组合式电动滑板结构设计与分析

2018-05-07张天宇雷实修

装备制造技术 2018年2期

张天宇，靳财，马帅，秦涛，雷实修

（1.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳441053；2.河南机电职业学院机电工程学院，河南郑州473000）

活力板是一种新型的两轮滑板，它以人体运动理论和巧妙的力学原理，利用身体（腰部及臀部）、双脚扭动及手的摆动引起轮架的倾斜，使作用于轮缘的摩擦力产生向前的推动力来驱动活力板前进，同时根据两板的倾斜来控制方向，丰富了滑板的运动技巧性与趣味性，经常使用活力板可以起到提高身体柔软度，平衡感和健身的作用[1-2]。机械式活力板使用趣味性较强，适合青少年儿童日常娱乐用，但是操作难度相对较大，并不适合上班族日常通勤使用。

本文在活力板原有的基础上进行优化，采用组合创新的方法，结合活力板的娱乐性和滑板车的便捷性，设计一款结构简单、可拆卸且方便携带的多功能组合式电动滑板，并对其关键零部件的承载性能进行分析验证。

1 组合式电动滑板结构设计

1.1 总体方案

组合式滑板结构如图1所示，主要包括：前板、后板、联轴器、供电传感系统及外接快插接口。后板可以设计成机械式和电动式两种形式，根据不同的需要组合成两种结构模式：前板和机械后板通过联轴器连接，组装成传统的机械式活力板；将机械后板换为电动后板，则组装成使用电力驱动的电动滑板。

图1 组合式滑板结构示意图

电动滑板采用电机驱动，通过检测后板上的压力传感器信号来调整运行速度，以前板的倾斜来控制前进的方向。使用电力驱动，速度更加稳定，比机械式活力板更加省力、方便。前板和后板均设有安装手把和座椅的快插接口，可以拓展滑板的功能模式，使用者可以根据需要来加装手把和座椅，当作电动滑板车使用。

1.2 后板结构设计

电动后板为组合式电动滑板的核心部件之一，主要包括后板本体、后轮、电机等，后板本体内置有电路、压力传感器、控制芯片、弹簧按钮等硬件。使用者可以根据道路情况踩压压力传感器来进行加速或者弹簧按钮使电机停转。后板下方电机通过联轴器带动涡轮转动，涡轮与大齿轮啮合，与大齿轮同轴的链齿通过链传动带动固定轮上的小链齿转动，从而达到动力传动的效果。见图2.

图2 电动后板结构示意图

1.3 前板结构设计

前板上的滑轮为万向轮，可以自由活动，主要控制滑板的运行方向。前板下方为可拆卸电池盒，以装备电池。机械活力板模式下可以根据需要将其拆卸下来，减轻负重。见图3、图4.

图3 前板结构示意图

图4 快拆式联轴器结构示意图

1.4 快拆式联轴器结构设计

联轴器主要起连接前板和后板的作用，同时缓冲前后板的扭转力矩，在组合式电动滑板上有着至关重要的作用。内置有中心连杆以及压力弹簧和扭矩弹簧，利用锁扣套筒以卡扣的形式锁紧。压力弹簧和扭矩弹簧均安装在中心连杆上，压力弹簧用以抵消在使用过程中两板带来的冲击力，扭矩弹簧则在两板发生相对扭转之后产生使之回转的力，两端均为快拆结构，可以方便的将机械后板快速更换为电动后板。

2 承载性能分析

将SolidWorks建立的组合式电动滑板结构模型导入Ansys Workbench分析软件中，对组合式电动滑板的前板和联轴器等关键核心零件进行强度分析，研究其承载性能是否满足设计要求。

2.1 前板承载性能分析

组合式电动滑板的前板采用铝合金的材料，质量密度为2.77 g/mm3，泊松比为0.33，弹性模量为200 GPa，屈服强度为280 MPa.分析时将轴承面和联轴器连接管内壁设置为固定面，将前板上的摩擦带简化，在前板的中间位置选取与人单脚相当的面积垂直加载人体单脚平均压力300 N，忽略摩擦作用，分析得到的应力和位移云图如图5所示，最大应力为1.251 3 Pa，最大形变量为2.8e-4 mm，远远小于材料的屈服强度，说明前板结构强度满足要求，可对局部结构进行减重轻量化设计，达到更加便携的目的。

图5 前板静强度分析结果

2.2 联轴器承载性能分析

联轴器的中心连杆采用铝合金材料，材料属性与前板相同，主要起到固定扭矩弹簧、压力弹簧以及承受扭矩的作用。联轴器的扭力弹簧材料采用不锈钢丝，线径为3.5 mm，中径为25 mm，滑板可旋转的最大角度为20°，有效圈数为14，根据扭力弹簧的扭矩计算公式，得最大扭矩为17.57 N·m.分析时将左端的螺孔内壁固定，在中心连杆的右端轴用卡簧的位置施加17.57 N·m的顺时针扭矩，分析得到的应力和位移云图如图6所示，最大应力为0.037 Pa，最大应变量为3.71e-5 mm，远远小于材料的屈服强度，说明联轴器中心连杆的结构强度满足要求。