proe和adams的两轮自平衡电动车机械结构设计分析及制作(附件)
摘 要摘 要近年来，城市代步工具得到了不断的发展，两轮自平衡电动车正是在这个背景下诞生的，作为当前新颖的代步工具，在国内正迅速的发展。而且它具有体积小、操作简单、控制方便，运行灵活等等优点备受人们的关注。但是，平衡车它是一个非线性、强耦合、时变系统，控制难度较大，且安全性能要求较高，故其生产制造成本比较昂贵，不能大规模的推广。本论文的主要研究重点就是：根据市面上已有的平衡车结构并参考相关文献，设计一辆结构简单、价格低廉的两轮自平衡电动车；利用现有的零部件及材料进行整体的制作，达到降低其生产成本。本论文详细叙述了平衡车的主要制作过程，设计之前先勾勒出整体的框架，建立平衡车的控制流程图。然后通过PRO/E三维软件对两轮自平衡车的各个部位进行建模设计，并进行整车的虚拟装配。通过ANSYS软件对平衡车的关键零部件进行有限元分析，以确保所设计的关键部位安全可靠。最后利用 ADAMS 软件建立 ADAMS 多体动力学模型，并对模型定义参数变量进行仿真，以验证模型的实效性。在PRO/E建模设计中可以发现，设计的零部件与现有的零部件装配可靠性较高，通过ANSYS分析的数据表明设计的符合要求，从而降低了制造成本。对ADAMS动力学模型进行参数化仿真，得到两轮自平衡电动车运动参数。最后，对所设计的平衡车机械结构进行加工制作，并进行装配，喷涂，完成整车的结构设计制作。关键词：两轮自平衡电动车；结构设计；有限元分析；ADAMS模型；目 录
第一章 绪 论 1
1.1背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 本文研究的主要内容 3
第二章 两轮自平衡的整体结构设计 5
2.1两轮自平衡电动车的工作原理 5
2.2两轮自平衡电动车的控制流程 5
2.3 基于PRO/E的两轮自平衡车的整体结构设计 6
2.3.1 PRO/E软件介绍 6
2.3.2整体结构概况 7
2.3.3具体的结构设计 7
第三章 平衡车重要零部件的有限元分析 23
3.1有限元软件ANSYS介绍 23
3.2箱盖部分的有限元分析
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
> 2.2两轮自平衡电动车的控制流程 5
2.3 基于PRO/E的两轮自平衡车的整体结构设计 6
2.3.1 PRO/E软件介绍 6
2.3.2整体结构概况 7
2.3.3具体的结构设计 7
第三章 平衡车重要零部件的有限元分析 23
3.1有限元软件ANSYS介绍 23
3.2箱盖部分的有限元分析 24
3.3箱体部分的有限元分析 27
第四章 ADAMS建模及动力学仿真 31
4.1虚拟样机技术概论 31
4.2 ADAMS软件 30
4.2.1 ADAMS软件简介 30
4.2.2 ADAMS动力学建模及求解 31
4.2.3 轮胎模型与道路模型简介 31
4.3.1 两轮自平衡电动车的建模及参数设置 32
4.3.2 仿真结果分析 34
总结 36
致谢 37
参考文献 38
第一章 绪 论
1.1背景及意义
现阶段由于能源、资源的消耗，道路堵塞，交通拥挤，城市居民的生活空间环境狭小等一系列问题日益暴露，而健康绿色的生活方式是未来人们所共同追求的，环保意识的增强也促进了相关行业的迅速发展，其中交通工具发展最具代表性。科学技术的不断发展推动着交通工具不断的更新，人们对交通工具的要求也来越高。交通工具也因此逐步的向小型化、节能化方向发展，在这个环境下，电动车将成为未来交通工具的主力军，随着交通工具的发展，两轮自平衡电动车诞生了。最近几年，平衡车在国内发展迅速，平衡车的应用已渗透到了各个领域。人们可以通过自平衡双轮电动车代替步行在公园里听音乐散心，也可以在步行街逛街、购物以及一些户外运动等，因为这些场所是汽车无法通行的。现阶段所研究的平衡车大部分局限于实验室，想要大面积的推广还是有很多因素的存在的，其中最大的制约就是昂贵的制造成本。因此，为了节约两轮自平衡电动车的开发制造成本，就需要设计出一个新颖的两轮自平衡电动车，对其结构进行简化设计并对系统进行分析测试，最终达到社会推广，大面积使用的目的。该两轮自平衡电动车具有绿色环保，转弯半径为0，无刹车系统，由CPU自动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹车效果还具有控制方便等特点。但是平衡车存在一些固有特性的诸如：多变量的系统、非线性、时变与耦合等，对研究和应用它的控制系统都是非常艰难的。但这又是研究不确定性系统控制、非线性系统控制、智能控制等理论的典型装置，所以，在全世界范围内得到了科研人员的广泛关注与深入研究[12]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
对于两轮自平衡双轮电动车的设计是基于两轮自平衡机器人基础之上做出的更进一步的研究。作为世界上最早对两轮自平衡系统进行研究的日本，在1986年首次提出两轮平衡机器人的构想，而这一想法的提出者KazuoYamafUji教授（日本电气通信大学）在其随后的发明专利中设计出一种新颖的两轮平衡机器人平行自行车 [3]，同时也被认定为两轮自平衡电动车的起源。所设计的平行自行车在其主体上面安放有控制与驱动芯片，为了能够实现对平行自行车的控制，利用控制电机以及控制钟摆来实现，利用轮上的小杆与轨道相接触来检测车体体的倾角从而实现倾角传感器的功能。
进入21世纪以后，各国对平衡车的研究极大的提高，平衡车领域得到迅速的发展。2001年美国发明家Dean Kamen发明了世界上第一个两轮载人交通工具"Segway"如图11所示，它的出现不仅让人们熟悉并使用了这个新的代步工具，对后来的两轮自平衡车的发展也有着巨大的影响。操作者只需要将身体向前或者向后倾斜改变整个重心的位置就能操纵电动车,从而实现对电动车的启动、加速、减速、转向和停止等常规行驶动作。在随后的几年内又在其基础之上发明出iROBOT系列智能代步机器人，其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。平衡车内部装有陀螺仪传感器，它可以实现对整车的平衡状态做出判断。并通过传感器传输给中央处理器，中央处理器会根据接受的信号做出相应的指令，然后在驱动马达，最终达到控制平衡的效果。现在可以假设将人的身体与整车的重心纵轴作为一个参考线，当这条轴线偏离原点向前倾时，Segway内置的电动马达就会产生驱动力，这种驱动力一方面可以产生整车的加速度，同时还可以产生整车前倾扭矩，维持平衡的状态，同样的，若向后倾斜，一样会产生相同的效果。 [4～5]。
图11：Segway两轮平台电动车与iBOT自动平衡式动力轮椅
2002年美国人Trevor Blackwell发明出一款制造成本更为经济的平衡电动车Balancing Scooter。它的车轮驱动力来自于两个带有减速箱的轮椅电机，同时结合Atmel 公司生产的 8位单片机作为整车的控制器，其控制方法为 PD 控制，车身主体部分的机械结构通过铝合金材料加工制作的，而且内部大部分的零部件也是从市面上购买的。这一发明大大的降低的制造成本，节约了生产时间，而且其外形，性能等方面毫不逊色于Segway。
1.2.2 国内研究现状
虽然国内平衡电动车的发展比较晚，但是将智能化与时尚于一身的代步工具，已经在中国市场上引起了不小的轰动。从2003年国第一辆双轮自平衡电动代步车—Free Mover发展开始国内平衡车的发展得
第一章 绪 论 1
1.1背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 本文研究的主要内容 3
第二章 两轮自平衡的整体结构设计 5
2.1两轮自平衡电动车的工作原理 5
2.2两轮自平衡电动车的控制流程 5
2.3 基于PRO/E的两轮自平衡车的整体结构设计 6
2.3.1 PRO/E软件介绍 6
2.3.2整体结构概况 7
2.3.3具体的结构设计 7
第三章 平衡车重要零部件的有限元分析 23
3.1有限元软件ANSYS介绍 23
3.2箱盖部分的有限元分析
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
> 2.2两轮自平衡电动车的控制流程 5
2.3 基于PRO/E的两轮自平衡车的整体结构设计 6
2.3.1 PRO/E软件介绍 6
2.3.2整体结构概况 7
2.3.3具体的结构设计 7
第三章 平衡车重要零部件的有限元分析 23
3.1有限元软件ANSYS介绍 23
3.2箱盖部分的有限元分析 24
3.3箱体部分的有限元分析 27
第四章 ADAMS建模及动力学仿真 31
4.1虚拟样机技术概论 31
4.2 ADAMS软件 30
4.2.1 ADAMS软件简介 30
4.2.2 ADAMS动力学建模及求解 31
4.2.3 轮胎模型与道路模型简介 31
4.3.1 两轮自平衡电动车的建模及参数设置 32
4.3.2 仿真结果分析 34
总结 36
致谢 37
参考文献 38
第一章 绪 论
1.1背景及意义
现阶段由于能源、资源的消耗，道路堵塞，交通拥挤，城市居民的生活空间环境狭小等一系列问题日益暴露，而健康绿色的生活方式是未来人们所共同追求的，环保意识的增强也促进了相关行业的迅速发展，其中交通工具发展最具代表性。科学技术的不断发展推动着交通工具不断的更新，人们对交通工具的要求也来越高。交通工具也因此逐步的向小型化、节能化方向发展，在这个环境下，电动车将成为未来交通工具的主力军，随着交通工具的发展，两轮自平衡电动车诞生了。最近几年，平衡车在国内发展迅速，平衡车的应用已渗透到了各个领域。人们可以通过自平衡双轮电动车代替步行在公园里听音乐散心，也可以在步行街逛街、购物以及一些户外运动等，因为这些场所是汽车无法通行的。现阶段所研究的平衡车大部分局限于实验室，想要大面积的推广还是有很多因素的存在的，其中最大的制约就是昂贵的制造成本。因此，为了节约两轮自平衡电动车的开发制造成本，就需要设计出一个新颖的两轮自平衡电动车，对其结构进行简化设计并对系统进行分析测试，最终达到社会推广，大面积使用的目的。该两轮自平衡电动车具有绿色环保，转弯半径为0，无刹车系统，由CPU自动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹车效果还具有控制方便等特点。但是平衡车存在一些固有特性的诸如：多变量的系统、非线性、时变与耦合等，对研究和应用它的控制系统都是非常艰难的。但这又是研究不确定性系统控制、非线性系统控制、智能控制等理论的典型装置，所以，在全世界范围内得到了科研人员的广泛关注与深入研究[12]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
对于两轮自平衡双轮电动车的设计是基于两轮自平衡机器人基础之上做出的更进一步的研究。作为世界上最早对两轮自平衡系统进行研究的日本，在1986年首次提出两轮平衡机器人的构想，而这一想法的提出者KazuoYamafUji教授（日本电气通信大学）在其随后的发明专利中设计出一种新颖的两轮平衡机器人平行自行车 [3]，同时也被认定为两轮自平衡电动车的起源。所设计的平行自行车在其主体上面安放有控制与驱动芯片，为了能够实现对平行自行车的控制，利用控制电机以及控制钟摆来实现，利用轮上的小杆与轨道相接触来检测车体体的倾角从而实现倾角传感器的功能。
进入21世纪以后，各国对平衡车的研究极大的提高，平衡车领域得到迅速的发展。2001年美国发明家Dean Kamen发明了世界上第一个两轮载人交通工具"Segway"如图11所示，它的出现不仅让人们熟悉并使用了这个新的代步工具，对后来的两轮自平衡车的发展也有着巨大的影响。操作者只需要将身体向前或者向后倾斜改变整个重心的位置就能操纵电动车,从而实现对电动车的启动、加速、减速、转向和停止等常规行驶动作。在随后的几年内又在其基础之上发明出iROBOT系列智能代步机器人，其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。平衡车内部装有陀螺仪传感器，它可以实现对整车的平衡状态做出判断。并通过传感器传输给中央处理器，中央处理器会根据接受的信号做出相应的指令，然后在驱动马达，最终达到控制平衡的效果。现在可以假设将人的身体与整车的重心纵轴作为一个参考线，当这条轴线偏离原点向前倾时，Segway内置的电动马达就会产生驱动力，这种驱动力一方面可以产生整车的加速度，同时还可以产生整车前倾扭矩，维持平衡的状态，同样的，若向后倾斜，一样会产生相同的效果。 [4～5]。
图11：Segway两轮平台电动车与iBOT自动平衡式动力轮椅
2002年美国人Trevor Blackwell发明出一款制造成本更为经济的平衡电动车Balancing Scooter。它的车轮驱动力来自于两个带有减速箱的轮椅电机，同时结合Atmel 公司生产的 8位单片机作为整车的控制器，其控制方法为 PD 控制，车身主体部分的机械结构通过铝合金材料加工制作的，而且内部大部分的零部件也是从市面上购买的。这一发明大大的降低的制造成本，节约了生产时间，而且其外形，性能等方面毫不逊色于Segway。
1.2.2 国内研究现状
虽然国内平衡电动车的发展比较晚，但是将智能化与时尚于一身的代步工具，已经在中国市场上引起了不小的轰动。从2003年国第一辆双轮自平衡电动代步车—Free Mover发展开始国内平衡车的发展得
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