可变身摩托车的结构设计

PAGE本科毕业设计任务书设计题目可变身摩托车的结构设计学院机械与电气工程学院专业机械设计制造及其自动化班级学号学生姓名指导教师完成日期2021年6月1日可变身摩托车的结构设计08机械1班池健辉指导老师：王一军摘要本文是设计一种可变身摩托车的产品设计，它的结构在正常情况下与普通的摩托车一样，在特殊情况下可以依靠两个并排的后轮保持平衡，前轮可以缩到两个后轮之间，允许他穿过狭小的空间，以便可以让摩托车更广泛的运用在生活中。本次设计是参考网上的一款可变身的电动摩托车“U3”而进行设计的，但跟“U3”不同的是本次设计中仅仅利用连杆运动而实现摩托车的变形功能，而“U3”则是利用一些复杂的机械运动以及赛格尔平衡系统来实现电动摩托车的变形功能，而且价格非常昂贵。与“U3”比较，本次设计的摩托车的成本会比较低，适合大众。关键词：摩托车；变身；结构；设计ABSTRACTThisisthedesignaproductdesigncantransformintoamotorcycle,itsstructureundernormalcircumstances,ordinarymotorcycle,inexceptionalcircumstancescanrelyontherearwheeltomaintainabalanceofthetwosidebyside,thefrontwheelcanshrinktotwoallowhimthroughthenarrowspacebetweentherearwheels,sothatyoucanmakethemotorcyclemorewidelyusedinlife.ThisdesignisthereferencetotheInternet,atransfigurationoftheelectricmotorcycle"U3"anddesign,butwith"U3"Thedesignsimplybyusingtheconnectingrodmovementandthedeformationfunctionofthemotorcycle,whilethe"U3"istheuseofsomecomplexmechanicalmovement,andSeigelbalancesystemtoachievethefunctionofthedeformationoftheelectricmotorcycle,butthepriceisveryexpensive."U3"Thedesignofthemotorcyclecostisrelativelylow,andsuitableformassKEYWORDSmotorcycle；transform；structure；design目录1.前言…………42.摩托车介绍…………………52.1摩托车的发展历史……………………52.2摩托车发展现状分析及趋势…………52.3可变身摩托车设计思路………………43.可变身摩托车整体机构设计………………73.1结构组成设计…………73.2材料选择………………73.3方案设计与比较分析…………………84.可变身摩托车整体设计……………………154.1摩托车总体变形幅度设计……………154.2前部结构变形设计……………………174.2后部结构变形设计……………………195.可变身摩托车传动机构设计与计算……215.1传动方案拟定………215.2电机的选择……………225.3传动零件的设计与计算………………255.4传动机构组建尺寸的确定……………276．可变身摩托车细节处理……………………316.1轴承的选择……………316.2轴的设计………………316.3模型优化………………346.4驱动电机的放置………386.5机架受力有限元分析……………………397.结论…………43致谢……………44参考文献…………46附录1：可变身摩托车变形示意图…………471.前言随着经济的不断发展、人口的不断增长，城市里对交通工具的需求越来越大，但是一个城市的面积有限，假如城市里每一个人都拥有属于自己的交通工具，比如汽车等，那么城市是一定没有那么多空间停放那么多的汽车的，因此会使一个城市变得非常拥挤，而且还会因为汽车尾气的排放而污染环境，所以汽车行业正走向无污染的趋势。目前广泛利用无污染能源作为交通工具的动力源的有太阳能和电能。但由于太阳能成本高所以不能广泛利用，电能由于储量问题未能使一般的四轮车走很长的时间，但是电能对于一辆摩托车来说就不同了，由于普通摩托车体积比一般四轮车小很多，因此对于相同的能量驱动来说驱动一辆摩托车要比驱动一辆四轮车时间要长很多。但唯一不足的地方就是一般城市并没有专门设立地方让摩托车停靠，而且摩托车能行驶的范围跟一般四轮车的差不多。因此本文的主要目的就是介绍一种新型摩托车，这种摩托车主要驱动能源是电能，既环保又实在，然而这种摩托车还能变形，变形的主要目的在于可以让整辆车的占地面积缩小一半，有利于摩托车平时的摆放、更利于摩托车在狭窄的空间行驶，也增加了摩托车的实用性和可操作性。2.摩托车介绍2.1摩托车的发展历史摩托车是一种用手操纵前轮转向并由汽油机驱动的两轮或者三轮车，它广泛应用于生活中很多方面，例如巡逻、运输等，还可以作为人们日常生活中的交通工具。1885年，世界上第一辆摩托车诞生于德国，是由被称为“汽车之父”的德国人戈特利布•戴姆勒发明的，他做的仅仅是将一台发动机安装到了一台框架的机器中，这样就诞生了世界第一台摩托车了。但是这辆摩托车跟现代摩托车相比是相当粗糙的，机构和性能上有很大的差别。因为当时的汽油发动机技术尚未成熟，还处于非常低级的状况，而且那时候人们用的交通工具普遍为马车，因此那时候第一台摩托车的车架是木质的，车轮也是木质的，而且那时候发动机的最大功率不超过0.4KW，所以行驶速度不比人走快得了多少，而且当时的缓冲技术并不成熟，因此也没什么缓冲的装置，可以想象当摩托车在一些颠簸的路上行驶时人是会多么难受。不过随着科学进步的发展，摩托车也不断地变革-不断更新，经过许多年后才有今天的成就。2.2摩托车发展现状分析及趋势在我国摩托车产业的发展是非常地迅速的，因为它的需求量很大，根据资料统计，2021年时整个亚洲持有摩托车的数量为8700万辆，而我国的占有摩托车的量为4000万辆左右，大概平均每32人就有一辆摩托车，这个资料几乎为整个亚洲摩托车总量的一半。但是在其它经济发达的国家例如日本、意大利等平均6人就拥有一辆摩托车了，所以跟经济发达的国家比起来，我们国家摩托车的发展空间还是很大的。但是目前摩托车在我国的发展状况并不是很理想，有很多原因，其中一个就是“禁摩”，就是在一些城市里禁止行驶摩托车。原因有很多，其中一个就是随着人们对摩托车的需求增大，城市里行驶的摩托车越来越多，导致摩托车排放气体越多，对空气质量有很大影响，但实质上是对环保的动力能源需求越来越大，因此能找到环保的能源来代替原来摩托车的原来的能源对摩托车产业发展是非常关键的。而且现在的摩托车在城市走也会有不方便的时候，比如说在某些狭窄的地方，摩托车就很难过去了。在过去，同质化的现象在我国摩托车行业中非常严重，因为大家的摩托车都是差不多，技术也差不多，都是模仿其它国家的摩托车造出来的，因此“价格战”就成为了当时摩托车竞争的有力武器，但是慢慢的有些企业慢慢认识到这不是长远之计，这样不关对自己还是竞争对手来说最后都是两败俱伤的。因此有些企业慢慢觉醒了，立马把产品创新放在首要位置，以科学和技术作为武器来抵抗价格竞争，慢慢地取得了不错的成绩。随着经济发展和消费者消费观念的更新，大家对摩托车的要求也就越来越高了，首先要实用并且舒适，而车子的舒适程度对买家的影响非常的大。接着就是环保性与高效性，现在环保问题已经越来越受到人们重视了，但是目前环保的能源的使用效率不高，没有发动机那么高效。所以环保和高效是未来摩托车产业发展的重点。接着就是多功能化，随着人们对摩托车要求越来越高，人们对摩托车的要求已经不会再是单单只要它行走的好了，必须能让摩托车实现在不同的环境不同的条件下也能行驶，比如说沙滩、泥地、洼地、雪地、坡地、林地、草地等不同的地面，还有不同的温度。简单来说，人们对未来摩托车的要求就是要一辆“全能”的摩托车。2.3变身摩托车的设计思路变身摩托车，顾名思义就是本身结构能发生变化的一种摩托车。对变形摩托车的基本要就是能变形，变形主要目的是让前轮与后轮可以收缩在一起，使其的占地面积缩小，从而可以使摩托车可以在狭窄的空间行走，可以使摩托车使用于市区办公区楼，甚至可以让摩托车进入电梯，穿梭在楼层之间；当摩托车在空旷的地方时，可以变回原来的状态。由于摩托车可以前后伸缩，增加其灵活性，使其在各种场合应用自如。而且更要求摩托车具有高精度的控制要求，要准确控制各种零件变形时达到预定位置，而且要求反映迅速，具备一定得承载能力，其变形的能力使摩托车增加了在空间的自由度。摩托车变形前总长度不超过两米，变形后缩为一米左右，这大大的减少了摩托车的占地面积，以便于日常存放等。设计变形摩托车首先要确定运动方案，明确各种载荷，行驶跟变形时的受力特征、尺寸、质量参数等，从而进一步确定其机构运动及其控制要求等。3.变身摩托车整体机构设计3.1结构组成设计变形摩托车由动力系统、变形系统、传动系统、转向系统和控制系统组成。其中动力系统为4个电机组成，其中两个为步进电机，并且可以控制其转的角度，主要用于变形系统中；另外两个为一般电机，用于控制两个后轮来驱动摩托车，由于变形摩托车与一般摩托车不同，在变形时候会让摩托车的结构发生一些变化，因此适合采用两个电机来驱动，并且是电机直接驱动。变形系统，根据变形摩托车变形的要求，在特殊情况下可以依靠两个并排的后轮保持平衡，前轮可以缩到两个后轮之间，控制摩托车前轮的连接杆件可以在特定平面内作一定范围角度的旋转，因此在摩托车前面的部分放一个步进电机，用来控制摩托车前面的变形部分，以便于实现摩托车的前轮缩到两后轮之间的功能。接着就是摩托车后部结构的变形，首先控制摩托车两个后轮的连接杆件要能实现跟摩托车前部结构的变形功能一样，可以在特定平面内转动一定角度，为了能实现让前轮缩到两个后轮之间，两个后轮要有水平方向的位移以便腾出空间让前轮伸进来。传动系统为齿轮传动跟蜗杆传动，具体传动方案由变形系统的机构来决定，要让后轮的连接杆的转动与两个后轮的水平位移同步，即后轮连接杆转动到指定的角度时两个后轮水平方向的位移也达到指定的值，并且由一个步进电机实现两种运动。转向系统就由摩托车前面的转向机构构成，能实现左右摆，幅度为正负30度。控制系统使用单片机控制，主要控制两个步进电机，使其摩托车变形时前轮跟后轮同时转到固定角度达到变形要求。3.2材料选择在机械零件设计中选取零件材料是一个非常重要的环节，选择合适的材料对整个机械设计来说是非常重要的，特别的合理的选择材料，有利于提高零件的质量，从而提高整个机构设计的总体功能，也有利于降低制造成本。在机械制造中常用的材料有金属材料，高分子材料，陶瓷材料，复合材料等。在选择材料是要根据一些原则来选择。比如说设计零件时要考虑零件的载荷、应力的大小和性质这主要是从强度观点来考虑的，就拿变形摩托车来说，由于存在着变形的功能，然而变形功能的实现是有零件旋转而完成的，因此这就要求组成摩托车的零件要具备能承受很大扭矩的能力，而且要具有抗变形的能力，假如没有这两个性能，零件的寿命就会大大减少，从而导致整个变形摩托车质量低下。然后再就是要考虑零件的工作情况，在不同的工作环境对零件的要求也是不同的，比如说在湿热的环境下工作，就要求零件具备良好的防锈能力和耐腐蚀的能力，例如不锈钢或钢合金等。又比如说零件在工作中可能发生磨损的地方，就要提高其表面的硬度，以便增强耐磨性。在变形摩托车中要实现变形功能靠一个零件就实现是不太可能的，需要几个零件配合运动才能完成，因此零件与零件之间发生摩擦是避免不了的，而且摩擦的频率会比普通摩托车要频繁，因此变形摩托车的零件就更加需要具有耐磨性。设计时还需考虑零件的尺寸跟质量，因为不同的尺寸和质量与制造零件的道具和方法有关，还与材料的强重有关，因此应该尽可能选用强重比大的材料这样就可以减小零件的尺寸跟质量。在变形摩托车中对零件的要求是尽可能质量轻和尺寸小的，这样一来可以减少整辆摩托车的质量跟空间，有利于对有限空间的合理利用。设计时还需注意零件结构的复杂性及材料加工的可能性，不同结构的零件的加工方法是存在很大的差异的。而且还需要考虑材料的经济性，如果使用廉价的材料就能满足使用要求时，那就不应该选择价格高的材料的，这点在大量生产中尤其重要。还有材料的加工费用、材料的利用率、采用的组合结构等等，这些是在设计时是必须考虑进去的。但是本毕业设计主要设计的是变身摩托车的结构设计，因此材料的经济性在此就不作详细讨论了。3.3方案设计与比较分析方案一：利用曲柄滑块机构实现摩托车后半部份的变形功能，具体是曲柄上施加一个驱动，使其以恒定的速度旋转，然后通过连杆机构带动滑块做某一方向上的滑动。在滑块上挖两个圆弧形的凹槽，两个圆弧形的凹槽长度相同，并且垂直与滑块的移动方向，然后在滑块下面设置两连杆，使其约束在垂直滑块移动的方向作直线运动，接着把连杆的一头放进凹槽里面，这样当曲柄以恒定速度转动时候就带动滑块做直线运动，然后滑块下的两连杆在滑块上凹槽的作用下做与滑块运动方向垂直的直线运动，并且两连杆的运动方向相反，然后分别在两个连杆上连接两个摩托车后轮，这样就能实现摩托车在变形的时候能够让两个轮子同时向相反的方向错开以便留出空间让前轮伸进。如下图所示：图3.1可变身摩托车后部结构变形前示意1图3.2可变身摩托车后部结构变形前示意2图3.3可变身摩托车后部结构变形后示意1图3.4可变身摩托车后部结构变形后示意2方案二：利用凸轮机构实现摩托车的后部结构的变形功能，具体方法跟曲柄滑块机构的实现差不多。先是在凸轮的中间施加一个旋转驱动，使其作恒定的圆周运动，这个凸轮跟一般凸轮不同，是一个椭圆形的凸轮，其尺寸跟两个后轮变形时错开的位移和摩托车变形前两个后轮的距离有关。然后在椭圆形凸轮表面上挖一个椭圆形的凹槽，然后在椭圆凸轮下面设置两根和方案一一样的连杆，使两根连杆卡在椭圆形凸轮的凹槽里咬合着椭圆形凸轮运动，并且沿着椭圆形凸轮槽运动。两根连杆也是和方案一一样，设置为在某一个方向做方向相反的直线运动，这样当椭圆凸轮旋转时两根连杆也接着做直线运动，从而实现摩托车后部结构的变形，使两个后轮错开让前轮缩进去。如下所示：图3.5可变身摩托车后部结构变形前示意1图3.6可变身摩托车后部结构变形前示意2图3.7可变身摩托车后部结构变形后示意1图3.8可变身摩托车后部结构变形后示意2方案比较：方案一虽然能实现摩托车的后部结构的变形部分，但由于在曲柄上施加的扭矩大，使得曲柄和与曲柄跟滑块连接的连杆横向变形大，而且曲柄滑块机构的组件比价多，占的空间位置大，而摩托车本身空间不够大，加上变形后占地面积会减少，因此不适宜采用方案一。而方案二上的凸轮机构就不同了，他能承受很大的扭矩而发生的变形不大，并且组件少，就只有椭圆凸轮一个，适当的放置椭圆凸轮的位置可以增加在有限范围内对空间的使用率，有利于对其他组件的有效放置。4、变身摩托车整体设计计算4.1摩托车总体变形幅度设计变身摩托车的应用场合多为城市的街道、办公楼走廊或其它一些狭窄的地方，变形的目的就是要在一些一般摩托车不能行驶的场合下变身摩托车依然能使用，例如在日常楼房里面的电梯，因此变身摩托车变身后长度应该小于电梯内的宽度，大概为1米左右，则变形前摩托车前轮与后轮之间的距离设为1.8米，示意图如下：图4.1可变身摩托车变形前杆件1连接前轮，杆件2连接后轮，变形前杆件1与竖直方向成40度，杆件2与竖直方向成45度，为了实现摩托车能大幅度的变形，设置杆件一跟杆件2同时向相反方向摆70度。利用UG7.5的运动仿真功能将模型进行仿真，结果如下：图4.2仿真结果1图4.3仿真结果2从上图可以看出，在没有任何载荷的情况下摩托车变形后整体往前倾斜了，假如人坐了上去摩托车就很难保持平衡，而且杆件2与杆件1是整个机构的支撑，假如摩托车变形幅度太大，则两个杆件在竖直方向上得分立就会越小，使得摩托车会失去平衡，假如要实现摩托车的前轮完全缩进两个后轮之间的话需要另外设置一个平衡系统，因此我们把摩托车变形的幅度减小，将杆件1设置摆动的角度为50度，杆件2摆动的角度为45度，结果如下：图4.4可变身摩托车设计改良图这样摩托车虽然变形的幅度变小了，但是却能换来整体的平衡与稳定，而且即使摩托车变形幅度很大，变形后的宽度是不变的，他取决于摩托车本身车身的长度，因此取适当的变形幅度对整个机构来说是非常重要的。4.2前部结构变形设计变身摩托车的前部结构由三个部分组成，分别为前轮、连接杆、控制中心组成，如下图：图4.5可变身摩托车前部结构示意图图4.6可变身摩托车前部结构核心部分其中前轮直径为250mm，厚度为120mm，连接杆为连接前轮与控制中心的杆件，其作用为变身摩托车前部结构变形的重要组成部分。控制中心为变身摩托车前部结构的核心部分，由手柄、控制版面、转向机构组成。手柄为人操控摩托车的握手，作为控制变身摩托车行驶的工具。控制面板为控制变身摩托车一系列功能变换的工具，几乎所有关于变身摩托车的功能实现都是从控制面板上控制的，是变身摩托车的控制系统，例如控制变身摩托车的变形操作或者其它的一些操作等。转向机构为一倾斜着摆放的圆柱，通过对手柄的控制从而控制变身摩托车的转向，并且设置变身摩托车转向的最大幅度为正负30度。控制中心剩下的部分近似相当于一个300mm*300mm的容器，是用来摆放电机和一些电气原件的，电机与连接杆连着，通过控制版面输入从而控制电机转动，电机转动时带动着连接杆，使连接杆实现在固定平面内摆动，从而实现变身摩托车前部结构的变形功能。4.3后部结构变形设计变身摩托车后部结构主要有6个部分组成，如图所示：图4.7可变身摩托车后部结构示意图蓝色部分为车身，在车身上得圆柱形凹槽是连接变身摩托车前面部分转向机构的，车身主要作用是连接其它组件使他们在一定条件下约束。粉红色部分为椭圆形凸轮，椭圆形凸轮是变形摩托车后部结构变形的重要部分，其尺寸决定着变身摩托车两后轮错开的距离。红色部分为变形杆件，是咬合着椭圆形凸轮运动的，当椭圆形凸轮转动时变形杆件会随着它转动而在特定方向作直线运动，从而带动后轮在变形时两个后轮错开一定位移。灰色部分为动力轴，动力轴为实现变身摩托车后部结构变形功能的重要组件之一，其转动能带动连接杆作平面内的摆动，从而实现变身摩托车后部结构的变形功能。绿色部分连接杆为变形摩托车后部结构重要的桥梁，它连接着后轮、动力轴、变形杆件还有车身，也是变身摩托车后部结构变形的重要组件之一。黄色部分为后轮，其直径为560mm，厚度为90mm。变身摩托车后部结构变形示意图如下：图4.8可变身摩托车后部结构变形示意图1图4.9可变身摩托车后部结构变形示意图25.变身摩托车传动机构设计与计算5.1传动方案拟定可变身摩托车的内部传动机构主要是齿轮传动跟蜗轮蜗杆传动，齿轮传动主要采用的是标准直齿圆柱齿轮传动，蜗轮蜗杆传动主要采用的是普通圆柱蜗杆传动。可变身摩托车前部结构的变形是由标准直齿圆柱齿轮传动来实现，由电机直接输出带动标准直齿圆柱齿轮转动固定角度从而完成变形。而可变身摩托车后部结构的变形是由标准直齿圆柱齿轮传动于普通圆柱蜗杆传动实现，并由一个电机直接输出同时带动标准直齿圆柱齿轮传动与普通圆柱蜗杆传动，从而实现一个电机控制两个输出。具体传动方案如下图：图5.1前部结构传动示意图5.2后部结构传动示意其中可变身摩托车前部结构的传动比较简单，根据实际工作需要可以直接算出传动比，因为对于齿轮传动来说，传动比总数等于齿数的反比，即（5.1）从而可以确定齿轮的参数。而可变身摩托车的的后部结构的传动比较复杂，有齿轮传动跟蜗轮蜗杆传动，其中图中红色部分为电机输出轴，绿色部分为跟电机输出轴相连的齿轮1，齿轮1与紫色部分齿轮2啮合，同时也跟蓝色部分的蜗杆啮合，图中的蜗杆与一般的不同，在蜗杆的另外一端还设有一个齿轮，作用是传递电机的输出，接着蜗杆的就是蜗轮。其中齿轮2与蜗轮就是可变身摩托车后部结构实现变形的主要部件，齿轮2跟椭圆形凸轮相连从而带动椭圆形凸轮转动，蜗轮带动动力轴转动，从而使连接两个后轮的连杆摆动。从图中可以看出，电机输出轴把动力传递给齿轮1，齿轮1带动齿轮2转动时也同时带动蜗杆转动，也就意味着连着齿轮2的椭圆形凸轮与连着蜗轮的动力轴也同时转动，从而达到可变身摩托车后部结构的变形。5.2电机的选择电机的选择对整个机械设计来说是非常重要的，要正确选取电机，就必须对电机的特性作分析，根据实际机构的输出功率来选择。首先先选取实现可变身摩托车后部结构变形的电机，将模型导入到UG7.5运动仿真模块上进行运动分析，可以算出椭圆形凸轮旋转一周需要的扭矩为10N.m，输出功率为0.6KW，根据这两个资料来选择适当的电机。在一般机械设计中大部分都是采用三相交流异步电机，因为它具有简单的结构、价钱便宜、便于日常维护、在三相交流电网中可以直接使用，而且还性能卓越、输出效率高、噪声不大、振动很小。但是由于要实现可变性摩托车后部结构变形的功能需要的是可控制电机转动的角度，并且要精确控制其转动角度，对其转速要求并不是很高，而三相交流异步电机一般转速都很快，要实现控制其转速必须外加一个减速箱或者其它减速装置，由于可变身摩托车本身占的空间不多，其内部结构空间有限，如果再另外加一个减速箱或者其它减速装置会对整体的结构影响很大，因此并不适合选取三相交流异步电机，而是选取步进电机。步进电机是一种属于开环控制元的步进电机件，它可以将电脉冲信号转变为角度位移或线性位移，在不超过电机最大承载的情况下，是用脉冲信号的频率和脉冲数来控制电机的转速与电机停止的位置，而电机的负载情况无关，当将一个脉冲信号发到步进驱动器中时，它就会驱动步进电机根据脉冲信号的频率和脉冲数的情况来转动一个固定的角度，成为“步距角”，他是以固定的角度一步一步来控制电机旋转的。它控制角位移量是通过控制脉冲个数来实现的，从而能准确地对电机的转动的位置进行控制，而通过控制脉冲频率可以来控制电机转动的加速度和速度，这样就能达到调速目的。而且它的物理属性非常好，不仅具备很小的体积，而且重量很轻，输出力很大，并具备稳定的力矩，功率范围也很大，控制非常容易，非常适合本次可变身摩托车的设计使用。根据刚刚在UG7.5运动仿真算出的数据，我们选取“110BYG3H535三相混合式步进电机”它机身长148mm，静力矩为12N.m，重量为6.6kg，无论从输出还是重量或者是体积这几方面来考虑，这个型号的电机是非常适合应用于可变身摩托车后部结构的变形机构使用。图5.3110BYG3H535三相混合式步进电机图5.4步进电机参数由于可变身摩托车前部结构的变形也是依靠电机转固定角度而实现的，因此前面变形部分机构也应该采用步进电机。对于选择驱动可变身摩托车两个后轮的电机，因为仅仅只是作为驱动两个后轮的电机因此对电机的要求并不是很高，不用像步进电机那样需要精确控制角度，因此对两个后轮的电机要求应该只需要考虑输出即可，还有电机尺寸的大小。为了美观在选择两个后轮的驱动电机时应该尽可能选尺寸小输出高的电机，最好还可以控制速度的，这样方便操作者在驾驶可变身摩托车的时候可以调速，增加其可操作性。对于上述的要求，我们选用永磁无刷轮毂电机。该电动机多用于电动自行车、电动汽车等车辆作为驱动电机，考虑到可变身摩托车性质上与电动自行车相似，因此选用次电机。而且该电机体积小，容易放置，重量轻，功率很大、效率非常高，可以直接用来驱动可变身摩托车的两个后轮而不需要起来传动装置，并且可调节速度范围广，便于使用者控制。经过筛选我们选取永磁无刷轮毂电机TF215-50系列电机，其中额定工作电压为72V，额定输出功率为6.25KW，额定转速为922转/分，额定转矩为64.77N.M，额定效率为86%，额定工作电流为101A，空载转速为1182转/分，尺寸长为193mm，最大直径为246mm，因此非常适合可变身摩托车作为驱动电机来使用。图5.5驱动电机示意图及其参数5.3传动零件的设计与计算本设计的传动方式主要是齿轮传动跟蜗轮蜗杆传动。采用齿轮传动的主要原因是齿轮传动具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点。而且在相同条件下，齿轮传动所需的空间比其它传动所需要的空间要小，而且结构紧凑。假如采用其它传动方式，例如曲柄滑块的方式代替齿轮传动，起码要需要3个以上的杆件才能实现曲柄滑块的传动方式，并且曲柄滑块的传动方式效率并没有齿轮传动那么高，更主要的一点是齿轮传动的传动比非常稳定，这也是齿轮传动获得广泛应用的原因，也是本次设计可变身摩托车采用此传动方式的主要原因之一。至于采用蜗轮蜗杆传动，是因为蜗轮蜗杆传动是用来传递空间交错之间的运动和动力的，由于本次设计可变身摩托车的变形特殊要求，假如全用齿轮传动的话会需要很多齿轮一起配合才能达到其变形要求，即使采用其它传动方式也很难实现可变身摩托车后部结构的变形功能。采用蜗轮蜗杆传动的原因在于其传动比大，零件数目又少，而且结构很紧凑，这在一些狭窄空间内实现大传动比的传动是很有优势的，比如说本次设计的可变身摩托车就是其中之一。首先为齿轮选择材料，由于本次可变身摩托车的结构设计的传动系统要求不是很高，其传动速度不快。齿轮材料一般用钢和锻钢、而锻钢又可分为两种，一种是切齿轮所用的锻钢，这种锻钢是经过热处理后的；还有一种锻钢是需要对齿轮进行精加工所用的。常用的齿轮材料还有铸铁还有非金属材料等。在选择齿轮材料时候是有原则的，比如说齿轮工作时的工作要求，齿轮的尺寸大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺等。而本次设计对齿轮的要求是重量尽可能要轻，其结构要坚固、尺寸尽可能小，因此本次齿轮的材料采用锻钢。而且为了减轻齿轮的重量，在齿轮的上开几个孔，以便提高整个机构的效率。接着要确定齿轮传动与蜗轮蜗杆传动的传动比。本次设计中有齿轮的地方只有两处，一处是可变身摩托车前部结构变形的地方，另外一处就是后部结构变形的地方。首先确定可变身摩托车前部结构齿轮传动的传动比。根据上文第4章4.1节摩托车总体变形幅度设计可知，要实现可变身摩托车前部结构变形的功能只需要连接前轮的杆件1摆动50度即可。因此传动比为电机输出转动的角度与50的比值。因为后部结构的变形主要有两部分完成，一部分是椭圆形凸轮的旋转，另一部分是蜗轮蜗杆机构的传动，根据4.1节摩托车总体变形幅度设计可以知道，当连接两个后轮的连杆刚好摆到45度，即两根连杆垂直于水平面的时候，两个后轮这是后要完全错开，即两个后轮的水平位移要达到最大值。因为刚开始可变身摩托车启动的时候两个后轮是并排在一起的，这个时候可变身摩托车后部结构的变形杆件咬合在椭圆机构的短轴的两端，要实现两个后轮错开位移最大也就是要让变形机构此时咬合在椭圆形凸轮的长轴两端，也就是要让椭圆形凸轮旋转90度。总的来说，要完成可变身摩托车后部结构的变形，需要在同一时间内实现椭圆形凸轮旋转90度，动力轴旋转45度。也就是说连接椭圆形凸轮的齿轮2旋转90度的同时蜗轮要旋转45度。根据5.1节的传动方案，蜗轮蜗杆的传动与齿轮的传动的动力来源都是来自同一电机的输出。假设电机转动一圈，也就是360度，那么齿轮2就要转动90度，蜗轮就要转动45度，传动比分别为4跟8。根据可变身摩托车后部结构的空间结构，合理的安排每个齿轮的位置，使其对有限的空间进行最有效的利用。5.4传动机构组建尺寸的确定根据对可变身摩托车后部结构的空间分析，设置每个齿轮的参数。齿轮的主要参数有几个，第一个是压力角，由机械原理可知，增大压力角α，会增加轮齿的齿厚以及节点处的齿廓曲率半径，有利于增加齿轮传动的弯曲强度及接触强度，但是增大压力角不一定都对传动有利。我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角α为20度，因此本次设计传动机构的齿轮的压力角也采取20度。第二个是齿数的选择，若保持齿轮传动的中心距不变，增加齿数，能提高齿轮的一些性能，比如说能增大齿轮重合度、使传动更加的平稳，还可以减少模数，限制齿轮的高度，因而减少对齿轮的加工量，节省齿轮制造的成本。另外，降低齿轮的高度还能降低齿轮滑动的速度，以便于降低齿轮胶合和磨损的危险性。不过加入齿轮的模数减少小了，齿轮的厚度也会减少，因此会导致齿轮的弯曲强度降低。不过在一定范围的齿数内，尤其是齿面接触强度决定其承载能力时，降齿数设置多一些比较好。另外还有模数等，模数m是齿轮的一个重要参数，其定义为齿距p与π的比值，即m=pπ故可以用齿轮的分度圆直径d来表示d=m∙z(5.3)其中z为齿数。由于模数m已经标准化了，在设计齿轮时，若无特殊需要，应选用标准模数。由于本次设计我们是以空间结构来设计传动零件的，因此合理分配每个零件的大小的非常重要的，因此在设计齿轮时应该以齿轮的分度圆直径作为标准，再根据需求设计其它的参数。在可变身摩托车后部结构腾出来的空间大概有600mm×400mm×350mm，还有根据5.3节传动零件的设计与计算算出的传动比分别为4和8，因此我们设定齿轮2分度圆直径为240mm，齿轮1为组合齿轮分别由一个大齿轮跟一个小齿轮组合起来，其中小齿轮与齿轮2啮合，大齿轮与蜗杆一端的齿轮啮合，齿轮1小齿轮部分设分度圆直径为60mm，这样就可以达到传动比为4的要求了。而齿轮1大齿轮部分设定分度圆直径与蜗杆一端齿轮部分的分度圆直径相等，都为75mm，这样是为了蜗杆能直接传递电机的输出。为了要实现齿轮的啮合，必须要满足几个条件，第一是啮合的齿轮模数要相等，第二个是啮合齿轮的压力角要相等。压力角为了方便统一都去国家规定的标准压力角20度。为了减少齿轮所占的空间位置，我们要限制齿全高的高度，而齿全高的高度又有模数决定，为了简化运算，我们设置齿轮的模数统一为5.根据公式d=m∙z(5.4)可以算出齿数。齿轮2的齿数为48，齿轮1小齿轮部分齿数为12，齿轮1大齿轮部分齿数为30，因此蜗杆一端的齿轮齿数也为30.所有齿轮齿宽统一设置为20mm。将齿轮的模数、齿数、齿宽、压力角等数据输入到UG7.5齿轮建模中便可得出以上齿轮模型。如图所示：图5.6齿轮传动模型然后再设计蜗轮蜗杆的传动，由5.1传动方案拟定的后部结构传动示意图可以看出，与蜗杆一端相连的齿轮与电机输出的传动比为1，要实现蜗轮与电机输出传动比为8就只能依靠蜗轮蜗杆的设计了，这也是此处采用蜗轮蜗杆传动的原因，蜗轮蜗杆传动比大，零件数目少，如果这里也采用齿轮传动，要实现传动比为8的传动机构最少需要3个齿轮才能实现，假如用两个齿轮会导致齿轮之间受力太大。而且在可变身摩托车后部结构传动中存在着空间交错的传动，因此我们在此选择蜗轮蜗杆传动。为了方便设计与计算，这里采用的是普通圆柱蜗杆传动，其主要参数有模数m，压力角α，蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2及蜗杆的直径等。在进行蜗轮蜗杆传动设计时，要正确的选取参数。蜗杆传动的几何尺寸参数跟设计齿轮传动几乎一样，也是以模数作为主要的设计参数。蜗轮和蜗杆啮合时，在中间的平面上，蜗杆的周面模数与蜗轮的断面模数以及蜗杆的压力角与蜗轮的压力角要相等，并且压力角统一选取20度。在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对蜗轮的能够正确啮合，加工蜗轮一般是用与蜗杆具有相同尺寸的蜗轮滚刀来加工的。对于相同的模数，可以对应很多直径不相同的蜗杆，但是为了实现标准化，每一模数就只对应某一定量的蜗杆分度圆直径。而蜗杆头数，它一般是由效率跟传动比来选定的，假如单头蜗杆传动的传动比设置很大，就会导致效率低，但是如果要提高效率，那蜗杆的头数就应该增加。可是假如蜗杆头数过多，加工时又会带来很多困难，所以为了方便，我们通常取1、2、4、6作为蜗杆头数.要确定蜗轮齿数只需根据传动比就可确定了。根据前面设计齿轮摆放的位置与其它组件的位置，先确定蜗轮蜗杆的尺寸。根据传动比为8，参考《机械设计》P244-P245中“表11-1蜗杆头数z1与蜗轮齿数z2的荐用值”表格和“表11-2普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配”表格，取蜗杆头数z1为4，由于本设计中得蜗轮蜗杆传动中是蜗杆为主动，蜗轮为从动的，因此其齿数比i12=所以蜗轮齿数z2取为32。再参考蜗轮蜗杆在可变身摩托车设计中摆放的位置，去中心距为80，分度圆直径为40.利用以上数据导入UG7.5蜗轮蜗杆建模中可得出模型，如下图所示：图5.7蜗轮蜗杆模型示意图6．可变身摩托车细节处理6.1轴承的选择由于本次可变身摩托车的结构设计中转动的地方有很多，例如齿轮传动，齿轮与轴的配合，轴转动等，由于转动过程中主要是滑动摩擦，摩擦力会比较大，会对整个系统造成许多无用功，为了避免这一点，我们采用滚动轴承。滚动轴承是依靠主要组件间的滚动接触来支承转动零件的，以滚动摩擦代替滑动摩托，对系统的效率会提升很多。因为滚动轴承摩擦阻力很小，几乎可以忽略不计，消耗的功率也很小，并且很容易启动，这一点可以为系统中的电机提供很好的辅助作用。根据可变身摩托车机构中各个构件的尺寸比例跟受力分析，本次设计主要采用深沟球滚动轴承，因为在可变身摩托车机构中转动副比较多，大多数都是受径向载荷，也有一点得轴向载荷，而深沟球轴承它主要是承受径向载荷，也可以同时承受小的轴向载荷。而且在高速旋转时候可以用来独自承受轴向载荷，并且极限转速比很高。为了方便计算，我们选择的深沟球滚动轴承尺寸主要有两种，一种是（0）2系列的轴承代号为6205，其尺寸为D=52mm，d=25mmB=15mm的，另外一种也是（0）2系列的轴承代号为6207，其尺寸为D=72mm，d=35mm，B=17mm的。在两种深沟球滚动轴承上还设有止动槽，防止滚动轴承在轴向的位移。6.2轴的设计在本次可变身摩托车的机构设计中一共有4处地方需要轴来支承回转零件及传递运动和动力。首先是支撑前轮转动的轴，分析可变身摩托车的机构运动，可以看出支撑前轮轴的主要作用是带动前轮转动，其两端分别套上滚动轴承，使其转动时减少摩擦力。而支撑前轮转动的轴并没有任何驱动，并不受到扭矩的作用，只承受弯矩，因此可设计为心轴，因为它是连着前轮一起转动的，因此可设计为转动心轴。根据轴所处的位置与机构中零件尺寸的比例，初步设计轴的尺寸，如下图：图6.1前轮抽接着是实现可变身摩托车前部结构变形功能的轴。分析其工作情况，是带动前轮变形连杆转动实现可变身摩托车前部结构变形的主要组件，由电机输出经过齿轮传动把动力传到该轴上，因此该轴承受着一定的扭矩作用。而轴的两端接上滚动轴承固定在车身上实现转动，因此也承受着一定的弯矩，所以该轴为转轴。由于该轴转动的实现是由电机经过齿轮传动而获得的动力来源，因此该轴上要配合齿轮传动来获得动力。因为要实现可变身摩托车前部结构的变形功能，因此转速不能太快，而在5.2节电机的选择上选的是步进电机，所以电机输出的转速也不会很快。根据5.1节传动方案的确定只需要2级传动即可，再根据可变身摩托车前部结构的空间位置确定齿轮的尺寸。由于转速不快，传动比设为1.：1即可，主要目的是为了传递动力而不是速度。根据上述要求初步设计该轴尺寸与该轴与齿轮配合的位置，如下图：图6.2前部结构变形轴这样可变身摩托车的前部结构的轴就确定下来了，接着是后部结构的轴的设计。首先是动力轴。动力轴就是实现可变身摩托车后部结构连接两个后轮连杆摆动的轴，作用相当于实现可变身摩托车前部结构变形功能的轴。动力轴的两端也是连着滚动轴承固定在车身上，它是经过齿轮传动跟蜗轮蜗杆传动而获得动力的，因此该轴既承受着弯矩又承受着扭矩的作用，为转轴。由于动力轴比较特别，对其要求要特殊一点。该轴是连着连接后轮的连杆的，既要实现连杆绕着动力轴运动又要实现连杆在动力轴上滑动，因此在动力轴上设计一个凸起的长方体，由该长方体来带动着连杆的转动和滑动。在动力轴上设计凸起的长方体而不是设计凹槽再用滑块连接连杆的原因是在连杆滑动的时候存在着滑动摩擦力很容易是滑块滑动而导致机构脱离。对动力轴转速的要求不高，只需要其转动指定的角度即可，其转动的实现是依靠连接在动力轴中间的蜗轮转动而完成的。最后一根轴是连接蜗杆与齿轮的轴。该轴的作用是将电机的动力传递到蜗轮上使蜗轮旋转从而完成可变身摩托车后部结构的变形功能，轴上的一端通过联轴器与蜗杆相连，然后在轴相应的位置装上齿轮，动力从电机轴输出经过齿轮传动传到该轴齿轮部分，齿轮获得动力后使该轴旋转从而到使蜗杆转动。根据可变身摩托车的机构分析，把该轴设置为阶梯轴，这样做的原因是方便可以固定齿轮的一端并且可以防止轴向的位移。在轴半径最大的一端为固定在可变身摩托车的车架上，但只是固定该轴在各个方向的位移与在某两个方向的旋转，使该轴只有一个自由度。根据设计要求以及机构的尺寸比例该轴的尺寸设计初步如下：图6.3连接蜗杆轴其中如上图所示该轴的最左端为固定在车架上，最右端为连接齿轮以及蜗杆的地方。6.3模型优化在可变身摩托车结构设计中应该要注意一些细节，首先可变身摩托车跟一般摩托车不同，一般摩托车前后两个轮相当于摩托车本身来说是固定的，而可变身摩托车的前后三个轮子是可以在指定平面内运动的，从而实现摩托车可变身的功能。根据运动分析，可变身摩托车的变身功能是通过连接前后两个轮子的连杆在固定平面内摆动固定角度而实现的，理论上要实现这个功能只需要控制电机转动的角度和设计适当的传动系统即可，但实际上并不是这样。图6.4变身摩托车整体图如图6.5所示，可变身摩托车之所以能够立直在地面上是由3个轮子支撑着，而三个轮子之所以能够支撑是由于连接轮子的连杆提供着支持力，可以看出这三根连接着可变身摩托车的连杆时支撑着整个机构的动力来源，而这三根连杆的转动控制是由电机来控制的。在平时可变身摩托车没有变形的时候，也就是可变身摩托车一般的形态，连接前轮的连杆与竖直方向成40度，连接后轮的连杆与竖直方向成45度，由于整个机构存在着重力，加上整个摩托车相对于地面来说是滚动摩擦，假如没有电机的控制，可变身摩托车在一般形态停放时就会出现失稳的状态，是因为连接前后三个轮子的连杆没有受到固定的约束，使其摆动幅度过大，会导致以下情况出现，如下图：图6.5变身摩托车变形过度情况虽然说加上电机控制后可以避免这种情况出现，但是假如突发情况电机出现故障或者使用旧了零件发生损坏等等，可变身摩托车就会出现上述情况，这对于使用者来说是极其不安全的，因此我们需要对可变身摩托车设置一些安全措施。安全措施主要是为了约束连接三个轮子的连杆的转动角度，根据4.1节摩托车总体变形幅度设计可以知道，连接可变身摩托车前轮的连杆摆动幅度为50度，而连接两个后轮的连杆摆动幅度为45度，因此我们只要在前轮连杆与后轮连杆转动的地方设置某些约束使他们转动的角度在一定范围内即可。首先我们在可变身摩托车前部结构的地方设置一个约束槽，使连接前轮的连杆只能在约束槽内运动，适当设置约束槽的长度跟弧度，使可变身摩托车连接前轮的连杆在没有电机的控制下只能摆动50度，而且约束槽的首尾位置由可变身摩托车变形前与变形后连杆的位置所决定。如图所示：图6.6约束槽示意图1图6.7约束槽示意图2其中途中加深部分为约束槽，蓝色部分为连接前轮的连杆，可以看出，连杆只可以在约束槽内运动，而且运动的幅度为45度。这样即使不需要电机的控制，连接前轮的连杆在任何情况下都不会发生幅度过大的摆动。而连接后轮的连杆也一样，需要施加适当的约束来约束后轮连杆的转动幅度，如下图所示：图6.8施加约束前图6.9施加约束后这样即使可变身摩托车在空载的情况下自身也可以保持平衡，并且还可以保证可变身摩托车的控制系统失效时或者其它突发情况让电机控制不了整个机构时使用者的安全。6.4驱动电机的放置根据5.2节电机选择我们选取了永磁无刷轮毂电机，并且是由电机直接驱动两个后轮。由于永磁无刷轮毂电机本身体积比较小，并且容易放置，假如用一个电机来驱动两个后轮，会对可变身摩托车变形时带来不便，因此我们采用两个永磁无刷轮毂电机分别驱动两个后轮。一般电机直接驱动轮子的方式是通过固定电机的一端，电机输出再通过轴来传递到轮子那里，而由于本次可变身摩托车的结构设计中我们使用两个电机来驱动，这样就必须分别将两个电机固定在可变身摩托车的两端，这样会使可变身摩托车的宽度增加，由于可变身摩托车变形时已经会增加一定的宽度，再加上两个电机的长度，会显得可变身摩托车占地面积很大，虽然说永磁无刷轮毂电机本身体积不大，但是假如把电机放置在可变身摩托车的两侧电机就相当于暴露在外面，得不到保护作用，虽然在电机上加一个防护罩，但这样就会显得可变身摩托车更加笨重。为了改善这一情况，我们改变两个轮子的结构和电机的固定方式来实现模型的优化。由于永磁无刷轮毂电机本身尺寸不是很大，其工作部件很小，其宽度与后轮的厚度差不多，因此我们在后轮中央设置一个与永磁无刷轮毂电机尺寸差不多大的槽，然后把电机放进去，在通过螺钉把电机固定在轮子上，这样轮子与电机就会连为一体了。然后奖电机输出轴的一端与滚动轴承连接起来，再让滚动轴承固定在变形连杆上，这样一来就相当于电机输出轴固定而电机本身在转，而轮子是跟电机连在一起的这样轮子也会随着电机一起转从而达到电机直接驱动后轮的方式，也可以减少可变身摩托车的占地空间，如下图所示：图6.10后轮示意图图6.11放置电机后的后轮6.5机架受力有限元分析无论在什么时候，机架都是每个设计中的核心部分，它连接着整个机构的部件，一切机械运动的前提都是在一个牢固的机架上运行的，因此对机架的受力分析显得极其重要。本小节通过利用UG7.5高级仿真功能来对本次设计可变身摩托车的机架进行有限元分析，观察机架在各种载荷下的应力变化以及变形的幅度。先对机架进行受力分析，机架受到自身的重力以及各个组件的重力，但考虑到可变身摩托车在水平地面行驶时候地面给它的支持力会与重力抵消，因此不考虑进去。除了重力对机架的唯一载荷就是电机的扭矩了，由于电机是固定在机架上得当电机输出扭矩时必然会给机架一个反扭矩作用，因此本次对机架的受力分析就是研究机架在电机扭矩作用下机架各个部分的应力变化以及变形幅度。由5.2节电机的选择可以知道电机最大输出扭矩为12N.m，根据上述将相关资料代入到UG7.5高级仿真里对机架进行有限元分析。本次对机架有限元分析的求解器为NXNASTRAN，并且是进行结构分析。首先要对机架进行材料选择，为了方便求解我们设置机架的材料为钢，接着再进行网格的划分，其网格类型为3D四面体网格，每个单元大小设置为42.3mm，划分后如下图：图6.12划分网格接着再对机架进行约束和施加载荷。考虑到可变身摩托车在一般行驶时机架相当于地面是平行的，因此我们对机架的三个面进行固定约束，接着就是施加载荷，根据电机在机架上的位置，我们在概位置施加12N.m的扭矩，如图：6.13施加约束图6.14施加载荷接着就可以求解了，机架的应力变化云图与位移变化云图如下：图6.15应力变化云图图6.16位移变化云图由上结果可以看出机架在受电机扭矩作用下以作用扭矩中心点开始应力与唯一变化均匀，对机架整体影响不大，以此可以检验出机架的设计符合可变身摩托车机构设计的强度要求。7.结论1，本次设计特点是可以让摩托车的结构发生变化，使其在不同的场合下通过自身的结构变化从而适应环境，增强了摩托车的使用性能和使用场合。2，本摩托车的主要功能除了一般的正常行驶之外，还可以通过控制前轮缩进两个后轮之间，减少摩托车的体型从而使其可以在狭窄的空间行驶。3，本次设计的不足之处在于摩托车变形之后会有一定的局限性，因为当前轮缩进两个后轮时候并不能转向，而且本次设计中由于摩托车的平衡问题而导致设计摩托车的变形幅度并不能很大，因此进一步改进应该从这两方面着手。致谢通过这次可变身摩托车的结构设计，并且在理论知识的引导下，将理论设计与实际生活联系在一起。通过在老师和同学们的细心指导与帮助下，独立并且认真地完成本次可变身摩托车的结构设计的毕业设计。通过这次毕业设计，让我对以前所学过得理论知识和专业知识有进一步的理解，并且加深了我对机械设计及其自动化这个专业的认识高度，同时也让我认识到自己不足的地方，了解到设计要与实际结合，不能天马行空。而且在设计过程过运用到很多以前觉得没什么用的知识，并且都是些机械设计中很基本的知识，让我认识到在机械设计中设计每一个环节都是十分重要的，假如有某一个地方没设计好就有可能产生连锁的不良影响，而且每一处地方都需要精心计算后才得出结论的。这次的可变身摩托车的结构设计一共用了将近4个月的时间，从刚开始接到任务要求时自己对摩托车的结构、性能等各方面