附錄A
Tray selection and with the shelves, forklift match?
First, the selected tray Size:?
When used plastic pallets, according to the requirements of the project, the selected size will be different.?
1. First, consider the specifications and packaging of goods placed in the plastic tray method.?For example: the European standard turnover box size is 600 * 400mm, 1200 * 1000mm pallet in place a layer of 5 in 1200 * 800mm layer placed on the tray 4, the general stacking 5 layers.?
2. Consider the pallet loading tools (such as containers, trucks, etc.).?For example: If you are working round-trip or one-time use, you need to give priority to the width of 2300mm of integrated container shipping, for 1200 * 1000mm pallet, length 1200mm and width 1000mm to use a combination of place, must be selected to enter the fork 4.?The tray on the 1200 * 800mm, 800mm width direction with two side by side.?The pallet of 1100 * 1100mm width by 1100mm, placed 2, 2, or 4 to enter the fork into the fork can be.?
3. If used in the warehouse shelves, shelves to consider the size of width and depth, usually select the shelves each placed two trays of each cargo space, and allow access to the space of about 200mm.?In depth direction as far as possible to give large size, this does not produce plastic pallets carrying capacity of the stringent requirements in order to save procurement costs.?
4. If the use of automated warehouse shelves, in addition to meet the above requirements, but also take into account the slip coefficient of the tray, the tray bottom with transmission equipment and chain, into the fork height, carrying capacity on the shelves, permanent deformation,?length of surface deflection, the position of bar coding and RFID chips placed on other factors.?
5. Use plastic trays should also consider the size of generality, the size of the domestic common international standard for the 1210, 1208 European standard and T11 Japanese standard tray.?
Second, the choice of single and double-sided:?
1. Single use plastic pallets only one side, the surface grid of two peace-plate, the bottom of Sichuan fonts, font, or nine square field pad feet, according to carrying capacity and the use of different occasions into shelf series,?standard series and ultra-light series of three standards.?
2. Sided plastic tray that the same structure on both sides of the tray, the surface grid plate of peace are two sides to exchange used, based on carrying capacity and the use of different occasions, the shelves are divided into two series and standard series standards.?
3. Use double-sided tray or trays should be based on the appropriate storage, loading and unloading equipment and state (such as the library type, rack type, stacking or placing the state, etc.) to determine.?
4. For the small footprint of the ASRS or high shelves, or electric stacker forklift to move vertically oriented occasion, single-sided double-sided shelf series shelf series of trays and trays can be chosen.?
5. If the three-dimensional library or load up on the shelves of 1T, but there is no ceiling shelves, the proposed shelf tray with built-in pipe.?Steel structure steel tray built an effective solution to the product on the shelf load the greater the greater the weight, the old problem of high cost, more importantly, about the use of square steel tube wall thickness of 2mm rigid, reaching the shelves?(ASRS) are horizontal and vertical deflection ≤ 10mm stringent requirements, while reducing the permanent deformation and reduce costs.?
6. For the area, mainly the large and the level of the occasion, if the manual handling hydraulic pallet truck is suitable for use single-sided tray.?For stacking of goods to the bottom of the tray above and below the cargo coincide, the swastika with the end of double-sided tray or tray-type side is better.?If using self-moving motorized pallet trucks are suitable for articles not connected with the bottom of the nine feet single tray.?
Third, the load requirements?
1. Dynamic load refers to the use of electric forklift or a manual hydraulic pallet truck can lift the maximum weight allowed.?General shelf tray to load-bearing 1.5T-2T, the standard load-bearing pallet can 1T, lightweight tray dynamic load 0.5T.?
2. Static load refers to the stacking, the bottom of the plastic tray can bear maximum weight.?General shelf tray to load-bearing 6T-8T, the standard load-bearing pallet can 4T, lightweight tray static 1T.?
3. Shelf load refers to the plastic tray packaging on the shelves when the maximum allowable weight.?Must pay attention to dynamic load, static load, load library shelf load and establish the difference between carrying capacity and shelves of different structures, closely related to ambient temperature and storage period.?General heavy trays on a shelf in load-bearing beams 0.7T-1T, standard tray loading 0.4T-0.6T.?
4. Shelf load permanent deformation of the plastic tray and deflection have certain requirements, national standards for the maximum deflection 30mm, but this was partial width.?We recommend using the deflection on the shelf no more than 20mm of plastic pallets.?If the automatic warehouse, the requirements of the degree of deflection even more stringent, generally require less than 10mm.?Cheng Machinery silver mesh)
附錄B
電動(dòng)平衡叉車(chē)是以直流電源（電瓶）為動(dòng)力的裝卸及搬運(yùn)車(chē)輛。據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)，日本1992年電動(dòng)叉車(chē)產(chǎn)量就已經(jīng)超過(guò)了叉車(chē)總量的1/3。在德國(guó)、意大利等一些西歐國(guó)家，電動(dòng)叉車(chē)所占的比例達(dá)到50%左右。電動(dòng)叉車(chē)的迅速發(fā)展主要得益于各生產(chǎn)廠(chǎng)家的不斷進(jìn)步。產(chǎn)品外形大多采用了流線(xiàn)型設(shè)計(jì)，造型更加美觀(guān)。主要生產(chǎn)廠(chǎng)家實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)和零部件專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)和裝配流水線(xiàn)作業(yè)。加工精度、自動(dòng)化程度都提高了。在新材料、新工藝方面，最重要的體現(xiàn)是晶體管控制器（SCR和MOS管）應(yīng)用。它的出現(xiàn)使電動(dòng)叉車(chē)的使用性能得到很大的提高，從總體上說(shuō)，電動(dòng)叉車(chē)的耐用性、可靠性和適用性都得到顯著提高，完全可以與內(nèi)燃機(jī)叉車(chē)相抗衡。
?? 本文主要評(píng)述市場(chǎng)上銷(xiāo)量較大的四支點(diǎn)電動(dòng)平衡叉車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)展。
車(chē)體是叉車(chē)的主體結(jié)構(gòu)，一般都是由5mm以上鋼板制成，其特點(diǎn)是無(wú)大梁，車(chē)體強(qiáng)度高，可承受重載。
?? 就電瓶在叉車(chē)車(chē)體上的放置位置而言，有兩種不同的制造技術(shù)。即電瓶安置于前后橋之間或后橋之上。
?? 這兩種技術(shù)代表了叉車(chē)設(shè)計(jì)的兩種最優(yōu)選擇，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，穩(wěn)定性好，但是車(chē)體內(nèi)的可利用空間較小，因此限制了電瓶的容量，這對(duì)于載重量不超過(guò)3t的叉車(chē)并不突出，但對(duì)于那些運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，8h工作時(shí)間內(nèi)電瓶容量要求高的大噸位叉車(chē)就變得嚴(yán)重了。
?? 采用大容量電瓶，以延長(zhǎng)電動(dòng)叉車(chē)的持續(xù)工作時(shí)間，從而擴(kuò)大電動(dòng)叉車(chē)的使用范圍，這是各叉車(chē)制造商共同追求的目標(biāo)。
?? 例如，STILL公司的R60/40系統(tǒng)叉車(chē)，由于采用了第一種技術(shù)，其最大的電瓶容量為80V，870A.h;69.6kW.h,而CARER公司的R40叉車(chē)由于采用第二種技術(shù)，電瓶容量達(dá)到960A.h;76.8kW.h（高出了10.35%）。在LINDE公司采用第一種技術(shù)的E40系列叉車(chē)上可安裝電瓶的最大容量為735A.h,58.8kW.h。同樣規(guī)格的CARER公司叉車(chē)，由于采用了第二種技術(shù)，可安裝電瓶的最大容量增加30.6%。
?? 第二種情況，當(dāng)電瓶布置在叉車(chē)后橋上時(shí)，叉車(chē)的重心提高了，整機(jī)穩(wěn)定性受到影響，由于叉車(chē)的高度增加，司機(jī)的座位提高，因而司機(jī)在操作時(shí)視野更開(kāi)闊，特別是搬運(yùn)體積大的貨物時(shí)就更適用了。當(dāng)電瓶安置在后橋上，電機(jī)和液壓泵的維修更方便，因?yàn)椴鹱唠娖亢湍_踏板后，電機(jī)和液壓泵便一目了然。
?? 目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的電動(dòng)叉車(chē)，大多采用的是第二種技術(shù)，而國(guó)外企業(yè)則兩種情況都有。
?? 2 門(mén)架
?? 目前，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)叉車(chē)大部分已經(jīng)采用寬視野門(mén)架，起升液壓缸由中間放置改為兩側(cè)放置。液壓缸的放置位置有兩種：一種是液壓缸位于門(mén)架后面，如撫順叉車(chē)廠(chǎng)和TOYOTA的電動(dòng)叉車(chē)；另一種是液壓缸位于門(mén)架外測(cè)，如南京華瑞電動(dòng)叉車(chē)和BALKANCAR叉車(chē)。CARER公司的R40/45系列電動(dòng)叉車(chē)的液壓缸位于門(mén)架外側(cè)，R50/60/70系列叉車(chē)的液壓缸則位于門(mén)架后面。
?? 門(mén)架一般分為標(biāo)準(zhǔn)型、兩節(jié)型或三節(jié)型。國(guó)內(nèi)叉車(chē)的起升高度一般在2~5m之間，且以3m及3m以下的居多，而國(guó)外電動(dòng)叉車(chē)的起升高度一般在2~6m之間，由于倉(cāng)庫(kù)的立體化程度高，因此起升高度3m以上，電動(dòng)叉車(chē)的需求量比國(guó)內(nèi)高得多。
?? 3 駕駛室
?? 由于多數(shù)電動(dòng)叉車(chē)用于室內(nèi)搬運(yùn)，因此一般沒(méi)有封閉的駕駛室，只安裝起防護(hù)作用的護(hù)頂架。世界上比較先進(jìn)的電動(dòng)叉車(chē)，如：LINDE的E20新型叉車(chē)駕駛室，按先進(jìn)的人機(jī)工程學(xué)原理開(kāi)發(fā)研制，采用舒適的液壓減振懸掛式座椅，能夠根據(jù)駕駛員的身高和體重進(jìn)行調(diào)整。雙踏板加速系統(tǒng)在叉車(chē)改變行駛方向時(shí)無(wú)需轉(zhuǎn)向，方向盤(pán)立柱的傾角可根據(jù)駕駛員的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。中心液壓操縱桿集門(mén)架的升降和前后于一體。所以這些新設(shè)計(jì)都大大地減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
?? 4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
?? 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)叉車(chē)的關(guān)鍵部件之一。各種叉車(chē)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上存在很大的差別，有單電機(jī)布置形式上也存在差別，如國(guó)內(nèi)撫順產(chǎn)的叉車(chē)，其電機(jī)軸與驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槎∽中徒Y(jié)構(gòu)，而國(guó)外TOYOTA和BALKANCAR叉車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸與驅(qū)動(dòng)橋卻是布置的，結(jié)構(gòu)緊湊。LINDE的E20電動(dòng)叉車(chē)和CARER的P50叉車(chē)的前輪驅(qū)動(dòng)是由兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)來(lái)完成的，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸平行放置，結(jié)構(gòu)緊湊。由于是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加速和爬坡性能好，牽引力大，采用了電子整速系統(tǒng)，替代原來(lái)的機(jī)械差速系統(tǒng)，使用性得到了很大的提高。
?? 5 液壓系統(tǒng)
?? 電動(dòng)叉車(chē)一般都采用單獨(dú)的電機(jī)，帶動(dòng)齒輪泵，從而為其門(mén)架工作系統(tǒng)的提升和傾斜提供液壓動(dòng)力。目前國(guó)產(chǎn)叉車(chē)，由于沒(méi)有實(shí)現(xiàn)液壓電機(jī)的調(diào)速，液壓電機(jī)在啟動(dòng)后，只能高速轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)隨著功能和壓力的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)，多余的流量只能通過(guò)溢流閥流回油箱，造成能量浪費(fèi)。國(guó)外新型叉車(chē)，如LINDE的E20電動(dòng)叉車(chē)，采用了先進(jìn)的液壓脈沖控制技術(shù)，液壓泵脈沖控制器能夠根據(jù)液壓回路的反應(yīng)，自動(dòng)平衡電機(jī)速度與用油量，從而節(jié)約電能，這種控制的優(yōu)點(diǎn)是電源利用率高，無(wú)電壓峰值，液壓系統(tǒng)的噪聲低，液壓元件的磨損也低，從而大大地提高了整車(chē)的可靠性和使用壽命。
?? 6 制動(dòng)系統(tǒng)
?? 一般的電動(dòng)叉車(chē)主要采用機(jī)械式停車(chē)制動(dòng)和液壓式行車(chē)制動(dòng)。停車(chē)采用手制動(dòng)，行車(chē)采用腳制動(dòng)。
?? NISSAN公司BX系列電動(dòng)叉車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)裝有一個(gè)主導(dǎo)真空增壓器，可保證任何時(shí)候都有足夠的主動(dòng)壓力，既增加了制動(dòng)的安全性，又減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
?? CARER電動(dòng)叉車(chē)采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)。膨脹型制動(dòng)有外部控制，并采用動(dòng)力輔助制動(dòng)（與動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力形式相同）。
?? SCR 和MOS管的使用，使電瓶叉車(chē)的制動(dòng)能量再生成為可能。能量再生過(guò)程也就是一個(gè)電子制動(dòng)過(guò)程，電子制動(dòng)在以下三種情況下產(chǎn)生：
?? （1）松開(kāi)加速器控制踏板時(shí)。
?? （2）踏下反向的加速器踏板時(shí)。
?? （3）踏下液壓制動(dòng)踏板的第一級(jí)時(shí)。
?? 對(duì)于LINDE的E20和CARER的P50電動(dòng)叉車(chē)，當(dāng)初次或者輕輕踏下制動(dòng)器時(shí)，牽引電機(jī)將變成一臺(tái)發(fā)電機(jī)，將電能補(bǔ)送回電瓶，而不象一般叉車(chē)制動(dòng)時(shí)將能量白白地浪費(fèi)掉。只有在進(jìn)一步制動(dòng)時(shí)，液壓制動(dòng)才真正起作用。這種制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是延長(zhǎng)了每次充電后的工作時(shí)間，減少了制動(dòng)系及傳動(dòng)元件的磨損，也減少了維修的停工時(shí)間，因而降低了使用成本。
?? 7 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
?? 平衡叉車(chē)都采用后輪轉(zhuǎn)向，且工作范圍小，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)頻繁。如果采用機(jī)械轉(zhuǎn)向，則駕駛員的工作強(qiáng)度會(huì)很高。如果采用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，則勞動(dòng)強(qiáng)度會(huì)大大降低。因此，現(xiàn)在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的叉車(chē)基本上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力轉(zhuǎn)向。國(guó)內(nèi)電瓶叉車(chē)的液壓轉(zhuǎn)向一般是轉(zhuǎn)向電機(jī)在叉車(chē)工作過(guò)程中不停地滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，因此造成了不必要的能量浪費(fèi)，以及電機(jī)和液壓減的磨損。但是，LINDE 和NISSAN等公司的電瓶叉車(chē)，其動(dòng)力轉(zhuǎn)向則更進(jìn)了一步，即通過(guò)方向盤(pán)不動(dòng)時(shí)，則轉(zhuǎn)向電機(jī)不工作。此功能不但節(jié)約能量，還延長(zhǎng)了再次充電后的可工作時(shí)間，縮短了轉(zhuǎn)向電機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間，因此也減少了電機(jī)和液壓泵的磨損。
?? 日本小松公司的電瓶叉車(chē)采用EPS速度傳感器動(dòng)力轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)是“負(fù)荷感應(yīng)型”轉(zhuǎn)向，帶有一個(gè)伺服制動(dòng)和動(dòng)力液壓轉(zhuǎn)向型優(yōu)先配給閥。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用提升電機(jī)的動(dòng)力，能自動(dòng)選擇轉(zhuǎn)向所需的最佳力。
?? 8 電控及其自我診斷和液晶顯示系統(tǒng)
?? 電氣控制是顯示電動(dòng)叉車(chē)技術(shù)水平的一個(gè)重要因素。因此，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電瓶叉車(chē)的電控也日趨完善。電動(dòng)機(jī)控制器的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
?? （1）電池直接啟動(dòng)，僅靠復(fù)雜的調(diào)整或電池的放電控制。
?? （2）電阻器啟動(dòng)?？刂颇芰繐p失大，只可有限地分解速度。
?? （3）晶閘管控制器（也叫可控硅控制器）控制。
?? 晶體管控制使可靠性大大提高。
?? （4）雙極晶體管控制。與晶閘管相比，使用更加簡(jiǎn)單，但是電路的可靠性要求比較高。
?? （5）MOS場(chǎng)效應(yīng)管（即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）控制。門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流小，并聯(lián)控制特性好，正向電壓降較小，開(kāi)關(guān)損失降低，MOS場(chǎng)效應(yīng)管比雙極晶體管的控制特性更好。由于減少了元器件，并采用全封閉裝置，可靠性大大提高。通常SCR（可控硅）控制器的插座電壓為1~1.5V，而MOS場(chǎng)效應(yīng)管控制器的插座電壓0.25V。MOS管場(chǎng)效應(yīng)管的工作效率更高，允許的最高速度更大，操作噪聲更小，保護(hù)措施更強(qiáng)，所以的用戶(hù)電源都有防短路保護(hù)裝置，并且具有獨(dú)特的三項(xiàng)安全保護(hù)措施，即軟件自動(dòng)保護(hù)措施，硬件自動(dòng)保護(hù)和硬件自我診斷保護(hù)。
?? 晶體管斬波器在叉車(chē)上的成功應(yīng)用，除了實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和再生性制動(dòng)外，還增加了自我故障診斷和液晶數(shù)字顯示功能。
?? 日本小松公司電動(dòng)叉車(chē)裝有液晶顯示控制器，用各種符號(hào)作代表，具有可讀性。指示器對(duì)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤向駕駛員發(fā)出警報(bào)，包括松開(kāi)和鎖定停車(chē)制動(dòng)器，安全空擋聯(lián)鎖裝置和電瓶的過(guò)量放電，顯示出各種數(shù)據(jù)包括電瓶放電量，電解液量，工作時(shí)間和行駛速度等，可以隨時(shí)向駕駛員報(bào)告可能出現(xiàn)的故障，大大方便了叉車(chē)的維護(hù)與保養(yǎng)。同時(shí)，可以向駕駛員提供行駛速度和叉車(chē)載重量等參數(shù)，也為駕駛員的科學(xué)操作提供了依據(jù)，從而延長(zhǎng)叉車(chē)的使用壽命。
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兩輪平衡車(chē)的設(shè)計(jì)
摘 要
兩輪自平衡車(chē)結(jié)合了兩輪同軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、懸架結(jié)構(gòu)和倒立擺模型的自平衡原理，是一種在微處理器控制下始終保持平衡的集智能化與娛樂(lè)性于一體的新型代步工具。整車(chē)由底盤(pán)、動(dòng)力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置組成。
底盤(pán)采用下沉式的懸架結(jié)構(gòu)，降低車(chē)身和使用者的重心減小了平衡控制難度,利用阻尼器削弱沖擊力提高駕駛舒適性；控制部分由陀螺儀和加速度計(jì)作為傳感器模塊監(jiān)測(cè)車(chē)體狀態(tài)，可獲得精確穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)微處理器實(shí)時(shí)處理狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而由驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以維持車(chē)體平衡；轉(zhuǎn)向操縱桿高度可調(diào)節(jié)亦可折疊，以適應(yīng)不同高度人士使用又便于運(yùn)輸和存放；采用電池作為動(dòng)力能源，當(dāng)車(chē)減速或下坡時(shí)可自動(dòng)回送電能更加節(jié)能。
兩輪自平衡車(chē)的基本設(shè)計(jì)理念是娛樂(lè)、經(jīng)濟(jì)、安全、方便、節(jié)能環(huán)保。本車(chē)具有運(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)它價(jià)格低廉、性?xún)r(jià)比高，娛樂(lè)性和適用性增強(qiáng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀(guān)車(chē)輛的體積大、功耗多，不適于單人使用的缺點(diǎn)。兩輪自平衡車(chē)適用范圍更廣，市場(chǎng)需求大，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)推廣價(jià)值和市場(chǎng)潛力。
關(guān)鍵詞：兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)，環(huán)保， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，陀螺儀，控制電路。
第一章 緒論
在研究?jī)奢喿云胶廛?chē)技術(shù)中主要涵蓋了機(jī)械和電子兩大系統(tǒng)技術(shù)，機(jī)械系統(tǒng)中研究的是各個(gè)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的分析以及所研究機(jī)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域所發(fā)揮的功能等。而電子系統(tǒng)中要完成的是對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的精確地控制、調(diào)節(jié)及有關(guān)信息的反饋。目前而言，自平衡車(chē)的應(yīng)用范圍很小，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)臻于成熟，但還有待于進(jìn)一步的發(fā)展優(yōu)化，以便應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域。
圖1. 市場(chǎng)上的兩輪自平衡代步車(chē)
1.1課題研究的背景及意義
1.1.1兩輪自平衡車(chē)的研究背景
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源消耗，環(huán)境污染，交通擁擠，生活空間狹小的問(wèn)題不斷出現(xiàn)，個(gè)人認(rèn)為解決這些迫在眉睫的問(wèn)題，也需要我們貢獻(xiàn)自己的一點(diǎn)力量。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了兩輪自平衡代步車(chē)（圖1），因其技術(shù)含量較高，占地面積小，靈活性和路面通過(guò)性強(qiáng)，非常適用于大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、展覽館、博物館、體育館、廣場(chǎng)等室內(nèi)外場(chǎng)所工作人員、購(gòu)物者、觀(guān)眾的代步工具。本文將對(duì)相關(guān)方面的技術(shù)作進(jìn)一步的研究。
1.1.2 研究意義
兩輪自平衡車(chē)運(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)便，適于單人使用且適用范圍廣，增加了人們對(duì)外出活動(dòng)的興趣，減少人們的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，解決人們時(shí)間不充足的問(wèn)題。本產(chǎn)品結(jié)合了兩輪自平衡系統(tǒng)的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能化的控制系統(tǒng)特點(diǎn)，其研制意義可歸納為：
①該車(chē)作為載人行駛的代步工具，可根據(jù)需要將該車(chē)改造為大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、展覽館、博物館、體育館、廣場(chǎng)等室內(nèi)外場(chǎng)所工作人員、購(gòu)物者、觀(guān)眾的代步工具，因而具有一定的使用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。
②自平衡系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和倒立擺一樣，可以作為一類(lèi)研究對(duì)象進(jìn)行各種控制算法的研究與驗(yàn)證，用于檢驗(yàn)新型控制技術(shù)的正確性，也可在教學(xué)中作為典型實(shí)例進(jìn)行講授。
③以本產(chǎn)品為基礎(chǔ)，改造成適合工業(yè)或民用的兩輪移動(dòng)機(jī)器人。兩輪移動(dòng)機(jī)器人擁有傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人的靈活性、機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性等特點(diǎn)，是智能機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)嶄新的研究方向。
④采用電能作為動(dòng)力能源，節(jié)能環(huán)保，有助于緩解環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題。
⑤該平衡車(chē)操作簡(jiǎn)單，智能控制，性?xún)r(jià)比高，適用范圍廣，有一定的市場(chǎng)潛力。
1.2 兩輪自平衡車(chē)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外研究狀況
兩輪自平衡小車(chē)的相關(guān)研究始于1987年，兩輪自平衡系統(tǒng)首先是由日本學(xué)者
由日本東京電信大學(xué)自動(dòng)化系的山藤一雄教授提出類(lèi)似的設(shè)計(jì)思想。1986年，該國(guó)的Kazuo Yamafu ji教授突發(fā)奇想設(shè)計(jì)了一個(gè)兩輪同軸、重心高高在上的模型。在這個(gè)模型中，電機(jī)和控制芯片設(shè)計(jì)在上部，靠很多個(gè)陀螺儀來(lái)監(jiān)測(cè)模型的姿態(tài)。受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的限制，Kazuo Yamafu ji的兩輪自平衡模型只能沿著事先設(shè)置好的軌道行駛。而無(wú)法完成預(yù)期的目標(biāo)，但隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，取得了一定的成果。
美國(guó)發(fā)明家Dean Kaman于1995年開(kāi)始秘密研制，直到2001年12月才將這項(xiàng)高度機(jī)密的新發(fā)明公布出來(lái)，2003年3月正式在美國(guó)上市（圖2）。它的工作原理主要是建立在一種與人體的平衡能力相似的，被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定” 主要通過(guò)內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀、傾斜傳感器以每秒100次的頻率來(lái)判斷車(chē)體姿態(tài)，測(cè)出駕駛者重心，透過(guò)精密 且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過(guò)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)做到動(dòng)態(tài)平衡的效果。以每秒高頻次的頻率進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能自動(dòng)保持平衡。假設(shè) 我們以站在車(chē)上的駕駛?cè)伺c車(chē)輛的總體重心縱軸作為參考線(xiàn)。當(dāng)這條軸線(xiàn)發(fā)生偏折時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)平衡。
圖2美國(guó)研制的平衡機(jī)構(gòu)
當(dāng)今時(shí)代不少?lài)?guó)家都對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的研究有了更深入的研究。2002年，美國(guó)的Dan Piponi設(shè)計(jì)的機(jī)器人只適用于平坦路線(xiàn)。同年，瑞士以Felix Grasser為首的一個(gè)研究小組制作設(shè)計(jì)了一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的可以遠(yuǎn)程控制的兩輪自平衡機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿(mǎn)意。美國(guó)科學(xué)家David P.Anderson研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人（圖3）。比如通過(guò)控制可實(shí)現(xiàn)其本身的零半徑回轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。
圖3 兩輪自平衡機(jī)器人
2005年，自行車(chē)系統(tǒng)的平衡控制理論取得突破。日本的村田制作所向公眾展示了其最新研究。隨后的幾年時(shí)間里兩輪自平衡車(chē)無(wú)論是其控制系統(tǒng)還是機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇方面都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究狀況
國(guó)內(nèi)對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的研究起步較晚，但也取得了很大的進(jìn)步。2003年臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)也制作了一個(gè)兩輪自平衡模型，并通過(guò)模糊控制理論對(duì)其進(jìn)行了控制，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的應(yīng)用。2005年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一個(gè)研究小組研制出一個(gè)兩輪自平衡機(jī)器人的樣機(jī)（圖4）。依靠的基本原理是陀螺儀來(lái)檢測(cè)車(chē)體的姿勢(shì)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)的運(yùn)行。
圖4 兩輪自平衡機(jī)器人的樣機(jī)
近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著對(duì)兩輪自平衡小車(chē)研究的深入,國(guó)內(nèi)平衡車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的不斷完善，我國(guó)在這領(lǐng)域的研究也取得不斷地發(fā)展。
設(shè)計(jì)兩輪平衡車(chē)主要克服的問(wèn)題是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇等方面突出其體積小，節(jié)能減排的理念。而平衡車(chē)平衡控制的實(shí)現(xiàn)，依靠控制系統(tǒng)中硬件部分控制電路設(shè)計(jì)，傳感器模塊中參與信號(hào)參數(shù)檢測(cè)的陀螺儀及加速度計(jì)及軟件部分的控制器。
1.3 本文主要完成的內(nèi)容結(jié)構(gòu)
以機(jī)械設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，參閱機(jī)械專(zhuān)業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)，提出兩輪自平衡電動(dòng)小車(chē)的整車(chē)結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)其中的某些關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。
全文共分為六章
第一章為緒論，闡述了兩輪自平衡小車(chē)的課題背景和研究意義，介紹了國(guó)內(nèi)
外平衡小車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)本文的研究問(wèn)題給予了說(shuō)明。
第二章為總體的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡車(chē)的工作原理。
第三章為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括車(chē)身，車(chē)架結(jié)構(gòu)，懸架的結(jié)構(gòu)，配電箱設(shè)計(jì)，動(dòng)力裝置，控制裝置，轉(zhuǎn)向裝置，以及對(duì)本章的小結(jié)。并借助機(jī)械設(shè)計(jì)軟件繪出具體模型。
第四章為控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)，傳感器，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制程序及控制電路等。
第五章為研究課題的結(jié)論。
第二章 總體設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
兩輪自平衡小車(chē)的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)大部分。一是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，二是控制系統(tǒng)。機(jī)械部分包括:車(chē)身、車(chē)輪、車(chē)身上支架、懸架、軸承、連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要功能是承載硬件電路，搭建工作平臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、單片機(jī)、電源、電源轉(zhuǎn)換電路、處理器以及外圍擴(kuò)展電路等。軟件系統(tǒng)為控制程序和控制電路。
2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
兩輪自平衡小車(chē)整車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括車(chē)身、動(dòng)力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置四大部分。
圖5小車(chē)結(jié)構(gòu)
圖6 車(chē)身部分結(jié)構(gòu)
1車(chē)把 2伸縮調(diào)節(jié)桿 3伸縮調(diào)節(jié)器 4儲(chǔ)物籃 5電位器 6腳踏板
7擋泥板 8車(chē)輪 9車(chē)身骨架 10電機(jī) 11螺栓 12車(chē)架-懸架連接器
13彈簧懸架
2.3 自平衡車(chē)的工作原理
兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的平衡原理來(lái)自于倒立擺模型，由于兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的雙輪平行布置在車(chē)體的左右兩端，且載人時(shí)重心在雙輪軸心正上方，所以它相當(dāng)于一個(gè)倒立擺，是不穩(wěn)定體，車(chē)體總是要向前或向后傾倒。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)體向前傾斜時(shí)，內(nèi)置的精密電子陀螺儀來(lái)判斷車(chē)身所處的姿勢(shì)狀態(tài)，透過(guò)精密 且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過(guò)讓電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)向前的加速度，這個(gè)加速度使得在雙輪軸心上方的重心向后擺動(dòng)，這就抵消了車(chē)體的向前傾斜，使車(chē)體的重心回到兩輪中心軸的正上方，從而在豎直方向保持平衡。這一平衡是動(dòng)態(tài)的，為保持車(chē)體豎直不倒，必須不斷檢測(cè)車(chē)體傾斜姿態(tài)，根據(jù)傾斜狀況驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)或后退，來(lái)克服重心偏移現(xiàn)象，保持車(chē)體平衡。
假設(shè)我們以站在車(chē)上的駕駛?cè)伺c車(chē)輛的總體重心縱軸作為參考線(xiàn)。當(dāng)這條軸往前傾斜時(shí)，平衡車(chē)車(chē)身內(nèi)的內(nèi)置電動(dòng)馬達(dá)會(huì)產(chǎn)生往前的力量，一方面平衡人與車(chē)往前傾倒的扭矩；一方面產(chǎn)生讓車(chē)輛前進(jìn)的加速度。相反的，當(dāng)陀螺儀發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)说闹匦耐髢A時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生向后的力量達(dá)到平衡效果。這就是自平衡車(chē)系統(tǒng)所達(dá)到的的“動(dòng)態(tài)平衡”。而方向控制上駕駛?cè)酥灰淖冏约荷眢w的角度往前或往后傾，平衡車(chē)就會(huì)根據(jù)傾斜的方向前進(jìn)或后退。而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正比。原則上，只要平衡車(chē)有正確打開(kāi)電源且能保持足夠運(yùn)作的電力，車(chē)上的人就不用擔(dān)心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛?cè)俗约哼M(jìn)行平衡的滑板車(chē)等交通工具大大不同。
兩輪自平衡車(chē)平衡條件
圖7 兩輪自平衡系統(tǒng)受力分析
上圖為自平衡車(chē)在坡度為的路面上行駛的動(dòng)力學(xué)分析模型。假設(shè)某時(shí)刻車(chē)身相對(duì)于豎直方向有一傾角, 且在車(chē)輪上施加一順時(shí)針?lè)较虻牧? 使車(chē)輪沿坡面向上加速滾動(dòng), 由于慣性, 車(chē)身將有可能不繞車(chē)軸A發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 而只發(fā)生平動(dòng)。此時(shí), 路面對(duì)車(chē)輪的靜摩擦力為臨界驅(qū)動(dòng)力。 忽略空氣阻力和車(chē)輪滾動(dòng)阻力, 可以得到和具有以下關(guān)系：
(1)
式中：為臨界驅(qū)動(dòng)力矩;為臨界驅(qū)動(dòng)力; 為車(chē)輪質(zhì)量; R為車(chē)輪半徑。
對(duì)于=0時(shí)的臨界驅(qū)動(dòng)力, 其表達(dá)式：
（2）
式中: m1為車(chē)身(包括駕駛員)質(zhì)量。當(dāng)時(shí)具有更一般的形式：
（3）
顯然式(2)是式(3)在= 0時(shí)的特殊情況,即(3)對(duì)=0的情況也適合。
將式(3)代入(1), 得：
(4)
若使>, 車(chē)身將繞輪軸A逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),最終回到豎直位置。
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
3.1 車(chē)身
圖8 車(chē)身結(jié)構(gòu)
車(chē)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中車(chē)架由方管（型號(hào)Q235，50-50(1.0-5.0)）焊接而成, 車(chē)架承受車(chē)身(含駕駛者)重力和懸架彈簧的支反力。和懸架一樣, 可以認(rèn)為4個(gè)支承點(diǎn)是固定的，車(chē)架只承受來(lái)自車(chē)身的壓力。主要基于該車(chē)身結(jié)構(gòu)能有一定的承載能力，保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。材料選擇質(zhì)輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的，以便節(jié)省材料。
3.1.1 懸架
懸架采用鋼板(汽車(chē)用鋼板（GB3273-89）, 厚度2.5mm)和槽鋼(5#,高度腿寬腰高=50324.4)焊接而成。由于車(chē)身對(duì)懸架的壓力是一個(gè)激振載荷(該激振頻率受懸架彈簧參數(shù)決定), 因此懸架的自振頻率必須和該激振頻率錯(cuò)開(kāi), 以免發(fā)生共振。忽略對(duì)懸架力學(xué)性能影響不大的彈簧導(dǎo)向柱和一些圓角。
懸架是平衡車(chē)的車(chē)架與車(chē)橋或車(chē)輪之間的一切傳力連接裝置的總稱(chēng)，其作用是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)架或車(chē)身的沖擊力，并衰減由此引起的震動(dòng)，以保證車(chē)能平順地行駛。懸架是平衡車(chē)中的一個(gè)重要組成，它把車(chē)架與車(chē)輪彈性地聯(lián)系起來(lái)，關(guān)系到平衡車(chē)的多種使用性能。
典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減震器等組成，個(gè)別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、橫向穩(wěn)定桿等。
圖9 汽車(chē)懸架圖
考慮到自平衡電動(dòng)車(chē)的體積，懸架設(shè)計(jì)時(shí)體積不宜過(guò)大，要做到簡(jiǎn)單輕便。
圖10兩種不同的懸架設(shè)計(jì)圖
懸架彈簧是懸架裝置中最重要的部件，其剛度不能過(guò)大也不能過(guò)小。剛度
過(guò)大則懸架柔度不夠，起不到緩沖作用;如果剛度過(guò)小，則振幅會(huì)明顯變大，
造成行車(chē)過(guò)程中的劇烈顛簸。故有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。這里根據(jù)實(shí)際情況，
要求懸架彈簧外徑滿(mǎn)足即可，
根據(jù)工作載荷范圍( 300N—1300N)，工作行程(定為15mm)，彈簧外徑( D45mm)可以得出每個(gè)懸架彈簧的主要參數(shù)，設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。
表 1 懸架彈簧主要參數(shù)
材料
中徑/mm
有效圈數(shù)
節(jié)距/mm
極限載荷/N
剛度/(N*mm- 1)
Ф4C級(jí)碳素
40
2. 5
14. 5
417
15. 8
也就是說(shuō)，當(dāng)車(chē)身在垂直方向上有震動(dòng)后,懸架彈簧對(duì)懸架的反力將以22.5Hz的頻率發(fā)生。
從以上的不同的懸架形式中，根據(jù)研究分析可設(shè)計(jì)為
圖11懸架機(jī)構(gòu)
3.1.2 車(chē)輪
車(chē)輪有兩個(gè)作用，首先它要承受車(chē)身載荷，因此強(qiáng)度要足夠;其次，車(chē)輪
內(nèi)部安裝有減速器等零部件，相當(dāng)于一個(gè)容器。對(duì)車(chē)輪提出以下要求:
①?gòu)?qiáng)度足夠;②質(zhì)量盡可能小;③結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，易于制造。
圖12 車(chē)輪結(jié)構(gòu)
圖13摩托車(chē)輪胎
由上表可知，輪惘尺寸為：
輪惘寬度x輪輛外徑=1.85inch x 18inch=47mm x 457mm
車(chē)輪的輪毅的外徑由決定，輪毅的外徑等于齒圈尺寸這個(gè)數(shù)字加上兩倍的安裝齒圈處的厚度。
車(chē)輪的輪毅的長(zhǎng)度由輪軸長(zhǎng)度決定。至于輪輻，它的形狀比較自由，只要
滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求就可以了。
3.1.3 惰輪
體積較大的惰輪采用玻璃纖維纖增強(qiáng)型PA66制造, PA66強(qiáng)度中等, 因具有良好的自潤(rùn)滑性而廣泛用在潤(rùn)滑條件不良或不便潤(rùn)滑的中輕載傳動(dòng)場(chǎng)合, 加入玻璃纖維后強(qiáng)度得到顯著提高?？紤]到PA66在高溫時(shí)強(qiáng)度急劇下降, 故與之嚙合的齒圈和中心小齒輪均采用導(dǎo)熱性能較好的金屬材料制造。為保證強(qiáng)度, 在分析時(shí)
必須使用最?lèi)毫拥墓ぷ鳡顟B(tài). 按照設(shè)計(jì)要求和初期設(shè)計(jì)結(jié)果, 將
代入式(4)解得：
惰輪驅(qū)動(dòng)2只車(chē)輪, 而齒圈分度圓半徑為, 故每只惰輪與齒圈間的圓周作用力為：
3.1.4輪軸
輪軸是車(chē)輪的中心部件，它通過(guò)一些軸承、鍵等與車(chē)輪內(nèi)的其它零部件構(gòu)成連接。負(fù)載產(chǎn)生的重力對(duì)車(chē)輪的壓力比較大，輪軸承受很大的力，因此在尺寸上不能太小。一方面，輪軸不能做得過(guò)粗，否則將不可避免地增加中心小齒輪的分度圓直徑，這對(duì)提高傳動(dòng)比是極為不利的(輪殼尺寸有限);另一方面，輪軸也不能做得細(xì)，因?yàn)樘?xì)一方面會(huì)使內(nèi)側(cè)軸承過(guò)小，另一方面會(huì)降低軸右端鍵的強(qiáng)度。我們?cè)诙ㄗ佑覀?cè)設(shè)計(jì)一凸臺(tái)。
圖14定子右端凸輪
為簡(jiǎn)化問(wèn)題, 按全部載荷作用于齒面上部來(lái)計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。限制惰輪中央的所有自由度, 將載荷換算為壓強(qiáng), 施加在節(jié)圓與齒頂圓之間的齒面上。從惰輪的受力分析經(jīng)驗(yàn)結(jié)果可以得出, 惰輪輪齒會(huì)發(fā)生變形, 最大位移發(fā)生在為齒頂部位,惰輪最大等效應(yīng)力發(fā)生在齒根部位, 故惰輪保證該部位的彎曲強(qiáng)度符合要求即可。
3.1.5配電箱
配電箱是按電氣接線(xiàn)要求將開(kāi)關(guān)設(shè)備、測(cè)量?jī)x表、保護(hù)電器和輔助設(shè)備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上，構(gòu)成低壓配電裝置。正常運(yùn)行時(shí)可借助手動(dòng)或自動(dòng)開(kāi)關(guān)接通或分?jǐn)嚯娐?。故障或不正常運(yùn)行時(shí)借助保護(hù)電器切斷電路或報(bào)警。借測(cè)量?jī)x表可顯示運(yùn)行中的各種參數(shù)，還可對(duì)某些電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)偏離正常工作狀態(tài)進(jìn)行提示或發(fā)出信號(hào)。
（1）應(yīng)考慮到配電箱的材料，考慮其散熱問(wèn)題。
（2）配電箱的體積應(yīng)盡可能的做大，可放置更多的蓄電池。
（3）配電箱離地面的位置不宜太低，防止摩擦，破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3.2 動(dòng)力裝置
本車(chē)采用無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)具有效率高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，操作性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，免維護(hù)或少維護(hù)，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)輸出動(dòng)力后經(jīng)減速器降速來(lái)提高輸出扭矩同時(shí)降低了負(fù)載的慣量，更有利于維持車(chē)體的平衡。
簡(jiǎn)單的講，一般的永磁式直流有刷電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在其氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其電樞繞組通電后產(chǎn)生反映磁場(chǎng)。由于電刷的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停的旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換向的目的，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一般將其電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。它采用轉(zhuǎn)子位置傳感器代替電刷，依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，通過(guò)換相驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)與電樞繞組連接的各功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到換相的目的，從而使電機(jī)工作。
圖15 無(wú)刷直流電機(jī)
電源采用鉛酸蓄電池。雖然鉛酸蓄電池體積偏大，重量較重，但具有技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、安全性高、較高的容量，較大的放電能力并可以免維護(hù)使用等突出優(yōu)點(diǎn)。兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)自身重量小且承載量不會(huì)超過(guò)1個(gè)人，速度限制在 15km/h以下也不用于遠(yuǎn)距離行駛,因此采用2節(jié)12V電動(dòng)自行車(chē)鉛酸蓄電池串聯(lián)組成 24V供電電源.既滿(mǎn)足使用要求又價(jià)格低廉，購(gòu)買(mǎi)和更換都很方便。
圖16鉛酸蓄電池
3.3 轉(zhuǎn)向控制裝置
圖17操縱桿主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部傳感器安裝位置
轉(zhuǎn)向操縱桿由兩個(gè)螺栓與車(chē)身連接，可以左右搖。采用旋轉(zhuǎn)變阻器作為轉(zhuǎn)角傳感器安裝在操作桿與車(chē)身的連接處，它直接輸出與操縱桿的轉(zhuǎn)角成正比的電壓值。行駛過(guò)程中運(yùn)算模塊根據(jù)此電壓值控制向左或向右轉(zhuǎn)彎及轉(zhuǎn)彎角度。同時(shí)駕駛者身體的傾斜也提供一部分向心力，減小轉(zhuǎn)向阻力使轉(zhuǎn)向更容易。同時(shí)操縱桿高度可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同高度時(shí)也可折疊以減小占用空間。
圖18平衡車(chē)結(jié)構(gòu)
3.4 兩輪平衡車(chē)的裝配
由上述分析過(guò)程可知，該平衡車(chē)包括：兩個(gè)車(chē)輪，兩個(gè)懸架，車(chē)身（包括配電箱）及操縱桿。
結(jié)構(gòu)連接部分為懸架和車(chē)輪之間靠4個(gè)螺釘連接且可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)；車(chē)身通過(guò)連接構(gòu)件被螺母壓緊在懸架彈簧上；操縱桿則是靠2只螺栓和車(chē)架固定。在操縱桿與車(chē)身連接的部分用防塵罩罩住，目的為了防止該結(jié)構(gòu)生銹。
圖19 兩輪平衡車(chē)裝配圖
3.5本章小結(jié)
本章的研究?jī)?nèi)容主要包括了自平衡車(chē)系統(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究，有車(chē)身的設(shè)計(jì)，談到了懸架的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)及其作用，還包括了車(chē)輪，配電箱的注意事項(xiàng)。控制轉(zhuǎn)向裝置的操縱桿的分析了解以及動(dòng)力裝置電機(jī)電源的選擇。
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(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001）