或是对已有的零件进行编辑修改，并 且系统使用分解图的方式来显示所有零件之间的位置关系，非常直观 在建模过程中为了把复杂的模型简单化，通常将一个复杂的模型拆分成多个 零件分别进行设计，最终通过装配来实现预期的设计结果。另外，在实际应用中， 很多模型本身就由多个零件组成，首先需要分别设计每个零件，然后再将这些零 件装配为组件或部件。 装配就是依照一定的顺序把满足特定关系的元件( 零件或子组件) 装配成组件 的过程。p r o e 装配提供了8 种基本约束方式，通过这8 种约束方式可以完成装配 过程。p r o e 还提供了布尔运算等组合工具以实现更高级的组件设计功能。 曲面设计和模具设计曲面是当今实体造型的重要设计手段，使用曲面能够 构建出形状更为复杂的实体模型。创建曲面特征的基本方法和步骤与使用零件模 块创建三维实体特征非常类似通过对曲面特征进行适当的操作可以使用曲面来 围成实体特征的表面，和还可以把由曲面围成的模型转化为实体模型。 由于人们对于产品外观的要求越来越高，因此，曲面在工程设计中的地位也 越来越重要。在p r o e 中，曲面既是重点也是难点。在使用曲面创建三维模型时， 1 4 2 新型电动代步车结构方案设计与分析 首先应该选用适当的方法创建，然后编辑曲面，最后由曲面生成实体模型。 曲面的创建方法：从曲面创建的原理来讲，所有创建基础实体特征的方法都 适合于创建曲面特征，这些方法包括拉伸，旋转，扫描和混合等基本方法，也包 括扫描混合，可变剖面扫描等高级方法。除此之外，还有许多创建曲面的特殊方 法，其中重点是边界混合曲面的创建。创建这种曲面时，首先创建围成曲面的边 界曲线，然后通过边界曲线创建曲面。边界混合曲面的应用较为广泛，是一种有 效的曲面设计手段。对于复杂的实体表面，很难通过一种方法在一次设计中就创 建出符合要求的曲面来，而往往需要通过多种方法在多次设计中创建出多个，然 后对这些曲面进行编辑，最后生成单一曲面特征。常用的编辑方法有下面几种： 曲面复制：创建曲面的副本。 曲面延伸：延展曲面的宽度。 曲面裁剪：裁去曲面上多余的部分，保留需要的部分。 曲面合并：将多个曲面合并成单一曲面。 曲面的实体化：将编辑完成的曲面实体化是p m e 中曲面特征的重要应用。在 实体化时，根据设计需要可以创建两类特征： 将曲面内部完全填满创建实体特征。 只对曲面内部薄层进行实体填充创建薄板特征。 现代生产中，模具的应用相当广泛。例如模型锻造、注塑加工中都必须首先 创建具有与零件外形相适应的模膛结构的模具。模具生产是一项比较复杂的工作， 不过由于大型c a d 软件的广泛应用，模具生产过程逐渐规范有序。p m e 具有强 大的模具设计功能，使用模具设计模块设计模具简单方便。 当然，以上仅仅列出了典型应用的基本情况，而且只对常用的应用进行了比 较详细的介绍p m e 是一个大型设计软件，其功能模块相当丰富，有许多模块的 应用相当专业，在设计中可以根据需要进行选择。 创建工程图在工程设计中，有时还需要使用一组二维平面图形来表达一 个零件的设计细节，这一组二维平面图形就是工程图，例如在生产加工第一线就 常用工程图来指导生产 使用工程图模块可以直接由三维实体模型生产成二维工程图。系统提供的工 程图包括一般视图( 即通常所说的三视图) 、局部视图、剖视图、投影视图等8 种视 图类型。设计者可以根据需要灵活选取试图类型。 创建工程图的基本步骤： 设置图纸格式，必要时可以使用设计模板。 创建一般视图。 根据设计需要在一般视力的基础上创建其他视图，例如仓建投影视图，辅助 重庆大学硕士学位论文 视图，详细视图，旋转视图以及剖视图等。在具体到每一种视图时，又可以采用 全视图，半视图以及局部视图等视图类型。 在图纸上标尺寸以及其它技术指标。 编辑并填写明细表。 2 2 2a n s y s 有限元分析技术 a n s y s 是一种广泛的商业套装工程软件m p qm 【3 s 】，是当今最著名的有限元 分析程序，其强大的分析功能已为全球工业界所广泛接受，成为拥有最大用户群的 c a e 软件供应商。主要是分析结构系统受到外力载荷时所发生的响应，例如应力、 位移和温度等，根据该响应可知道结构系统受到外力载荷后的状态，进而判断该 结构是否符合设计要求。a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的 大型通用有限元软件，可广泛地用于核工业、铁道、石油化工、航天航空、机械 制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利和日用家 电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进地功能清单，具体包括：结构 高度非线性分析、电磁分析、计算流体分析、设计优化、接触分析、自适应网格 划分以及利用a n s y s 参数设计语言扩展宏命令等功能。 a n s y s 结构分析方案 制定结构分析方案通常考虑地分析因素包括以下方面： 分析领域 分析目标 线性动力问题 分析细节地考虑 几何模型对称性 奇异性 单元类型 网格密度 单位制 材料特性 载荷 求解器 分析方案制定地好坏直接影响到分析地精度和成本，例如人耗工时和计算机 资源等。在结构应用中，分析目的直接决定分析近似模型的确定。 在结构分析中，分析目的通常有： 要想得到极高精度的应力结构，必须保证影响精度的任何结构部位有理想 的单元网格，不对几何形状进行细节上的简化。应力收敛应当得到保证，而任何 1 6 2 新型电动代步车结构方案设计与分析 位置所作的任何简化都可能引起明显的误差。 在忽略细节的情况下，使用相对较粗糙的单元网格计算转角和法向应力。 复杂的模型要求具有较好的均匀单元网格，并允许忽略细节因素。 a n s y s 基本分析过程 一般而言，a n s y s 的基本分析过程可以分为3 步，即： 前处理r c i 玳嘴s r ) 施加载荷与求解( s o l u t i o n ) 后处理( p o s t p r o c e s 肼) a n s y s 对每一个分析步骤都提供有一定的工具模块。 前处理主要在前处理器在前处理( p r e p r o c e a s o r ，p p , _ e p t ) 中完成，包括有限元 模型的创建等。 施加载荷与求解主要在求解器( s o l u t i o n ，s o l u ) 中完成，主要操作包括定义 自由度、施加载荷、设定分析类型以及求解等。 后处理在后处理器中完成，a n s y s 有通用后处理器( g e n e r a l p r e p r o c e s s o r , p o s t l ) 和时程后处理处理器( t l m e h i s tp r e p r 0 h c e 鹤傩p o s t 2 6 ) 两种。前 者主要用于静态分析的结果后处理，而后者主要用于动态分析结果的后处理。 前处理 前处理的主要任务时建立结构分析的有限元模型，它是结构分析的开始，一 般步骤为： 分析准备 设置单元类型 设定实常数 定义材料属性 创建模型 划分网格 施加载荷与求解 施加载荷与求解的主要任务实进行结构的计算，一般步骤为： 旌加载荷条件 给定边界条件及求解 后处理 后处理的主要任务实进行结构的分析。 p o s t l 用于静态结构分析、屈服分析及模态分析，将解题部分所得的解答如 位移、应力和反力等资料，通过图形接口以及各种不同的表示方式把等位移图和 等应力图等显示出来。p o s t 2 6 仅用于动态结构分析，进彳亍与时阃相关的时域处理。 1 7 重庆大学硕士学位论文 a n s y s 软件在工程上的应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等 领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界的好评。使用该软件，能降 低设计成本，缩短设计时间。 2 3 新型电动代步车结构设计【i 】 2 3 1 整体布置与分析【1 4 7 本课题设计的电动代步车采用四轮结构，动力布置形式是电动机后置、后轮 驱动，且将无刷直流电机安装在后轮轮毂内与后轮组合成为一个整体，这样可以 节省车身内部空间，使动力总成机构简单、便于维修拆卸；同时，对提高动力传 动效率及减轻整车重量等都是很有利的。布置如图2 8 所示。