休闲电动代步三轮车的设计

第一章 方案及总体设计1.1 分析问题，提出概念（conception）电动代步车（Instead of walking electric bicycle）主要具备以下优点：(1)节能（ energy efficiency），电动车的能量（energy ）可以从化学电池（Chemical battery）中来，也可以从太阳能电池（Solar battery）、燃料电池( Fuel battery)中获得。(2)能源利用率(energy utilization rate)高，利用率可达20%(3)有利于保护环境，污染小，基本上没有碳氢化合物、一氧化碳(Carbon monoxide)、二氧化碳( carbon dioxide)、氮氧化合物(hydrocarbons)的污染。(4)无噪音，运行安静(5)有利于电力负荷(Power load)的合理分配在设计(project)工作开展的前期，应对电动代步车设计考虑了以下三个方面设计因素。(1)安全 (safety)因素(2)无障碍 (accessible)设计(3)关爱性 (caring)设计1.2 明确概念，提出设计方案现有的电动车有二轮、三轮、四轮之分，一般主要依靠 220V交流电源(Ac power)向蓄电池(storage battery)充电(charging) 后行驶。对于绿色能源(Green energy)的利用已成为各国在交通运输工具(transportation)方面研发的重点， 如何才能让电动自行车贴近“节能、环保(environmental)”，是电动代步车创新设计面临的一个大难题。就目前可用做电动代步车的绿色能源主要有：(1)车用乙醇汽油(Vehicle ethanol and gasoline)（2）风能(wind energy)（3）太阳能(solar energy)1.3 各方案的优缺点分析及比较以上三种电动代步车的能源方案，分别分析其优缺点如下：(1)车用乙醇汽油车用乙醇汽油作为一种清洁的发动机燃料油具有以下优点：A、辛烷值(octane value)高，抗爆性(Anti-knock nature)好。 B、乙醇含氧量(Oxygen content) 高达 34.7。C、车用乙醇汽油(Vehicle ethanol and gasoline)的使用可有效的降低汽车尾气(car exhaust)排放，改善能源结构。但同时车用乙醇汽油在燃烧值，动力性和耐腐蚀性(corrosion resistance)上也存在着很多不足。（2）风能据数据显示，到达地球的太阳能中虽然只有大约转化为风能，但其总量仍是十分可观的，全球可利用的风能比地球上可开发利用的水能(hydroenergy) 总量还要大 10 倍。而作为可再生能源(renewable energy sources)的风力资源蕴量巨大，商业潜力(Commercial potential)非常可观。然而容使用风能作为电动代步车动力供应，由于风能本身能量比较分散而且不大，相对应的机械产品(Mechanical products)造价相当高。(3)太阳能自上世纪年代研制成第一块实用的硅太阳电池(Silicon solar battery)，太阳能光电技术 (Photoelectric technology)已历经了半个世纪。地球上具有丰富的阳光资源。因此，无论从当前来看，还是从长远来看，太阳能光电技术应用系统(Application system)方面，在历经了交通信号(Traffic signal)、通信(communication)、管网保护和边远无电、缺电地区的居民家庭供电等方面的特殊场合应用以后，现在正在迈向较大规模的商业应用。对于太阳能的利用，主要是利用率的问题，现在实验室的利用率也就 16%，在生活中就 10%上下；吸收板(Solar energy absorption board)造价很高，大概产 1W 电的板要 10 块人民币。尽管目前太阳能的利用价格比较高，但是随着技术的成熟，太阳能电动代步车得到了突飞猛进的发展，将会成为绿色能源利用的主力。一辆车太阳能代步车的成本大约需要 40006000 元。而一辆普通电动自行车需要 20004000 元，每年花在电池上就要 200300元，电费需要 100300 元，一年总起来就要 300600 元，一辆车用大约 1015 年，成本反而比太阳能代步车贵 1000 元左右。如前所述,因太阳能电池板的转换效率(Conversion efficiency)等技术限定问题,目前太阳能只能用在短途或者行车速度比较低的场合。针对于此,本课题研究的重点放在设计一种轻便型太阳能电动车,设计一种尽可能降低车体负载(The Load)的、短途、低速运行下的单人代步工具,主要研究轻便型太阳能电动车的结构(structure) 设计。第二章 新型电动代步车结构方案设计2.1 电动代步车现代三维(three-dimensional)设计开发技术介绍CAD技术产生于20世纪 60年代。随着工业自动化 (automation)水平的提高，在船舶(Vessel)，汽车以及航空航天等高精尖(high-grade)的技术领域里，大量复杂的设计课题成为功能完备的CAD软件发展的强大推动力，作为CAD 技术重要标志的CAD软件取得了突飞猛进的发展。在当今众多的CAD软件中， SolidEdge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(Mechanical processing) 领域中广泛应用。SolidEdge的典型应用SolidEdge 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（Product modeling system）。SolidEdge是一个大型软件包(software package)，有数十个功能模块(function module)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(Secondary development)工作。2.2 新型电动代步车结构设计2.2.1 整体布置与分析由于太阳能电池板的转换效率较低,太阳能电池应用在短途或者行车速度比较低的电动车上容易实现。因此,太阳能电动车设计定位主要针对短途、车速低、单人使用或自驾形式的电动车。主要用途为观光旅游、高尔夫车、个人交通工具。其工作原理就是将太阳能转化为电能(electrical energy),给电动车的蓄电池进行补偿充电 ,以补充车辆行驶中消耗的一部分能量,从而延长车辆的行驶时间。当太阳能电池不能满足电动车驱动(dirve)需求时,电动车的蓄电池可以通过电源充电。太阳能电动车作为一种新型的绿色交通工具,可作为一种便于出行的代步工具。本课题设计的电动代步车采用三轮(Tricycle) 结构，动力布置(power arrangement)形式是电动机后置、后轮驱动(rear wheel drive)，且将驱动电机(drive motor)安装在后轮轮毂 (hub)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(transmission efficiency)及减轻整车重量(quality)等都是很有利的。前、后支撑板(support plate)是本车的主要部件(parts)，根据电动代步车的结构设计要求，前支撑板安装固定惰性轮(inert round)，后支撑板顶端安装固定坐椅，下端安装两个驱动电机和轮胎(tires)，蓄电池安装在坐垫底板下部支撑板筐里悬挂起来，以给踏板的回缩部分预留出穿插空间。电动代步车底架，前端安装 T 型扶手（转向盘） ，上面有操纵控制面板，不仅使乘坐者在心理上增加了前面有一个保护物的安全感，防止在户外行驶紧急制动时乘坐者被向前抛出，而且符合人体操作习惯，操作控制简单，方便。电动代步车基本参数如下：外廓尺寸长(elternal outline dimensions length)：1200mm宽(width)： 700mm高(height)：1350mm整车质量(quality)：65Kg最小转弯半径(minimum truning radius)：800mm轴距(wheel distance) ：600mmD900mm最大爬坡度(the largest degree of climbing up)：15正常车速(normal speed)：6km/h最大承载能力(maximum carrying capacity)：130Kg加速时间(acceleration time)：2s一次充电行驶里程(one time charge trip mileage)：40km档位(gears)：I 档、档、档、倒档电动代步车底架，前端安装 T 型扶手(转向盘) ，上面有操纵控制面板，其不仅使乘坐者在心理上增加了前面有一个保护物的安全感，防止在户外行驶紧急制动时乘坐者被向前抛出，而且符合人体操作习惯，操作控制简单、方便。2.2.2前后支撑板设计后支撑板选用优质碳素钢冷扎(hige quality cold-rolled carbon steels)处理，板厚度为 3mm。由于焊接(welding)时变形较大，轴线定位(allocation)很难保证，为了达到要求我们采用钢板整体冲裁(cutting)、冲压(stamping)、整形，形成一个整体车架，再在严格确定定位基准尺寸(benchmark size)后冲压拉伸(tensile)出呈等腰三角形的套管，使三个管厚为 3mm，外径分别为 32mm、27mm、27mm 的套管镶嵌在其中。后支撑扳上端固定座椅，下部安装驱动电机，其强度(strength)和刚度(stiffness)直接影响到整车的稳定性(stablility)。考虑到支撑板的强度，采用在支撑板上冲压出多条加强筋(reinforcement)的方式来加强支撑板的承载能力冲压是后支撑板制作的一个技术关键，根据支撑板的结构形状分析，本支撑板的力流(force direction)是从板的顶端座椅部位向下延伸再向两边分散，在冲压时考虑力流的分布在材料中的特点，冲压的沟槽走向应该是从支撑板顶端支撑座椅的部位向下延伸到安装固定驱动电机的位置，这样就可以使力流从受力点最短传递到支撑位置，即力流从支撑座椅的上端传到驱动电机的固定端。冲压的沟槽一方面起到传递力的作用，另一方面也起到加强筋的作用。前支撑板也选用优质碳素钢冷扎处理，厚度选取3mm,该工件成型过程。采用压形、切边、冲空、翻边(flanging)、弯曲、压加强筋等工序。为了保证前滑套轴线平行角度，在加工的过程中，以后支撑管定位孔为基准分别冲压出三条沟槽，沟槽的长度大于300mm，宽度大于16mm，保证滑管在沟槽内不受干涉地移动。沟槽内镶嵌(enchase)三个外径为42mm长60ram内径分别为27mm、27mm、32mm的滑套，镶嵌时要使板的端面与滑套一端平齐把滑套镶嵌在冲压的沟槽里，可以保证前滑套和后滑管轴线的准确定位。2.3 新型电动代步车关键零部件选用与分析2.3.1 驱动电机的选择电动代步车驱动电机类型的选择需要综合考虑电动车动力性要求、电机的性能、重量、体积(volume)等技术水平因素和成本等经济因素。对于电动车来说，驱动电机的效率(efficiency)尤为重要，因为代步车所有的动力都是通过驱动电机传递到车轮的。确定电机特性参数(characteristic parameters)的依据主要是满足车辆以最高载荷行驶时的连续功率(power)要求，可通过下式求得： ）（ dtbmuCAGiufP3607143601式中，为传递效率，G为整车质量，f为滚动阻力系数(resistance coefficient)，u为车速度，i为爬坡度， C为空气阻力系数，A为车辆迎风面积(area) ，m为整车质量。对驱动电机性能的基本要求有：足够大的起动转矩(start torque)，以满足电动代步车快速启动、加速、爬坡、频繁启、停的要求；电机的调速范围(speed range) 小，一般在25100最大转速范围内，近似有小转矩、恒功率(constant power)的输出特性，满足电动车最高车速行驶工况的要求；比功率大(比功率定义为单位质量能提供的最大功率) ，以最大功率计时。一般应达(1125)kWkg以上；快速的转矩(torque)响应特性，在各种车速范围内能快速柔和地控制驱动和制动转矩，要求电机可控性高、稳态精度(precision)和动态特性好；具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地工作；维护简单，工作噪声低。无刷直流电机(brushless dc motor)的特点是既有永磁体(permanent magnets)又有励磁绕组(excitation winding)，永磁体通常嵌入转子(rotor) 之中，励磁绕组固定于定子(stator)之上，通过调节励磁电流(excitation current)控制气隙磁通(flux) ，它可以方便的在高速区进行弱磁调节，提高电机的驱动特性。同时无刷直流电机采用离散转子位置反馈信号(feedback signal)控制换相；并用交流方波(Ac square-wave)供电，由于方波磁场与方波电流之间相互作用产生的转矩比正弦波(sine wave)大。因此永磁无刷电动机具有转矩、功率密度大、位置检测(detection)和控制方法简单、效率高的优点。经过相互比较，本代步车选用台湾硕阳电机有限公司生产的无刷直流电机作为驱动电机。其额定功率(rated power)为 400W，满载转速(carrying speed) 为 3200r/min。2.3.2 电池的选用太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射(radiation)能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池是直接将太阳能转变成电能的装置。太阳能电池通常用硅作为原料。目前,主要有三种结构:非晶硅(amorphous silicon)、单晶硅(monocrystalline silion) 、多晶硅(polycrystalline silion) 。其中非晶硅太阳能电池的光转换率(light conversion)为11. 1 %, 单晶硅太阳能电池的光转换率为21%,多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率一般为12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，没有明显效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。综合上述，本课题研究选择使用多晶硅太阳能电池，综合结构尺寸的考虑可选择阿特斯光伏电子公司的产品，组件型号是：CS6P-P最大输出功率 220W-250W，尺寸为 163898240mm，质量为20kg。2.4 新型电动代步车运动学分析与校核(checking)2.4.1 爬坡度计算当代步车上坡行驶时，车的重力沿坡道的分力表现为坡度阻力(resistance)，即 F=Gsin式中 G 为作用于代步车的全部重力，上坡