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1、电动自行车前轮驱动研究技市与开发K,自行车前轮驱动研究口崔万安摘要:从的分配,越障能力,整车配重等方面分析了电动自行车前轮驱动的优点 ,并且答了前轮驱动带来的前义强度,前后轮胎麝损,敞障判断维修,线路布设等题.同时分析了电功白行车变速比例的合砰确定,认为骑电动 A 行车_根据路况和骑行人的身体特点确定合理的变速比例.关键词:电动自行车;轮驱动;轮毅电机前轮驱动和后轮驱动指轮毂电机分别安装在自行车的前轮和后轮上,不包括中轴通过 2 个链轮驱动后轮.1 前轮驱动的优点(1)对电动自行车来说,前轮驱动拉优于推.马车,火车,拖斗车辆等都采取拉的方式,若采用推的方式,可想而知容易发生意外,尤其遇到沟沟坎
2、坎,不是通不过就是翻车.但改成拉的方式,同样环境下,意外事故的可能性就降低了.有人说燃油汽车是后轮驱动,那是由前轮转向结构决定的,前轮要转弯,还耍驱动,在结构上不仅复杂,而且技术难度高,故障率高,成本高.对一般中小型车来讲不能证明后轮驱动优于前轮驱动,只有对载重车,后轮驱动比前轮能获得较大的对地摩擦力.但是,电动车轮毂电机与汽车的轴和齿轮传动不同,它可以直接安装在前轮轮毂上,直接驱动车轮转动,不需要机械传动机构,只需一条传导电缆,不存在与转向机构发现结构上的矛盾,所以连电动汽车都实现了前驱.电动自行车的轮毂电机和短链传动的外挂柱式电机,都可以安装在前轮,既不影响转向机构,也不影响前轮自由转向.
3、(2)从工程结构上讲,前轮驱动力的分配合理.金属杆件拉,压受力状况绝然不同,受拉,只涉及强度问题,不存在结构稳定性问题,机械和建筑结构中的拉杆节省材料,稳定安全;而压杆除承受压力外,压力合力作用点必须绝对在杆件断面理论中心,稍有偏离即会出现偏心受压进而发生弯曲,变形并破坏.为了稳定,断面系数和转动惯量都应达到要求,这两项要求使结构断面积大大提高,增加了材料消耗,结构变得笨重,成本和耗能都变大.有力地证明拉优于压(推),而后轮驱动则车的整体结构都处于受压状态.(3)电动自行车最好采用双轮驱动.前轮电力驱动,后轮人力驱动,达到前后双轮驱动的目的,后轮安装变速飞轮,在不同条件路面采用不同变速比例.为
4、什么要采用变速? 电动自行车在额定速度时 ,电机转数为 200r/min,现在的链轮和飞轮的传动比例太小,只有 1:2 左右,耍人力脚踏使后轮转数达到此转速,意味着人脚踏速度应当达到 1O0r/miFI,这对驾车人来讲是困难的,这种传动比例仅仅适合于上坡,或市内拥挤路段车速比较缓慢的状态.即使是年轻力壮的想在郊外以此变速比给电机助力,也必然满头大汗,不能持久,不能最后达到节省体力和省电的目的.目前的脚踏链轮只能叫做装点门面, 几乎没有助力能力.有的连装点门面 都取消了,干脆没有脚踏链轮,成为微型电动摩托车,只能在城市销 I 剌2006.01鱼鱼苎童主区内小半径活动.所以,变速非常必要,以做到不
5、同路面条件换用不同的变速比,人力脚踏的速度以每分钟 3545 次最为惬意,不同轮径不同运行速度下,变速比范围以l:4l:2.5 比较合适,用适当的变速比助力能做到省力,省电和得到最大续驶能力.电机安装在前轮,才能为后轮实现变速提供条件,而轮毂电机后轮驱动再加变速机构,则会变得非常臃肿,故障集中,使未来的修理维护变得相对麻烦.(4)前轮驱动越障能力强.在不平路段,石子路面,坑凹路,泥泞路段以及雪后的冰雪路面运行,用前轮驱动能做到相对平稳顺利.上述条件下后单轮驱动则行走困难或容易滑倒.高性能的四轮越野车都采用前后双轮驱动,在车轮被陷情况下,容易自救走出困境,说明双轮驱动的优越性能.前驱的最大优点是
6、容易越过障碍物,由于前轮自身具有转动力,驱动力和爬行能力,在骑行时前轮能爬上不太大的台阶,人在推车行走时,能借电力驱动爬上 1215cm 高的台阶,跨阶过坎十分方便.前轮驱动不会对前叉产生冲击力,保证车身和人身安全,同时能拉动后轮顺利越障.后轮驱动则做不到,且前方突然出现障碍时,不仅不能顺利通过,还容易使前叉受到中击,造成安全隐患.(5)电动自行车采用前轮驱动便于电动自行车合理配重.电动自行车电源多采用中置或后置方式,造成后轮负载过大,由于车架构造和轴距不同,后轮分配的电池重量比例不同,一般不少于 50%,驾车者体重的60%分配到后轮,再加电机重量,这样后轮载重比例占到 62%,前轮只有 38
7、%,然而前后车轮的载重能力是一样的,只是前叉结构问题,使之不能过分负重.采用前轮驱动,重量为 56kg 的电机由前轮负担,并不是由前叉负担,则在额定状态下,前轮载重分配大约达到 40%,后轮重量比例为 60%,前后车轮负担趋于合理.实践证明,已实施前轮驱动的电动第 l 期 2006.01自行车,前叉强度没有发生过问题.2 几点问题(1)前叉强度问题.有人担心前叉的强度,前轮驱动不是给前叉增加负担了吗?对这个问题可从以下几方面看:电机装在前轮上,前叉并没有增加负担,重量只作用在车轮上;后轮驱动对前又有推动中击,前轮驱动对前又有牵引冲击:在长时间平直路面行驶时,后驱只使前又处于均匀低负荷状态,前驱
8、则使前叉均匀负荷稍大;不平路面行驶,后驱对前叉推动冲击力较大;相同情况下,前驱对前叉的牵弓 I 负荷不会大于后驱,因为凡遇到这种情况,骑行者会自动实施脚踏助力.但是,前叉的强度仍然应当通过计算,试验和检测,最后确定其强度,并加入安全系数.以 20km/h行驶的电动自行车前叉应力总不会超过时速上百千米,自身重量和载重都达到 1O0kg 的摩托车的前叉应力,即使是电动摩托车,将来的速度也不会小于 60km/h,由此可以看出前叉的潜力,并非想象的那样容易发生问题.(2)前后轮胎磨损接近一致.自行车载重主要集中在后轮上,又是后轮驱动,后轮胎磨损比前轮快,若变成前轮驱动,则后轮磨损减轻,前轮加快,二者磨
9、损趋近同等.(3)容易判断故障,维修方便.轮毂电机安装在后轮,飞轮,链条和抱闸也安装在后轮,其中之一发生故障,尤其是电机故障,确诊和修理都比较麻烦,要拆电机,就得拆卸链条和抱闸.修理人员经常反映,抱闸异常声音常被误认为是电机有问题(尤其是有刷电机), 增加了排除故障的时间和难度;车轮转动不畅,误认为电机内部有摩擦,不容易立即判断,经反复调试闸带松紧,才能最后确认故障所在.如果电机在前轮,情况就不同了,电机与飞轮,抱闸无关,异常声源不致混淆.另外前轮很容易卸掉,容易修理和排除故障.线路出现故障,前轮容易查找.(4)转弯容易侧滑.经矢量图法计算,在所有条件完全相同的情况下,轴矩为轮径的 2.5 倍
10、,电池装载在车架中间底部,前后轮负重比例分别为 1/3,2/3,这时以 30.角转弯,单独后驱时的侧滑力大约为 2N,单独前驱时的侧滑力大约为 4N,在转弯发生侧滑的危险性比例,前驱比后驱大 1 倍,实际是 2N,但是前驱又可辅以脚踏对后轮驱动,其侧滑力便会减小,但这仅仅是运行操作的一个方面.从另一方面看,行进在冰雪泥滑路面,双驱更能保证运行平稳,当前轮驱动遇到困难,脚踏后轮助力驱动;后轮遇到困难,前轮电力驱动,将车拖出困境,使车体运行姿态稳定,在这些方面,往往比因侧滑力变大造成的缺陷更重要.从有经验的驾驶者对燃油车力的分析看,后驱有很强的转向力分解倾向,容易造成转向过度.前轮驱动则对方向转动
11、反应较慢,后驱的载重车会感到强烈的左右摆动,四轮驱动没有这种现象.另一方面,这又是一个概念和技术问题,四个轮的汽车可以说很稳定,又大多是后驱,但由于转弯减速不当而翻车屡见不鲜;有经验的骑行者,根据路面条件和情况,适时减速不会发生因侧滑而摔倒.干路面某速度下能通过的,有水或冰雪时改变了路面的摩擦系数,直行都必须减速,转弯却不减速,那只能是技术和经验问题.(5)线路布设.前驱和后驱都存在走线问题,霍尔里程速度表大多安装在前轮上,没有发现传输线路出过问题,包扎,固定和穿管是最有效的方法,只要处理得体,线的走向,固定,保护以及磨损不是问题.3 变速比例的合理确定轮径越小,相同的车速下,单位时问内转数越
12、多,所以也可推测出,相同速度相同变速比下,小轮径的脚踏次数也越多,因此对于小轮径的车辆,只能技市与开发l;KAl将变速比适当加大.电动自行车是一种高档大众交通工具,没有变速功能就不能充分发挥其优点和潜能,也不能充分体现其机动性和完美性.郊外车少路宽,没有红绿灯,长时间以一种速度运行,保持快速而节省时间是必要的.市内则必须频繁地停车和起动,车速不能固定,应当用低运行速度和低变速比才是省力,平稳而安全的.电动自行车变速机构不应过于复杂,过多变速不仅增加成本.电动自行车只要大小链轮各两级,组成四种变速比例:慢速:单独脚踏上坡使用,变速比1:2;常速:变速比 1:2.5,单独脚踏或上坡时为电机助力:快
13、速:变速比为 1:3,适合于市区内或郊外个别路段平路助力,车速大约在 15km/h 左右 i快速:变速比 l:4,适合于郊外车辆稀少,路面平直宽,脚踏助力达到或稍稍超过额定速度.在市区内平直路面,最高车速不超过 15km/h,用低变速比每分钟脚踏 3550 次.在市郊平,直,宽路面,额定速度 20km/h 下,以高变速低于 30 次不能很好地脚踏助力;每分钟超过 50 次不能持久,尤其是女士,对老年人还容易发生心脑突发事件;每分钟在 6070 次之间,只在特殊需要时维持较短时间;每分钟脚踏 70 次以上,则大大降低骑行者的感知能力和对突发事件的应付能力,俗话说叫手忙脚乱,容易发生意外.4 效果与电机运行速度相应的脚踏变速比例,大约每提高一级变速比,电机运动消耗的电流可比原值降低10%左右 .以 1:2.251:2 变速比助力比不助力电流少 10%.当以 1:4 变速比例助力,在额定速度下,比不助力减少电流消耗总量 2O%以上.在平坦道路上电动匀速直行,36V12Ah 电池和 180W 电机,一般电流不超过 4A,降低 20%意味着实际电流只有 4 一(40.2)=3.2A,相同条件下,同样的 12Ah 电池续驶里程可多 15km 以上.第 1 期2006.01
