电动自行车物理特性分析及电源系统改进

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1、电动自行车物理特性分析及电源系统改进(陇东学院电气工程学院甘肃庆阳745000)李宝宝李相富一电动自行车的发展电动自行车，是以蓄电池作为辅助能源在普通自行车的基础之上，安装电机、控制器、蓄电池、转把、闸把等操纵部件和显示仪表系统的机电一体化的个人交通工具。电动自行车自上世纪80年代后期至1993年为研发期，1994年至1997年为产业化开发期，1998年至2001年为市场导入期，2002年起进入产业化阶段。我国电动自行车打的研发和世界同步，并且具有独立自主知识产权，轮毂式电机的驱动方式具有鲜明的中国特色；欧美主要是摩带式，以美国的ZAD为代表；日本主要

2、以中置传动为主，其代表是雅马哈。我国电动自行车的发展以法律为保障，1999年颁布实施了中国第一个关于电动自行车的国家标准，GB·17761—1999。这对电动自行车在我国发展是一个里程碑式的重大贡献，相继出现了永久、凤凰、绿源等自主研发的品牌电动自行车。目前电动自行车已是城市交通工具的一个重要组成部分。节约能源、便利、驱动简单、噪声小、价格较低，日益成为人们信赖的交通工具。二电动自行车分类电动自行车按驱动方式可分为以下几类1中轴链轮传动性中轴链轮传动性的电机安装在电动自行车的中轴上，具有造型美观、重心低、稳定性好等优点。但机械结构复杂，电动机设置在中轴

3、位置，需要伞型齿轮改变传动方向，则会降低机械传动效率，因此效率不太高且造价偏高。2摩带式驱动摩带式电动自行车起源于美国、日本，我国台湾、成都、天津等厂家也有生产。由于摩带部件的制造成本低，因此这种电动自行车的部件制造成本在1000元左右，价格便宜。但该种车型一直存在摩带头和轮胎容易损坏，泥沙和杂物容易造成打滑，机械传动效率不高的弱点。3轮毂式驱动轮毂式驱动的电动自行车属于轴驱动类型。该驱动方式的车型具有造型精巧，不但能保存电动自行车的传统结构，而且驱动效率高，无电骑行性较好。轮毂式驱动方式可分为高速和低速两大类。高速电动机轮毂是一种电动机带齿轮减速器构

4、成的电动轮毂。这种轮毂重量轻，通过齿轮减速增力，力矩大，爬坡性能好。但由于该轮毂属于小模数齿轮，难以实现稀油润滑，磨损较快，使用寿命也较短，且噪声较大。低速电动机轮毂是一种没有齿轮减速的通轴结构轮毂。该电动机通过合理设计，使其转速、功率、扭矩成为直接供电动自行车使用的数值。同时无齿轮减速，因此噪声较低、制作和装配比较简单、使用寿命长，是电动自行车较理想的传动部件。我国电动自行车主要是以轮毂式驱动类型为主。下面以轮毂式电动自行车为例讨论电动自行车的物理特性。三电动自行车结构组成1电动自行车基本结构组成图3—1电动自行车结构图2电动自行车驱动原理轮毂式电动

5、自行车采用电力驱动，其原理结构并不复杂，电动机安装在车轮的轮毂里，轮毂由辐条与车圈连接，直接带动车轮转动（见图3—2）。蓄电池经过一个控制器给电机送电，电机旋转带动车轮转动。电动自行车的控制器连接在调试手柄（转把），转动调速手柄可以让控制器检测到不同的电压值，控制器根据电压值大小，模拟调节输送给电机电压的高低，从而控制了电机的转速。其中蓄电池为动力源，是电动自行车的“心脏’。电动机为动力，它将蓄电池的化学电能转化为机械能，从而产生动力。控制器是核心部件实现对整车电动系统的控制，并且具有欠电压、过载、制动断电等保护功能。图3—2电动自行车原理图四电动自行

6、车物理特性1力学特性1.1.1电动自行车的稳定性回转效应使电动自行车保持稳定在力学中，将旋转对称重刚体称回转仪。当高速旋转的回转仪受到外力矩时，其自转轴就会绕另一轴缓慢地转动，转动的方向总是使自转轴有向外力矩靠拢的趋势，这种转动称为进动。回转仪受外力矩作用产生进动的效应，就叫回转效应。回转效应的典型例子是陀螺不倒现象。图4—1—1陀螺效应图图4-1-1中的陀螺受到重力的作用，一方面绕自转轴OZ转动，另一方面自转轴又绕OP轴缓慢的进动，陀螺并不倒下。电动自行车在行驶过程中，前轮可视为回转仪。根据右手螺旋法则，前轮角速度的方向指向车手的左方。如果车身稍向左

7、倾斜，按照右手螺旋法则，重力的力矩指向车后。由于前轮的回转效应，车身并不倒下，只是前轮进动。进动的方向应是车轮角速度的指向，靠绕重力矩的指向即前轮向左转。前轮既然向左转，电动自行车就向左转弯，随之出现向右的惯性力，对倾斜予以校正，使车身恢复竖直。同理，如果车身稍向右倾斜，则前轮向右转，电动自行车右转弯行驶，出现向左的惯性离心力，车身的右倾得以校正，从而保证了电动自行车在行驶过程中的平稳。定性分析电动自行车稳定原理图4-1-2图4-1-3设车轮沿一直线作纯滚动，xoy为主平面，人与车组成系统总重量为质心P点，其中=1,O为车轮中心，车轮半径为r,车轮角速

8、度为。当系统偏离主平面时车轮受到外力矩作用，设偏离距离为d,则=Gd(1)方向沿x轴。由质点相