两轮自平衡代步滑板的机械结构设计与有限元分析

王一博，卿 铜，刘博文

（黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨150050）

近几年，自动平衡技术发展十分迅速，该技术在各行各业里得以广泛的应用，特别是在电动车领域，用于代步的自平衡车得到人们的密切关注。在2001年，美国发明家狄恩卡门（Dean Kamen）与他的DEKA研发公司（DEKA Research and Development Corp.）团队发明设计了世界上第一辆能够自主平衡的人类运输工具Segway［1］。Segway内置5个精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿态，通过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，两台驱动马达来做到平衡效果，最高时速25km，最大载重110kg。在2004年，中国科技大学屠动武、张培仁等［2］研制出了两轮自平衡代步车Free Mover，其车架和轮轴位于同一水平面上，以两台低速有刷电机作为动力来源，车重30kg，最高时速30km。

两轮自平衡车主要由控制系统和机械结构两大部分组成。控制部分则采用当前流行的动平衡技术，而在结构方面，无论是在国内还是在国外结构形态都基本相似，驾驶者直立在平台上，双手控制操纵机构。同时，自平衡独轮车也渐渐进入人们的视野。本次设计的自平衡电动滑板不仅可以当做滑板使用，而且用户还可以体验到与滑雪板和冲浪板一样的运动感受，更重要的是解放了用户的双手。两轮自平衡车（segway）和自平衡独轮车（IPS）的机械结构各有优点，因此笔者结合两者结构优点提出一个新的结构方案，并对关键部件进行有限元分析。

1 两轮自平衡代步滑板的平衡原理

图1为两轮自平衡代步滑板在水平路面上行驶的物理模型。如果某一瞬间驾驶者与竖直方向成一倾斜角θ，同时给车轮一个顺时方向的力矩M＝M0，让车轮在路面上加速滚动，由于惯性的存在，滑板不会绕车轮轴A转动但会有平动产生。与此同时，轮胎与地面的静摩擦力f为临界驱动力，排除空气阻力和车轮滚动阻力的影响，可以得到M0与f 的关系式［3］为

式中：M0为临界驱动力矩；f为临界驱动力；R为车轮半径；m2为车轮质量。

对于临界驱动力f，文献［4］中可以得到表达式

式中，m1为驾驶员（包括滑板车架及操纵机构）的质量。

图1 自平衡滑板的受力分析

将式（2）代入式（1）得

如果使M＞M0，滑板将绕车轮轴A逆时针转动，回到竖直位置，达到平衡效果。

2 两轮自平衡代步滑板结构设计

2.1 基本设计参数

滑板长度900mm，滑板宽度220mm，滑板整体重量20kg，平衡角度－8°～8°，最大爬坡角度10°，最大载重100kg，最大车速15km／h，平均车速10km／h。

2.2 车架的结构设计

为了全面准确地了解两轮自平衡代步滑板的外观，便于最终方案的确定，在其设计制作之初，运用 Autodesk Inventor Professional［4］软件中的零件设计模块对车架部分进行三维设计，得到以下两种设计方案［5］，如图2、图3所示。

图2 方案1

图3 方案2

方案1与传统的滑板结构类似，两轮自平衡代步滑板采用平行结构。滑板上表面平整，滑板前后结构对称，前部和后部，采用两层钢管结构，滑板中部一层钢管。

方案2与传统的滑板不同，两轮自平衡代步滑板采用梯形结构。设计初始的滑板模型大致可分为前、中、后3个部分。中间部分向上凸起，前后两部分则是由上下两根钢管构成，四周用梯形钢管做成倒角。

对比方案1和方案2，在外部条件相同的情况下，可以得出方案2的重心要比方案1更低。对于操纵稳定性，由于重心更低，加上气流压力的作用，让两轮自平衡滑板更稳定，抓地力更强，让两轮自平衡滑板在行驶时更为平衡稳定，转向时不容易倾侧，因此操控性更强，转向时的安全性也更好，在受到威胁时可以快速转向而不轻易翻车，稳定系数高。综上所述，方案2更加符合操纵稳定性的要求，所以选方案2为两轮自平衡滑板车的车架。

2.3 轮毂法兰盘的设计

以互换性为原则，轮胎为选购标准的尺寸，在选购轮胎时轮胎本身自带轮毂，但轮胎与电机无法连接，所以在原有轮毂基础上添加了一个法兰机构，构成了轮毂法兰盘，如图4所示。该机构直接把电机的动力传递给车轮，可以避免不必要的传动机构，并有利于减少传递过程中机械损失。此外，轮毂和法兰设计成一体式，以便轮胎的拆装和更换，有利于降低维修的难度。

图4 轮毂法兰盘

2.4 两轮自平衡滑板的整体布置

图5 为两轮自平衡滑板的整体结构图，图中显示的是主要零部件，支撑面和传感器部分等被隐藏。

该滑板主要由前、中、后3部分组成。前后两部分则是由上下两根钢管构成，在滑板车架的中部有足够的空间安装电机和驱动板等零件。后部两根钢管的间隙可以放置锂电池板和电池板保护垫，电机则安装到中部梯形结构钢管的下方。

图5 整体结构

3 车架的有限元分析

目前国内应用比较多的有限元分析软件主要是ANSYS［6］，但由于其涉及学科众多，建模比较复杂，所以其应用有一定难度。而Autodesk Inventor Professional软件中的有限元分析模块是以ANSYS软件的网格划分和数值运算的内核技术，因此不仅在建模、施加力和约束方面的操作比较简单，而且在运算结果方面也比较准确。本文则主要基于 Autodesk Inventor Professional软件中的有限元分析模块对车架进行分析［7］。

车架由矩形方钢管（材质Q235钢［8］，尺寸规格宽×高为20mm×20mm，厚度为2mm）焊接而成。主要参数见表1，车架承受驾驶者的重力载荷和电机连接处的支反力。中间4根管的底面为固定约束对象，为了简化分析，车架只受到驾驶者的压力，用静态值来计算，保留充足的安全系数，来减少计算过程中产生的误差。约束车架中间4根支撑钢管的底面，如图6所示；向左右两侧12个受力面施加载荷，如图7所示，所施加载荷为

表1 材料参数

图6 车架所受约束示意图

图7 车架受力示意图

表2为车架的有限元分析结果。该车架的本体材料为Q235，从材料手册［9］查出其弹性模量E＝196～216GPa，泊松比为0.3，计算后显示，最大应力为18.953 7MPa，如图8所示。在不考虑约束影响造成的局部过大应力的情况下，应力较大的值分布在车架梯形钢管连接处，远小于材料的许用应力235MPa。如图9所示，最大位移为0.056mm，变化非常小，所以，该车架的静力分析满足设计要求［10］。

图8 车架应变和应力云图

图9 车架应变和应力云图

表2 分析结果

4 结束语

两轮自平衡代步滑板以自平衡技术和传统滑板相结合，成为新型的城市代步工具，具有良好的发展前景，笔者对车架进行设计和有限元分析，从分析结果看出，车架的强度达到预期设计要求。

［1］ Essa.Segway次世代的移动方式［J］.城色，2008（7）：110－113.

［2］ 张培根，屠运武，张先舟，等.自平衡两轮电动车［P］.中国：CN 1502513A2004－6－9.

［3］ 程刚，屈胜利，刘学超.两轮自平衡小车可控角度的推导研究［J］.伺服控制，2008（6）：51－52.

［4］ 胡仁喜.Autodesk官方标准教程系列［M］.北京：电子工业出版社，2014.

［5］ 苏梦香，郑超欣，王佳梅，等.基于 Autodesk Inventor的三维参数化设计方法［J］.机械设计与制造，2007（6）：168－169.

［6］ 赵雨旸.基于ANSYS的变速器齿轮有限元静力学分析［J］.黑龙江工程学院学报：自然科学版，2009，23（9）：1－10.

［7］ 李现友，段伟.Inventor有限元分析模块的实例应用［J］.包头职业技术学院学报，2009（4）：20－22.

［8］ 丁发兴，余志武，温海林.高温后Q235钢材力学性能试验研究［J］.建筑材料学报，2006（2）.

［9］ 付建勋，李京社，汪春雷，等.Q235钢杨氏弹性模量的研究［J］.材料导报，2009（18）：68－70.

［10］张三川，彭楠，李霞.两轮自平衡电动车的结构设计与有限元分析［J］.郑州大学学报，2011（1）：30－33.