智能变速代步车设计

易 植，杨 智，王子龙

（1.湖南文理学院芙蓉学院，湖南 常德 415000；2.湖南文理学院 计算机与电气工程学院，湖南 常德 415000；3.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引 言

资料显示，我国1999年后期步入老年化社会，且每年的老龄化增长率大于全国人口增长速度[1]，因此智能代步车行业势必是这个社会必须的代步工具。智能变速代步车利用巧妙的机械结构设计实现双足驾驶车辆以及车辆可以无限级变速的功能，并且增加了变速的舒适性。智能变速代步车应用范围广，实用性大，可以应用于老年人代步、无臂残疾人代步以及旅游观光等方面。智能变速代步车拥有较大的市场潜力，通过对其不断地改进，智能代步车的设计将会越来越成熟，不仅大大提高了适用性，而且应用范围不断扩大。

1 市场预测

对于目前的中国国情，文章对残疾人和老年人在代步工具方面做了市场研究和分析。目前，根据中国残联的统计，中国各类残疾人总数达8 500万，约占中国总人口的6.21%。从2015到2035年，中国将进入急速老龄化阶段，老年人口将从2.12亿增加到4.18亿，占比29%[2]。由以上两项调查发现，中国的残疾人和老年人存在着巨大的产业市场，而代步车行业就是其中一项。

1.1 同类产品分析

设计的代步车目前市场上尚未出现同类型产品，且足控的理念在代步车设计中比较少见，常见的是手脚同时操控或是通过双手操作，对于一些有特殊需求的驾驶者使用极其不便，因此本文的产品具有较强的市场竞争力。可以将主流的残疾人代步工具分为以下几个类型：全手控类残疾人代步工具、手脚并用类残疾人代步工具和人工智能操作类。生活中常见的残疾人轮椅的工作原理，即通过残疾人用双手滑动双轮行进，并且根据左右手滑动的快慢顺应改变运行的方向，实现转向功能，且驾驶者需要用双手与轮圈之间的摩擦阻力实现减速制动功能。此外，还有摇杆式手控车手脚并用类残疾人代步工具等类型。昂贵的人工智能较超前的残疾人代步工具，利用高科技打造残疾人代步工具，性能超高，但在高科技尚未普及的今天，使用这种残疾人代步工具的代价巨大，并不是一般家庭能承受的负担。

对于以上几例全手控类残疾人代步工具的分析可以看出，此类残疾人代步工具仅仅是针对双手可以正常使用的残障人士，而对于双手残疾的残障人士很难驾驶。本文设计的一种后轮驱动全足控N档变速电动三轮车解决了这个难题，实现了用双脚驾驶代步工具，可实现正常行驶、转向、刹车以及变速等功能。此外，对于大多数人来说，手臂的力量远不及双腿的力量，尤其是在上坡、制动甚至是比赛时需要瞬间较大的力量。双脚提供的能量可以较轻松地完成这些任务，相比于普通的全手控类残疾人代步工具，提出的后轮驱动全足控N档变速电动三轮车采用全足控理念，可以使驾驶者、运动员选手使用更加方便有效。

2 设计方案

2.1 技术背景及优势

智能变速代步车是将超级变速齿轮和后轮驱动全足控三轮电动车融合在一起，既有超级变速齿轮的N档无限级变速的优点，又有后轮驱动全足控三轮电动车的全足控的优点，大大提升了本设计的实用性。

本设计改变了原有后轮驱动全足控三轮电动车的变速不稳定的问题。后轮驱动全足控三轮电动车是通过速控踏板来控制车速，由于速控踏板只有两个高低阻值的电阻，使得电流在速控踏板选择不同档速时差值较大，因此使得车辆在变速时会使得速度发声突然地变化，对于驾驶者来说是一种危险因素。因此，加装超级变速齿轮，利用超级变速齿轮变速平和的优势，可以给驾驶者带来舒适性变速的体验。此外，利用超级变速齿轮还有另外的优势。在电机转速保持一定的情况下，利用超级变速齿轮的N档变速特点，可以提高超级变速齿轮的档速，从而获得更高的驾驶速度。

2.2 设计原理

2.2.1 超级变速齿轮

日常的变速自行车通常采用2个变速齿轮，常见的档速有21速、24速等。就目前的情况看，不可能将挡速无限制提高。档速越高，单个变速齿轮需要的不同大小齿轮越多，会增加齿轮总体厚度，造成车体重心不稳而使自行车难以控制。因此，设计这款超级变速齿轮可以解决这个问题，使变速自行车的档速提高到N档。本设计利用钢丝绳、支杆、钩型轮齿以及旋转式分解轮框来实现变速，从而实现从原来有限的档速变化到如今的N档速变化。此超级变速系统可以更加方便地使自行车骑行人根据不同的地形选择适合自己的档速。

为解决上述技术问题，本设计提供一种可以有N档变速的超级变速系统。采用单片变速齿轮，在工作状态时通过变速档控制钢丝绳，从而将齿轮分成8个相同的部分。通过变速档拉动钢丝绳，则钢丝绳会牵动每个部分中的支杆使旋转式分解轮框裂开，分成8个相同的部分。支杆在钢丝绳得作用下做机械运动，从而使旋转式分解轮框分开的边扩大，以扩大齿轮的周长。此时，与链条相啮合的轮齿个数减少。但是，由于轮齿特殊的钩型设计，使得轮齿能紧紧啮合链条，从而达到变速的目的。松开钢丝绳后，在回位弹簧的拉力作用下，各个部分回归原位，超级变速齿轮恢复原样。

本设计利用钢丝绳、支杆、钩型轮齿以及旋转式分解轮框实现变速的作用。由于旋转式分解轮框变速时在钢丝绳的牵引下会扩大自己的半径，相当于使一个更大半径的主动齿轮带动从动齿轮运动，从而实现提高档速的目的。由于旋转式分解轮框在钢丝绳牵引下扩大自己的半径是一个平滑且连续的过程，因此超级变速齿轮的设计使得变速从原来有限的档速变化到了如今的N档速变化。此超级变速系统可以更加方便地使自行车骑行人根据不同的地形选择适合自己的档速。

图1、图2和图3为具体实施方式的结构示意图，其中图1为复位状态，图2为工作状态，图3为超级变速系统示意图。

图1 超级变速齿轮复位状态

图2 超级变速齿轮工作状态

2.2.2 后轮驱动全足控三轮电动车

设计的目的是提供一种后轮驱动全足控三轮电动车，实现后轮驱动、踏板控制转向、速度和刹车。同时，改进整车结构，使得重量分配更加合理。

后轮驱动全足控三轮电动车包括车架、后轮、座椅、后桥、推力杆、电池组、驱动电机、脚控台、前叉和前轮。车架上装有座椅和电池组，车架通过推力杆与后桥连接，后桥两端对称装有后轮，车架前端装有前叉，前叉下端装有前轮，特征在于后桥上装有驱动电机，并通过后桥驱动后轮以推动整车前进。车架前端设有脚控台，脚控台上装有转向踏板、制动踏板、速控踏板和电源开关。

转向踏板上装有主动齿轮，前叉上装有从动齿轮，主动齿轮与从动齿轮咬合连接。车架上装有电子驻车制动器，后桥上装有制动鼓，电源开关通过导线分别与电子驻车制动器和电池组连接，电子驻车制动器通过控制线与制动鼓连接，制动踏板通过制动拉线与制动鼓连接[3]。速控踏板通过线束分别与电池组和驱动电机连接。此设计结构设计合理，操作灵活简单易行，具有驻车制定功能，使用安全可靠。

图3 超级变速系统示意图

2.3 具体实行方式

在原有的后轮驱动全足控三轮电动车的基础上，改进原有的速控踏板，把超级变速齿轮安装在电机的转轴上作为主动齿轮，将后轮上的齿轮作为从动齿轮，主动齿轮由电机带动旋转，从而带动从动齿轮转动。超级变速齿轮的总变速钢丝线接在三轮车上的前叉上，连接在变速踏板上[4]。

2.4 工作流程

智能变速代步车运行流程，如图4所示。车辆行驶时，通过左脚打开电源开关。电源开关通过电子驻车制动器控制制动鼓解除驻车制动状态，同时电池组对驱动电机输出电流，使得电机转动。超级变速齿轮固定在电机的转子上，电机带动超级变速齿轮转动，然后由左脚踩踏转向踏板，转向踏板通过带动主动齿轮和从动齿轮，实现前轮的左右转向。右脚踩踏速控踏板，速控踏板内含有超级变速齿轮的变速总钢线，当速控踏板加速（减速）方向旋转时，速控踏板拉紧（放松）钢丝绳，从而使得超级变速齿轮变大（小）。在电机稳定的转速下，后轮轴上装载的从动齿轮转速增加（减小），从而使得后轮的转速增加（减小），而后轮作为主动轮带动整车加速（减速），使得车辆实现了N档变速功能，且过程平稳，增加了变速的舒适性。

图4 智能变速代步车运行流程图

车辆行驶过程中遇到紧急情况需要减速或停车时，右脚松开速控踏板，踩踏制动踏板，制动踏板通过制动拉线拉动安装在后桥上制动鼓实现减速制动。车辆停止后，右脚关闭电源开关，电源开关通过电子驻车器控制制动鼓处于驻车制动状态[5]。

3 结 论

智能代步车产品的设计专业性相对较高，真正适合用户需求受消费者欢迎的产品又需要专业技术与用户体验的实际相结合。因此，好的代步车产品一定是拥有较高技术含量的产品。目前，我国产品创造的水准越来越高，更多有创新性的产品层出不穷，技术方面完全可以满足产品自身的需求。此外，通过专业技术人员的不断研发，将会有越来越多高科技产品涌入市场，满足消费者的需求。