智能變速代步車設計

易 植，楊 智，王子龍

（1.湖南文理學院芙蓉學院，湖南 常德 415000；2.湖南文理學院 計算機與電氣工程學院，湖南 常德 415000；3.東北林業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引 言

資料顯示，我國1999年后期步入老年化社會，且每年的老齡化增長率大于全國人口增長速度[1]，因此智能代步車行業勢必是這個社會必須的代步工具。智能變速代步車利用巧妙的機械結構設計實現雙足駕駛車輛以及車輛可以無限級變速的功能，并且增加了變速的舒適性。智能變速代步車應用范圍廣，實用性大，可以應用于老年人代步、無臂殘疾人代步以及旅游觀光等方面。智能變速代步車擁有較大的市場潛力，通過對其不斷地改進，智能代步車的設計將會越來越成熟，不僅大大提高了適用性，而且應用范圍不斷擴大。

1 市場預測

對于目前的中國國情，文章對殘疾人和老年人在代步工具方面做了市場研究和分析。目前，根據中國殘聯的統計，中國各類殘疾人總數達8 500萬，約占中國總人口的6.21%。從2015到2035年，中國將進入急速老齡化階段，老年人口將從2.12億增加到4.18億，占比29%[2]。由以上兩項調查發現，中國的殘疾人和老年人存在著巨大的產業市場，而代步車行業就是其中一項。

1.1 同類產品分析

設計的代步車目前市場上尚未出現同類型產品，且足控的理念在代步車設計中比較少見，常見的是手腳同時操控或是通過雙手操作，對于一些有特殊需求的駕駛者使用極其不便，因此本文的產品具有較強的市場競爭力。可以將主流的殘疾人代步工具分為以下幾個類型：全手控類殘疾人代步工具、手腳并用類殘疾人代步工具和人工智能操作類。生活中常見的殘疾人輪椅的工作原理，即通過殘疾人用雙手滑動雙輪行進，并且根據左右手滑動的快慢順應改變運行的方向，實現轉向功能，且駕駛者需要用雙手與輪圈之間的摩擦阻力實現減速制動功能。此外，還有搖桿式手控車手腳并用類殘疾人代步工具等類型。昂貴的人工智能較超前的殘疾人代步工具，利用高科技打造殘疾人代步工具，性能超高，但在高科技尚未普及的今天，使用這種殘疾人代步工具的代價巨大，并不是一般家庭能承受的負擔。

對于以上幾例全手控類殘疾人代步工具的分析可以看出，此類殘疾人代步工具僅僅是針對雙手可以正常使用的殘障人士，而對于雙手殘疾的殘障人士很難駕駛。本文設計的一種后輪驅動全足控N檔變速電動三輪車解決了這個難題，實現了用雙腳駕駛代步工具，可實現正常行駛、轉向、剎車以及變速等功能。此外，對于大多數人來說，手臂的力量遠不及雙腿的力量，尤其是在上坡、制動甚至是比賽時需要瞬間較大的力量。雙腳提供的能量可以較輕松地完成這些任務，相比于普通的全手控類殘疾人代步工具，提出的后輪驅動全足控N檔變速電動三輪車采用全足控理念，可以使駕駛者、運動員選手使用更加方便有效。

2 設計方案

2.1 技術背景及優勢

智能變速代步車是將超級變速齒輪和后輪驅動全足控三輪電動車融合在一起，既有超級變速齒輪的N檔無限級變速的優點，又有后輪驅動全足控三輪電動車的全足控的優點，大大提升了本設計的實用性。

本設計改變了原有后輪驅動全足控三輪電動車的變速不穩定的問題。后輪驅動全足控三輪電動車是通過速控踏板來控制車速，由于速控踏板只有兩個高低阻值的電阻，使得電流在速控踏板選擇不同檔速時差值較大，因此使得車輛在變速時會使得速度發聲突然地變化，對于駕駛者來說是一種危險因素。因此，加裝超級變速齒輪，利用超級變速齒輪變速平和的優勢，可以給駕駛者帶來舒適性變速的體驗。此外，利用超級變速齒輪還有另外的優勢。在電機轉速保持一定的情況下，利用超級變速齒輪的N檔變速特點，可以提高超級變速齒輪的檔速，從而獲得更高的駕駛速度。

2.2 設計原理

2.2.1 超級變速齒輪

日常的變速自行車通常采用2個變速齒輪，常見的檔速有21速、24速等。就目前的情況看，不可能將擋速無限制提高。檔速越高，單個變速齒輪需要的不同大小齒輪越多，會增加齒輪總體厚度，造成車體重心不穩而使自行車難以控制。因此，設計這款超級變速齒輪可以解決這個問題，使變速自行車的檔速提高到N檔。本設計利用鋼絲繩、支桿、鉤型輪齒以及旋轉式分解輪框來實現變速，從而實現從原來有限的檔速變化到如今的N檔速變化。此超級變速系統可以更加方便地使自行車騎行人根據不同的地形選擇適合自己的檔速。

為解決上述技術問題，本設計提供一種可以有N檔變速的超級變速系統。采用單片變速齒輪，在工作狀態時通過變速檔控制鋼絲繩，從而將齒輪分成8個相同的部分。通過變速檔拉動鋼絲繩，則鋼絲繩會牽動每個部分中的支桿使旋轉式分解輪框裂開，分成8個相同的部分。支桿在鋼絲繩得作用下做機械運動，從而使旋轉式分解輪框分開的邊擴大，以擴大齒輪的周長。此時，與鏈條相嚙合的輪齒個數減少。但是，由于輪齒特殊的鉤型設計，使得輪齒能緊緊嚙合鏈條，從而達到變速的目的。松開鋼絲繩后，在回位彈簧的拉力作用下，各個部分回歸原位，超級變速齒輪恢復原樣。

本設計利用鋼絲繩、支桿、鉤型輪齒以及旋轉式分解輪框實現變速的作用。由于旋轉式分解輪框變速時在鋼絲繩的牽引下會擴大自己的半徑，相當于使一個更大半徑的主動齒輪帶動從動齒輪運動，從而實現提高檔速的目的。由于旋轉式分解輪框在鋼絲繩牽引下擴大自己的半徑是一個平滑且連續的過程，因此超級變速齒輪的設計使得變速從原來有限的檔速變化到了如今的N檔速變化。此超級變速系統可以更加方便地使自行車騎行人根據不同的地形選擇適合自己的檔速。

圖1、圖2和圖3為具體實施方式的結構示意圖，其中圖1為復位狀態，圖2為工作狀態，圖3為超級變速系統示意圖。

圖1 超級變速齒輪復位狀態

圖2 超級變速齒輪工作狀態

2.2.2 后輪驅動全足控三輪電動車

設計的目的是提供一種后輪驅動全足控三輪電動車，實現后輪驅動、踏板控制轉向、速度和剎車。同時，改進整車結構，使得重量分配更加合理。

后輪驅動全足控三輪電動車包括車架、后輪、座椅、后橋、推力桿、電池組、驅動電機、腳控臺、前叉和前輪。車架上裝有座椅和電池組，車架通過推力桿與后橋連接，后橋兩端對稱裝有后輪，車架前端裝有前叉，前叉下端裝有前輪，特征在于后橋上裝有驅動電機，并通過后橋驅動后輪以推動整車前進。車架前端設有腳控臺，腳控臺上裝有轉向踏板、制動踏板、速控踏板和電源開關。

轉向踏板上裝有主動齒輪，前叉上裝有從動齒輪，主動齒輪與從動齒輪咬合連接。車架上裝有電子駐車制動器，后橋上裝有制動鼓，電源開關通過導線分別與電子駐車制動器和電池組連接，電子駐車制動器通過控制線與制動鼓連接，制動踏板通過制動拉線與制動鼓連接[3]。速控踏板通過線束分別與電池組和驅動電機連接。此設計結構設計合理，操作靈活簡單易行，具有駐車制定功能，使用安全可靠。

圖3 超級變速系統示意圖

2.3 具體實行方式

在原有的后輪驅動全足控三輪電動車的基礎上，改進原有的速控踏板，把超級變速齒輪安裝在電機的轉軸上作為主動齒輪，將后輪上的齒輪作為從動齒輪，主動齒輪由電機帶動旋轉，從而帶動從動齒輪轉動。超級變速齒輪的總變速鋼絲線接在三輪車上的前叉上，連接在變速踏板上[4]。

2.4 工作流程

智能變速代步車運行流程，如圖4所示。車輛行駛時，通過左腳打開電源開關。電源開關通過電子駐車制動器控制制動鼓解除駐車制動狀態，同時電池組對驅動電機輸出電流，使得電機轉動。超級變速齒輪固定在電機的轉子上，電機帶動超級變速齒輪轉動，然后由左腳踩踏轉向踏板，轉向踏板通過帶動主動齒輪和從動齒輪，實現前輪的左右轉向。右腳踩踏速控踏板，速控踏板內含有超級變速齒輪的變速總鋼線，當速控踏板加速（減速）方向旋轉時，速控踏板拉緊（放松）鋼絲繩，從而使得超級變速齒輪變大（小）。在電機穩定的轉速下，后輪軸上裝載的從動齒輪轉速增加（減小），從而使得后輪的轉速增加（減小），而后輪作為主動輪帶動整車加速（減速），使得車輛實現了N檔變速功能，且過程平穩，增加了變速的舒適性。

圖4 智能變速代步車運行流程圖

車輛行駛過程中遇到緊急情況需要減速或停車時，右腳松開速控踏板，踩踏制動踏板，制動踏板通過制動拉線拉動安裝在后橋上制動鼓實現減速制動。車輛停止后，右腳關閉電源開關，電源開關通過電子駐車器控制制動鼓處于駐車制動狀態[5]。

3 結 論

智能代步車產品的設計專業性相對較高，真正適合用戶需求受消費者歡迎的產品又需要專業技術與用戶體驗的實際相結合。因此，好的代步車產品一定是擁有較高技術含量的產品。目前，我國產品創造的水準越來越高，更多有創新性的產品層出不窮，技術方面完全可以滿足產品自身的需求。此外，通過專業技術人員的不斷研發，將會有越來越多高科技產品涌入市場，滿足消費者的需求。