自行車的電動比例助力系統(tǒng)改裝

XX 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）作 者:學(xué) 號：學(xué) 院: 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化題 目: 自行車的電動比例助力系統(tǒng)改裝指導(dǎo)者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))20xx 年 5 月畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要本課題主要是一種自發(fā)電式助力電動自行車的改造方案,其結(jié)構(gòu)與普通自行車相仿,也可在普通基礎(chǔ)上改裝, 通過電動車原控制器控制電機(jī)的輸出，電動車具有全電動和電動加人力助動兩種工作模式，其特征是在電動自行車的前輪和中軸上安裝有速度傳感器，前輪和中軸上的速度傳感器分別將測得的速度信號送入比例助力控制器中，比例助力控制器將速度信號分析變換后向電動車原控制器輸出控制信號，通過控制器控制電機(jī)的輸出功率。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精確、平穩(wěn)、成本低的優(yōu)點(diǎn)。比例助力控制器將速度信號分析變換后向電動車原控制器輸出控制信號，再通過原控制器控制電機(jī)的輸出功率。 關(guān)鍵詞 電動車，比例助力 ，改裝畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title The proportionally assistance system modifications of bicycle AbstractThis paper mainly carried on a spontaneous electric power electric bicycle development train of thought, By electric vehicle controller control motor output, electric cars have all electric and electric add manpower to help move two work modes, whose character is installed on the electric bicycle front and center with speed sensor, speed sensor on the front and center, respectively, will be measured the speed of the signal in proportion power controller, proportional power controller will speed signal analysis after conversion to electric controller output control signal, through the control motor output power. The system has simple structure, control precision, stability, low cost advantages. Proportion after conversion to electric power controller will speed signal analysis the original controller output control signal, again through the control motor output power. Keywords Electrombile, Proportion of power ,change one's costume 目 錄1 緒論 11. 1 比例助力系統(tǒng)概念52 總體部件選擇方案 52.1 電機(jī)選擇 52.2 電池選擇 102.3 改造方案選擇 113 機(jī)械部分改造 143.1 測繪 143.2 加工 163.2.1 加工固定板 1632.2 加工左旋螺紋163.3 安裝 173.3.1 安裝固定板及電機(jī) 173.3.2 安裝電池 193.3.3 接線 204 進(jìn)一步改造的設(shè)想和方案 23結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 2711 緒論介紹一種比例助力電動自行車的研發(fā)思路,其結(jié)構(gòu)與普通自行車相仿,也可在普通基礎(chǔ)上改裝,依靠自行車自身能量的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)助力功能。自行車以電池為源動力,在行車同時帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,最終供電給電動機(jī)起助力作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,可持續(xù)發(fā)展日漸被人們所重視,依靠科技的進(jìn)步,電動自行車以其“清潔、環(huán)保、便捷”等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的親睞,贏得了廣泛的市場。我國電動車市場出現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭,其產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量水平也都有了很大的進(jìn)步和提升,消費(fèi)者對電動自行車的認(rèn)可度也在逐步提高。但目前電動車市場上產(chǎn)品仍然存在著結(jié)構(gòu)單一,充電時間長,續(xù)航能力差等問題,再加上國家對電動自行車提出“限速令” 。面對著機(jī)遇和挑戰(zhàn),多數(shù)廠家開始將目光投向研發(fā)輕小型電動自行車的思路上來,但實(shí)質(zhì)問題仍沒有得到有效解決,目前使用的鋰電池新產(chǎn)品,也因使用條件苛刻和成本大幅增加等因素沒能大量推廣,有些廠家采用增加電瓶數(shù)量的方法,雖然增大了騎行里程,但整車重量的增加又與輕小化相背離。國際市場上，很多國家（ 特別是歐美的一些國家） 要求電動自行車必須具有腳踏助力、無轉(zhuǎn)把的精確比例助力控制系統(tǒng)，而我國大多數(shù)電動車目前還無法滿足這個要求。文章介紹了目前電動車助力傳感系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了一種可以精確助力，且經(jīng)濟(jì)簡便的技術(shù)思路和應(yīng)用方案，并對該方案的市場運(yùn)作給出了具體的操作思路。 一、比例助力系統(tǒng)在中國市場及國際市場實(shí)施的必要性電動自行車作為商品出現(xiàn)，在中國大陸已有七年了。眾所周知，其主流模式為全電動驅(qū)動方式，電源一般為 36V/12Ah 配置，這主要因?yàn)樵诖箨懯袌?，電動自行車不是休閑品，而是代步工具，用戶花兩三千元買了一輛車，若要人力蹬踏，消費(fèi)者覺得不值。隨著國內(nèi)電動自行車產(chǎn)量近年連續(xù)翻番地急劇膨脹，市場開始細(xì)分，比例助力系統(tǒng)越來越受到消費(fèi)者和廠家的青睞，具有廣闊的市場空間。比例助力系統(tǒng)在全球市場實(shí)施的必要性主要有以下幾點(diǎn)： 1、國際市場上，歐美都要求腳踏啟動，腳停斷電，沒有轉(zhuǎn)把的電動自行車。日本市場更需要精確比例助力的電動自行車。沒有比例助力系統(tǒng)，產(chǎn)品就很難走出國門。 2、電動自行車最理想的使用方法就是人助車動，電動人行，人力電力聯(lián)動，省力又省電。長時間全電動騎行或人力騎行都會感覺到累，最好的辦法是比例助力騎行和全電動騎行交替使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上，在比例助力系統(tǒng)中，如果助力比合適，腿只是稍微用力，肌肉不緊張而自行車快速運(yùn)轉(zhuǎn)，會有一種很奇特的感覺。首先，人參與了這項(xiàng)運(yùn)動，休閑的味道會漸漸滲透出來，可以品出一種人機(jī)合一的樂趣。全2電動騎行時，由于人坐在車上，腿基本不動，半小時一過，就會腰酸背痛。騎比例助力的車卻沒有這種感覺，累了還可以換成全電動，這更合乎健康人生的道理。再從安全角度上講，在紅綠燈前和上下班的車流中想全速前進(jìn)不可能也不安全，這時比例助力是最佳的選擇，可以大大減小交通高峰時間的事故發(fā)生率。 3、比例助力騎行可以避免電池超大電流放電，有利于延長電池壽命，而且從節(jié)電的角度講，用比例助力啟動可以省很多電，因?yàn)轭l繁全電動啟動是最耗電的。比例助力騎行還能對電機(jī)起到保護(hù)作用。近兩年，國內(nèi)市場大面積使用的是低速有刷電機(jī)，這種電機(jī)價格低廉，但它的電流較高速有刷和無刷電機(jī)都要高出許多，故而續(xù)行里程要短很多。在全國第二、第三次電動自行車?yán)锍藤愔欣m(xù)行 70-80km 的電動自行車在目前市場上已是鳳毛麟角了。另外，一些高檔消費(fèi)者眼睛瞄上了 Ni-MH 電池電動自行車，由于其成本高，各整車廠都傾向于使用 24V/8-9Ah 的電源配置。這種配置較36V/12Ah 的鉛酸電池容量要小不少，至少要短 1/3 的放電時間，全電動續(xù)行里程能達(dá)到 35km 已是上品了。如果增加了比例助力系統(tǒng)，人力電力合力騎行的話，則很容易將此 16 里程補(bǔ)回來。此外，如果 Ni-MH 電池、鋰電池批量投入使用，比例助力系統(tǒng)減少了電機(jī)運(yùn)行過程中的大電流輸出，可以增加電動自行車的續(xù)行里程，部分路途較近的消費(fèi)者就有可能選擇 24V/12Ah 及 36V/12Ah 的電池作為電源配置，這給競爭激烈的電動自行車造型設(shè)計提供了更加廣泛的遐想空間，既豐富了車種，同時又降低了成本，以及銷售價格，對大家都是有益的。當(dāng)然若有人堅持 36V/12Ah 的電源配置，使用高速有刷電機(jī)或無刷電機(jī)，則這種車?yán)m(xù)行里程 90km100km 屬正常發(fā)揮，部分消費(fèi)者正好有這種需求。二、現(xiàn)有助力傳感系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析助力傳感系統(tǒng)的設(shè)計預(yù)期效果是實(shí)現(xiàn)腳踏力和電動力之間保持一定的比例關(guān)系，如我們常說的助力比為 1 或 2.5 助力等。助力比為 1 助力較小，助力比為 2.5 助力就大得多。日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定速度在 0-15km/h 之間的助力比例公式為： a=（P2-P1）/P1 式中：a：助力比例 P1：人力腳踏功率 P2：驅(qū)動輪輸出總功率如 a=1 時，電機(jī)輸出功率（P2-P1）=人力腳踏功率（P1） ，a=2.5 時，電機(jī)輸出功率（P2-P1）=2.5X 人力腳踏功率（P1） 。速度在 15km/h24km 區(qū)間內(nèi)。助力比例逐漸減小到 0，超過 24km/h 后，電機(jī)不再提供輸出功率?，F(xiàn)在流行的助力傳染系統(tǒng)的工作原理是用一個力矩傳感器將人力蹬踏的腳踏力轉(zhuǎn)化為電壓信號傳送給控制器，控制器分析比較后指示電機(jī)輸出相匹配的功率，這種助力系統(tǒng)的關(guān)鍵部位是力矩傳感器。常見的比例助力系統(tǒng)主要有以下幾種形式： 1、我國出口歐美市場的電動自行車助力傳感器基本上都是開關(guān)型的，把3原轉(zhuǎn)把取消，在中軸部分裝一霍爾元件和磁鋼圓盤，達(dá)到一定速度電機(jī)就開始啟動啟動后就全電動控制了，因此它并無精確比例一說，騎行感覺也較差。優(yōu)點(diǎn)是價格極低，工藝簡單。 2、日本力矩傳感器的原理是人力腳踏后壓迫中置式電機(jī)里的彈簧，產(chǎn)生形變，再將形變的幅度轉(zhuǎn)換成力矩大小，且在電機(jī)的外沿刻有凹槽，轉(zhuǎn)很小的角度就有反應(yīng)，很靈敏。但這套裝置對零件的材質(zhì)、工藝都有很高的要求，至今，很少有國內(nèi)廠家模仿過。 3、清華大學(xué)早期出口日本的力矩傳感器另辟蹊徑，在中軸五通內(nèi)裝有套筒和偏心裝置，人力腳踏即產(chǎn)生偏心力矩。成本較日本方案要低得多，加工倒不復(fù)雜，但精度控制難，軟件中要對其修正。這是國內(nèi)批量最大的精確比例助力傳感器商品。 4、在清華大學(xué)之后，國內(nèi)有多種類型的方案出臺，思路都很新穎，價格有高有低。代表性的有測中軸扭力形變的，有測鏈條張力的，有用光柵電路的，有將測力部件放入輪轂的，各具優(yōu)點(diǎn)，但由于種種原因都沒有普及開或正在普及過程中。三、本助力系統(tǒng)的技術(shù)思路現(xiàn)在要介紹這樣一種方案，它能達(dá)到精確比例助力的效果，但成本極其低廉，工藝特別簡單，除了在新車上實(shí)施之外，還能為正在中國大地上騎行的幾百萬輛電動自行車增加比例助力功能，而不影響原車任何現(xiàn)有功能的使用，變成兼有全電動和比例助力功能的新車種。在設(shè)計過程中，鑒于各整車生產(chǎn)廠家選用控制器都有自己的技術(shù)指標(biāo)要求，且配套廠家的產(chǎn)品又經(jīng)過長期的磨合考驗(yàn)，所以新比例助力系統(tǒng)只是在原控制器的基礎(chǔ)上加上前輪、中軸速度傳感器和控制電子線路板，仍然通過原控制器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，市場售價遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它比例助力控制器。具體原理是這樣的，為了方便起見，以 0-15km/h 速度區(qū)間 1:1 比例助力為例說明，假設(shè)現(xiàn)車速為 12km/h，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，全電動時整車平均電流為 4.0A（特別說明：現(xiàn)在電動車控制器幾乎都采用脈寬調(diào)制技術(shù)，即PWM 技術(shù)來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。為闡述方便起見，這里所說的平均電流就相當(dāng)于在一個周期內(nèi)，與脈寬受調(diào)制的方波能量等效的直流電流的大?。?，其中空載電流為 0.4A，實(shí)際做功電機(jī)電流為 3.6A。在 1：1 助力的情況下，電機(jī)電流應(yīng)為 1.8A，余下 1.8A電流做功則應(yīng)由人力提供。測得 0-15km/h 區(qū)間任一瞬時速度相對應(yīng)的全電動電流值，除去電機(jī)應(yīng)提供的比例，余下的功率就自然由人去匹配供應(yīng)，假如人力達(dá)不到相應(yīng)的功率，速度就會減小，最后達(dá)到一個能勻速前進(jìn)的平衡狀態(tài)。當(dāng)然不同車型，不同電機(jī)所得到的電流都不相同，但對具體車型，則可以用實(shí)驗(yàn)方法檢測出來，余下的就是用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行軟件修正了。此時第一推動力是人力，騎乘者希望快點(diǎn)就要加力蹬踩，此時瞬時速度就會提高，速度一快對應(yīng)要求的電流就會增加，反之亦然。4通過軟件循環(huán)檢測可以保證這一過程周而復(fù)始地進(jìn)行下去。電動自行車的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、環(huán)保、方便、適合中國國情。本比例助力傳感器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、精確、工藝簡單、維修方便、適用性強(qiáng)，從騎行舒適性、流暢性上講在目前國內(nèi)是比較優(yōu)秀的。因?yàn)樵谏鲜龇桨钢?，速度和電流是以連續(xù)函數(shù)關(guān)系一一對應(yīng)的，不會出現(xiàn)其它精確比例系統(tǒng)中的一旦不踩就會斷電，一踩又會來電，時斷時續(xù)的不良感覺，得到的應(yīng)是行云流水、張馳有度、隨心所欲的效果。騎乘者利用該系統(tǒng)可以幾乎不費(fèi)力地加速到 20km/h，放慢踩速，就可以平穩(wěn)地降低速度，可以在任何一個速度點(diǎn)達(dá)到平衡狀態(tài)。另外車輛的一些安全措施如剎車斷電等功能都不受任何影響，故整車的安全性能得到了很好的保障。四、本系統(tǒng)市場開發(fā)的具體構(gòu)思 1、國內(nèi)市場電動自行車使用全電動功能是中國的一大特色，如要取消，市場肯定不會接受，本方案是在其基礎(chǔ)上加上比例助力功能，兩者之間切換十分方便。轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動就是全電動功能，轉(zhuǎn)把復(fù)位就是比例助力功能，無附加按鈕，響應(yīng)迅速。我國電動自行車安全通用技術(shù)條件中并無精確比例助力的要求，但是否精確比例助力對騎乘者來說感覺大不一樣，所以本系統(tǒng)受到歡迎是可以理解的?？紤]到各地路面狀況不一，騎行者體重不同，可以在出廠時將助力比例設(shè)為連續(xù)可調(diào)，整車廠員工或銷售人員都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，甚至也可以教會用戶自己調(diào)節(jié)的方法。一般說助力比例設(shè)在 22.5 之間，既能有很強(qiáng)的助力感，又不至于使人跟不上轉(zhuǎn)速而踩空。唯一使人有疑惑的是在爬坡時，要先有較大的速度才能輸出較大的電流助力，這一點(diǎn)可以在說明書中說明，爬坡時應(yīng)同時用全電動轉(zhuǎn)把、把電機(jī)的功率發(fā)揮到最大，然后輔以腳踏助力，這樣爬坡效果和全電動模式下是相同的。 2、國際市場以日本市場要求的精確比例助力為例，前述的方案在爬坡時因?yàn)闊o調(diào)速轉(zhuǎn)把無法使用，則可以在車體上固定一個裝置，檢測水平傾角的大小，從而調(diào)節(jié)輸出電流。這樣在上坡時仍然可以達(dá)到精確的比例助力，人力和電力都增加了部分功率。歐美市場也可以采用類似方法。 3、舊車改裝市場市場總量約有 250 萬輛以上，消費(fèi)者花 100 元將原有的全電動功能的電動自行車改裝成全電動和比例助力系統(tǒng)共存的電動自行車應(yīng)該是可以接受的，扣除成本后，其收益空間足以讓維修點(diǎn)和銷售商動心。總結(jié)本文首先討論了比例助力系統(tǒng)在中國及國際市場上實(shí)施的必要性，然后對現(xiàn)有實(shí)施方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，接著提出本方案的技術(shù)思路，重點(diǎn)介紹了本助力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及其多種優(yōu)點(diǎn)，最后對其市場前景作了簡要的分析。無論是國際國內(nèi)市場新舊車市場，該系統(tǒng)由于其價格低廉、工藝簡單、助力精確，都有它廣泛的適用性，其市場前景誘人。51.1 比例助力系統(tǒng)的概念的概念用力矩傳感器將人力腳踏的腳踏力轉(zhuǎn)化為電信號床送給控制器，控制器分析比較后指示電機(jī)輸出相匹配的功率。一種速度控制式比例助力電動自行車控制系統(tǒng)，與電動車原控制器相連，通過電動車原控制器控制電機(jī)的輸出，電動車具有全電動和電動加人力助動兩種工作模式，其特征是在電動自行車的前輪和中軸上安裝有速度傳感器，前輪和中軸上的速度傳感器分別將測得的速度信號送入比例助力控制器中，比例助力控制器將速度信號分析變換后向電動車原控制器輸出控制信號，通過控制器控制電機(jī)的輸出功率。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精確、平穩(wěn)、成本低的優(yōu)點(diǎn)。比例助力控制器將速度信號分析變換后向電動車原控制器輸出控制信號，再通過原控制器控制電機(jī)的輸出功率。要求電動自行車必須具有腳踏助力、無轉(zhuǎn)把的精確比例助力控制系統(tǒng)。2 總體部件選擇方案2.1 電機(jī)的選擇對無刷電機(jī)而言，根據(jù)電機(jī)是否具有位置傳感器，又分為有位置傳感器無刷電機(jī)和無位置傳感器無刷電機(jī)。對電機(jī)(7張)于無位置傳感器的無刷電機(jī)，必須要先將車用腳蹬起來，等電機(jī)具有一定的旋轉(zhuǎn)速度以后，控制器才能識別到無刷電機(jī)的相位，然后控制器才能對電機(jī)供電。由于無位置傳感器無刷電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)零速度啟動，所以在2000年以后生產(chǎn)的電動車上用得較少。目前電動車行業(yè)內(nèi)使用的無刷電機(jī)，普遍采用有位置傳感器無刷電機(jī)。旋轉(zhuǎn)180°，線圈不動，霍耳元件感應(yīng)到S極磁場，此時P1與R2截止，P2與R1導(dǎo)通，可以看到電流i從電池正極經(jīng)過R1、線圈、P2流到電池負(fù)極。通電線圈中的A點(diǎn)的電流i方向是指向接線頭的方向（矢量方向與i矢量方向相反），磁鋼受到線圈的反作用力，一樣產(chǎn)生向逆時針方向的旋轉(zhuǎn)力矩。電動車用無刷電機(jī)的磁鋼數(shù)量比較多，線圈一般有3組，每組線圈都有相應(yīng)的霍耳元件(3相線圈有3個霍耳元件)，這樣電機(jī)旋轉(zhuǎn)時就更平穩(wěn)，效率更高。當(dāng)磁鋼旋轉(zhuǎn)時，霍耳元件感應(yīng)到磁場方向變化后給出相應(yīng)控制信號，無刷控制器根據(jù)此信號控制著上3路與下3路功率管的導(dǎo)通與截止。有刷電機(jī)、無刷電機(jī)的比較有刷電機(jī)與無刷電機(jī)的通電原理上的區(qū)別：有刷電機(jī)是由炭刷與換向器進(jìn)行機(jī)6械換向，無刷電機(jī)是靠霍耳元件感應(yīng)信號由控制器完成電子換向。有刷電機(jī)和無刷電機(jī)的通電原理不一樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不一樣。對輪轂式電機(jī)而言，電機(jī)力矩的輸出方式（是否經(jīng)過齒輪減速機(jī)構(gòu)減速）不一樣，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也不一樣。1、常見高速有刷電機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機(jī)由內(nèi)置高速有刷電機(jī)心、減速齒輪組、超越離合器、輪轂端蓋等部件組成。高速有刷有齒輪轂式電機(jī)屬于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。2、常見低速有刷電機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機(jī)由炭刷、換相器、電機(jī)轉(zhuǎn)子、電機(jī)定子、電機(jī)軸、電機(jī)端蓋、軸承等部件組成。低速有刷無齒輪轂式電機(jī)屬于外轉(zhuǎn)子電機(jī)。3、常見高速無刷電機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種輪轂式電機(jī)由內(nèi)置高速無刷電機(jī)心、行星摩擦滾子、超載離合器、輸出法蘭、端蓋、輪轂外殼等部件組成。高速無刷有齒輪轂電機(jī)屬于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。4、常見低速無刷電機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2-1-1 所示。這種輪轂式電機(jī)由電機(jī)轉(zhuǎn)子圖 2-1-1電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動負(fù)載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護(hù)工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。有刷直流電機(jī)的工作原理圖如圖 2-1-1 所示。在有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源有刷直流電機(jī)的固定部分有磁鐵，這里稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵芯和繞在環(huán)形鐵芯上的繞組。圖 2-1-1 所示的兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極 N 和 S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之7間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由 A 和 X 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷 B1 和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。有刷直流電機(jī)的種類：有刷盤式繞組電機(jī)。有刷盤式繞組電機(jī)以稀土材料粘結(jié)在一缸體上，漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內(nèi)，構(gòu)成轉(zhuǎn)子。電機(jī)相位靠機(jī)械式換相器調(diào)整。機(jī)械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉(zhuǎn)動的銅制換相面摩擦來調(diào)整電壓相位的。這種電機(jī)在使用中電刷一直在磨損，電機(jī)的壽命很難超過 2000h。同時，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，必須采取兩級齒輪減速，這就帶來了兩個問題，一是噪聲較大，二是效率損失大，經(jīng)減速后的電機(jī)額定效率往往只能達(dá)到 68%72%。而電動自行車所用的蓄電池的容量是有限的，一般就是 36V/12Ah 的容量，如電機(jī)效率不高，將使電耗增加，影響續(xù)行里程。有刷印制繞組電機(jī)。有刷印制繞組電機(jī)以印制銅箔板作為繞組，電機(jī)重量減輕了。由于這種電機(jī)全部是在自動生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，工藝有可靠保證，從而使電機(jī)的壽命提高到 3000h，噪聲大幅度下降，效率提高到 72%76%。但這種電機(jī)有“嗡嗡” 的高頻噪聲，靠齒輪減速后效率仍不理想，有刷換相器的使用使電機(jī)壽命無法再提高。有刷壓制繞組電機(jī)。這種電機(jī)通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞組，其效率可提高到 74%78% 。噪聲、壽命缺陷仍然是必須改進(jìn)的問題。輪轂式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī)，由盤形電樞有刷電機(jī)和齒輪減速兼?zhèn)鲃酉到y(tǒng)兩部分構(gòu)成。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī)的構(gòu)造如圖 2-1-2 所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過軸傳遞給第一級齒輪，經(jīng)齒輪減速帶動輪轂外殼轉(zhuǎn)動。圖 2-1-2有刷有齒輪轂電機(jī)的盤形電樞是薄片形，體積很小，重量特輕，安裝方便。繞8組編制好之后，用樹脂加玻璃纖維放進(jìn)模內(nèi)熱壓成型，在運(yùn)行中由于電刷和換向器摩擦，又有齒輪嚙合減速，所以有刷電機(jī)的運(yùn)行聲音比無刷電機(jī)聲音要大。為了適應(yīng)輪轂結(jié)構(gòu)，將有刷電機(jī)設(shè)計成電樞放在外邊作為轉(zhuǎn)子，磁鋼放在電機(jī)之內(nèi)作為定子，多塊磁鋼配多個繞組，設(shè)計轉(zhuǎn)速為 180r/min 左右的低速電機(jī)。圖 2-1-3 所示為電機(jī)外轉(zhuǎn)子中尚未經(jīng)過壓力整形的電樞繞組， ，在繞組以內(nèi)是呈平面環(huán)狀整齊排列的換向片。圖 2-1-3 所示的是放在外轉(zhuǎn)子內(nèi)的間隔排列著 10 塊磁鋼的定子，在中間的轂板上開有兩個孔，電刷的刷握就設(shè)在孔的背側(cè)，電刷帶著導(dǎo)線被彈簧從刷握中彈出。圖 2-1-3有刷電機(jī)的定子軸端套有一個螺母，其作用是防止在加工中損傷軸上的螺紋。把電刷整理好裝入刷握中，然后將這一端送進(jìn)圖 2-3-3 所示的孔中，電刷就可以接觸換向器平面，借助彈簧的彈力對換向器壓緊，而磁鋼正好進(jìn)入外轉(zhuǎn)子繞組中，只留一個很小的環(huán)形氣隙。這個環(huán)形氣隙的直徑越大，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大。由于有刷電機(jī)在設(shè)計中的改進(jìn)，無須齒輪減速，可實(shí)現(xiàn)低噪聲、低成本。目前很多低價位的電動自行車廣泛采用了這種電機(jī)。但這種電機(jī)扭矩小，載重負(fù)荷小，爬坡能力不佳，使用時耗電較多，仍然采用機(jī)械式的電刷換相器，電機(jī)壽命問題尚未得到解決，因此中高檔電動自行車均未采用這種電機(jī)本次所選用的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速還是比較快的有 3000RMB，但問題是發(fā)熱量比較大，而且聲音也比較響。我們分析其原因可能是一、線圈有電阻，電流流過損耗功率；二、鐵芯的磁場有“ 磁滯回線 ”，電能轉(zhuǎn)變的磁能有一部分繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芰?；三、鐵芯還有渦流，電能轉(zhuǎn)變的磁能有一部分又變成電流進(jìn)而又變成熱能；四、機(jī)械轉(zhuǎn)動部件之間有摩擦，電能轉(zhuǎn)變的動能有一部分繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芰?。電磁噪聲首要是由氣隙磁場效果于定子鐵芯的徑向重量所發(fā)生的。它經(jīng)過磁軛向別傳播，使定子鐵芯發(fā)生振動變形。其次是氣隙磁場的切向重量，它與電磁轉(zhuǎn)矩相反，使鐵芯齒部分變形振動。當(dāng)徑向電磁力波與定子的固有頻率接近時，就會惹起共振，使振動與噪聲大大加強(qiáng)，甚至危及電機(jī)的使用壽命。9依據(jù)電機(jī)噪聲發(fā)生的分歧方法,大致可把其噪聲分為三大類 :電磁噪聲；機(jī)械噪聲；空氣動力噪聲。根據(jù)電磁噪聲的成因，我們可采用下列辦法降低電磁噪聲。盡量采用正弦繞組，削減諧波成份；選擇恰當(dāng)?shù)臍庀洞琶?，不該太高，但過低又會影響資料的應(yīng)用率；選擇適宜的槽共同，防止呈現(xiàn)低次力波；采用轉(zhuǎn)子斜槽，斜一個定子槽距；定、轉(zhuǎn)子磁路對稱平均，迭壓嚴(yán)密；定、轉(zhuǎn)子加工與裝配，應(yīng)留意它們的圓度與同軸度；本次所選用電機(jī)及參數(shù)如下 2-1-4 圖所示10圖 2-1-42.2電池的選擇鋰電池的工作原理：鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理 一個鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，外加正負(fù)極引線，安全閥，PTC（正溫度控制端子） ，電池殼等。雖然鋰離子電池種類繁多，但其工作原理大致相同。充電時，鋰離子從正極材料中脫嵌，經(jīng)過隔膜和電解液，嵌入到負(fù)極材料中，放電以相反過程進(jìn)行。以典型的液態(tài)鋰離子為例，當(dāng)以石墨為負(fù)極材料，以 LiCoO2 為正極材料時，其充放電原理為： 正極反應(yīng)：LiCoO2= Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 負(fù)極反應(yīng)：6C + xLi+ + xe- = LixC6 電池總反應(yīng)： LiCoO2 + 6C =Li1-xCoO2 + LixC6 放電時發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。 充電時， Li+從 LiCoO2 中發(fā)生脫嵌，釋放一個電子，C3+被氧化為 C4 +，與此同時，Li+經(jīng)過隔膜和電解液遷移到負(fù)極石墨表面，進(jìn)而插入到石墨結(jié)構(gòu)中，石墨結(jié)構(gòu)同時得到一個電子，形成鋰碳層間化合物 LixC6，放電時過程則相反，Li+從石墨結(jié)構(gòu)脫插，嵌入到正極 LiCoO2 中。鋰電池的正確使用方法：可隨用隨充。忌過度放電。待設(shè)備提示“電量不足”就應(yīng)該充電；到設(shè)備都自動關(guān)機(jī)了才充電，電池已經(jīng)過度放電。這會影響電池壽命。忌過度充電。充電器發(fā)出充滿指示，就應(yīng)該拔下充電器?，F(xiàn)在的充電器一般都有充滿自停的設(shè)計，短時間不從充電器取下電池倒也無妨，但長久把電池留在充電器上，到深夜電網(wǎng)電壓升高，本已經(jīng)停止充電的充電器，電壓升高后，又會繼續(xù)充電，造11成電池過充電。這會影響電池壽命。鋰電池長久不用，要充電到 60%，單獨(dú)存放在陰涼干燥處，并每隔 4、 5 個月進(jìn)行補(bǔ)充充電。忌電池短路，大電流放電，對電池壽命不利。我這次所選鋰電池如下圖 2-2-1 所示圖 2-2-1本次所選用的電池額定電壓為 36V 額定電流為 10A 電機(jī)的額定功率為 250W 額定電壓為 36V 算出電機(jī)的額定電流為 6.944A 從而可以算出電池在此電機(jī)工作下的工作時間為 61.7h。2.3 改造方案的選擇方案一原始自行車如下圖 2-3-1 所示：12圖 2-3-1A、改裝時加一個控制電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；B、改裝時增加的直流電源安裝在菒輪擋泥瓦的上方，保險叉前方的位置（無保險叉的指改車商標(biāo)處的前方） ；C、改裝時增加的直流電動機(jī)及減速部分為一個整體安裝在中軸之上或之下的位置，安裝在中軸之下時其形狀尺寸應(yīng)適應(yīng)放置在鏈條主動輪和左腳蹬之間的位置，不影響鏈條主動輪和左腳蹬的轉(zhuǎn)動；D、改裝時增加一個與小輪車鏈條從動輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)（棘輪構(gòu)造）相同的但外周為齒輪狀的新增從動輪，安裝在后輪左側(cè)且與后輪同軸心；E、改裝時增加一根傳動軸用外周加軸承或軸套的方式使其能軸向轉(zhuǎn)動的固定自行車左側(cè)中軸與后軸連結(jié)架的上方或下方位置，一端與電動機(jī)減速輸出端連結(jié)，另一端與新增從動輪相吻合轉(zhuǎn)動；F、改裝時增加一個檢測騎車人驅(qū)動自行車后輪轉(zhuǎn)動速度的檢測輪，該輪與鏈條或鏈條主動輪、從動輪其中之一相吻合轉(zhuǎn)動；G、改裝時增加的電子調(diào)速器的控制電位器轉(zhuǎn)動軸上加裝齒輪，該齒輪的轉(zhuǎn)動是經(jīng)檢測輪，離心裝置、被動連桿、恢復(fù)彈簧、調(diào)節(jié)螺桿共同實(shí)現(xiàn)的，并組成一個相互連結(jié)的整體，安裝在接近鏈條的位置，而利于檢測輪的受外力轉(zhuǎn)動。方案二(1)安裝飛輪第一步，取下后輪如圖 2-3-2，把輪軸向飛輪方向移動 0.5cm 或更換較長的輪軸。13圖 2-3-2第二步取出螺紋圈（即圖所示 2-3-3） ，旋入自行車原有飛輪，并把減速飛輪和自行車飛輪用鏈條軸鏈接一起（這里要注意，二個飛輪應(yīng)同向鏈接） 。第三步套入兩根鏈條（一根為自行車原有鏈條，一根為電機(jī)鏈條） ，將車輪裝回車架。圖 2-3-3第四步調(diào)整踏腳鏈輪，卸下自行車擋泥板，并拆開踏腳軸心，把踏腳整體推至最右邊裝回固緊。（此步驟可省略）第五步歸位固緊。（緊固后，飛輪離自行車三角支架應(yīng)有 2 毫米左右間距，不要讓飛如圖 2-3-4 輪與車架間無空隙）圖 2-3-414(2)安裝電機(jī)： 第一步取出電機(jī)及電機(jī)支架，并把電機(jī)固定在支架上（不要固緊，以便調(diào)整）。 第二步套上鏈條后，電機(jī)機(jī)架直板緊靠自行車三角支架往右上推，直至鏈條繃緊，用緊固環(huán)和螺絲稍微固緊。注意，緊固環(huán)鉆有螺紋是為方便設(shè)計的，固緊時請一定再加螺母和彈墊輔助固緊。圖 2-3-5第三步小心調(diào)整電機(jī)位置，使電機(jī)鏈輪與減速飛輪處在同一平面上。電機(jī)板設(shè)計時預(yù)留了較大的螺絲孔，以適應(yīng)不同的車型，只要仔細(xì)調(diào)整，一般都能調(diào)整到位的。第四步緊固電機(jī)支架及電機(jī)如圖 2-3-5。 3 機(jī)械部分改造步驟3.1 測繪根據(jù)自行車后輪部分尺寸我們設(shè)計出了 2 塊不同形狀的固定。板如下圖 3-1-1所示15圖 3-1-1163.2 加工3.2.1 加工固定板電火花線切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，簡稱 WEDM），有時又稱線切割。其基本工作原理是利用連續(xù)移動的細(xì)金屬絲（稱為電極絲）作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型。它主要用于加工各種形狀復(fù)雜和精密細(xì)小的工件，例如沖裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、樣板、電火花成型加工用的金屬電極，各種微細(xì)孔槽、窄縫、任意曲線等，具有加工余量小、加工精度高、生產(chǎn)周期短、制造成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，已在生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外的電火花線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床總數(shù)的 60以上。切割步驟將 2 張固定板圖形在切割機(jī)中畫出來程序自動生成，再用固定銷將板原材料固定在機(jī)床上，注意一定要夾緊，在切割過程由于切割力支撐板的力度不夠板會發(fā)生傾斜所以我們用夾子夾住 2 端從而使被切割板固定，根據(jù)所繪圖形切割出固定板。遇到的問題：-切割的過程中由于沒有用夾具夾牢使板的切割有一點(diǎn)點(diǎn)小的誤差但這對板的安裝沒有影響。3.2.2 加工左旋螺紋用如下圖 3-2-2 所示工具在后輪軸端面上用手工制造一段左旋螺紋，早制造的過程中我遇到了一點(diǎn)點(diǎn)麻煩就是在做螺紋第一道的時候猶豫工具沒擺成水平，導(dǎo)致刻螺紋的時候不是水平的，最終導(dǎo)致齒輪也不夠水平，偏了一點(diǎn)點(diǎn)，但這點(diǎn)偏差對齒輪的安裝沒有太大影響。17圖 3-2-23.3 安裝3.3.1 安裝固定板及電機(jī)安裝：先將電機(jī)安裝在第一塊板上，將后輪拆了，安裝電機(jī)，將如圖 3-1-1-1所示左旋左旋齒輪按照所刻螺紋安裝在后輪軸上盡量使左旋齒輪與鏈條與后輪軸垂直為了使其在工作時鏈條不至于掉了。圖 3-1-1-1安裝后如下圖 3-1-1-2 所示：18圖 3-1-1-2安裝二：大體與安裝-位置相同，電機(jī)齒輪的位置與一相同不同的是板的位置與板的形狀，所選板為第二塊板，安裝后如下圖 3-1-1-3 模型所示：19圖 3-1-1-33.3.2 安裝電池第一步先用沖擊鉆在保險桿的前方鉆 2 個 5 毫米的孔，找來 2 個直徑 5mm 的螺絲將電池外殼固定在保險桿上固定后如圖 3-1-1-4 所示：圖 3-1-1-4203.3.3 接線機(jī)械部分安裝完成了剩下的就是電的部分。按照控制器上的相應(yīng)接線口的電線順序排列，順序安裝。紅線接紅線，黑線接黑線，兩個相應(yīng)接口的顏色相同的線對準(zhǔn)。控制器上的較粗的兩條藍(lán)紅線接電源。紅線接正極另兩條藍(lán)黃線接電機(jī)。在電池與電機(jī)之間我安裝一個控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制器，用來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。接線后如上圖所示。為了安全起見我們安裝了一個開關(guān)按鈕用來控制電路的通斷，按鈕及調(diào)速控制器線路如下圖 3-1-1-5 所示：21負(fù)極正極正極負(fù)極 圖 3-1-1-5這樣自行車改裝就基本完成了。下面 3-1-1-6 是由第一塊固定板建模的圖形：22圖 3-1-1-6實(shí)物完成后整體圖如下圖 3-1-1-7 所示：圖 3-1-1-7第二塊板建模圖形如下圖 3-1-1-8 所示：23圖 3-1-1-8說明：由于時間原因第二塊板實(shí)物沒做出來，這邊只能拿建模的圖形進(jìn)行參考。總結(jié)：第方案安裝后發(fā)現(xiàn)電機(jī)鏈條與自行車剎車螺帽相碰到，阻礙電機(jī)與自行車后輪的傳動。我只能調(diào)節(jié)固定板的的位置使其它們不相碰，在調(diào)節(jié)后這一問題得到解決。還有就是固定板擋住了自行車后輪剎車的調(diào)節(jié)螺絲，影響了剎車皮與輪間的調(diào)節(jié)，要解決這一問題的唯一辦法就是重新做一塊固定板位置和尺寸都必須改變。綜合考慮后我選擇了第二塊板，因此選擇了第二塊板。4 進(jìn)一步改造的設(shè)想和方案由于時間的原因本次改造的針對機(jī)械的部分比較多，沒有完全達(dá)到課題所要求的比例助力系統(tǒng)驅(qū)動的改造方案，現(xiàn)初步的是完全由電池提供的電力控制電機(jī)，通過控制器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以在此我提出了一個方案。在設(shè)計過程中，鑒于各整車生產(chǎn)廠家選用控制器都有自己的技術(shù)指標(biāo)要求，且配套廠家的產(chǎn)品又經(jīng)過長期的磨合考驗(yàn)，所以新比例助力系統(tǒng)只是在原控制器的基礎(chǔ)上加上前輪、中軸速度(Tempo)傳感器和控制電子線路板，仍然通過原控制器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，市場(Rialto)售價遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它比例助力控制器。具體原理是這樣的，為了方便起見，以 0-15km/h 速度 (Tempo)區(qū)間 1:1 比例助力為例說明，假設(shè)現(xiàn)車速為 12km/h，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，全電動時整車平均電流為 4.0A（特別說明：現(xiàn)在電動車控制器幾乎都采用脈寬調(diào)制技術(shù)，即 PWM 技術(shù)來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度(Tempo)。為闡述方便起見，這里24所說的平均電流就相當(dāng)于在一個周期內(nèi)，與脈寬受調(diào)制的方波能量等效的直流電流的大?。?，其中空載電流為 0.4A，實(shí)際做功電機(jī)電流為 3.6A。在 1：1 助力的情況下，電機(jī)電流應(yīng)為 1.8A，余下 1.8A 電流做功則應(yīng)由人力提供。測得 0-15km/h 區(qū)間任一瞬時速度(Tempo)相對應(yīng)的全電動電流值，除去電機(jī)應(yīng)提供的比例，余下的功率就自然由人去匹配供應(yīng)，假如人力達(dá)不到相應(yīng)的功率，速度(Tempo)就會減小，最后達(dá)到一個能勻速前進(jìn)(Forward)的平衡狀態(tài)。25結(jié) 論幾 個 月 的 畢 業(yè) 設(shè) 計 就 快 要 結(jié) 束 了 ， 在 這 段 時 間 里 ， 我 覺 得 我 的 專 業(yè) 知 識 、 查 找資 料和獨(dú)立思考的能力有了一定的提高，也從中學(xué)會了遇到困難時應(yīng)當(dāng)如何去解決，這對我走進(jìn)社會從事工作有著重要的影響。通過本次畢業(yè)設(shè)計，不僅培養(yǎng)了我正確的設(shè)計思想，同時鍛煉了我們綜合運(yùn)用知識的能力。本文詳細(xì)講述了自行車改裝的方案及所需要的零部件，并對一種改造方案進(jìn)行了改造。由于時間的原因機(jī)械部分改造部分已完成，但電的部分完成的還沒達(dá)到預(yù)想的效果，還需進(jìn)一步的進(jìn)行改造。相信在答辯的時候?qū)幸徊饺碌目勘壤ο到y(tǒng)驅(qū)動的自行車展現(xiàn)在老師的面前。