电动自行车拆装与维修实验教案
一、电动自行车拆装实习课时安排
8h
其中: 生产现场授课2 h，演示1.5 h，拆装实验4 h，实习报告0.5h。
二、电动自行车拆装实习的性质、目的和要求
1.1 实习的性质
电动自行车拆装实习是一门以实践及动手能力为主的技术基础课程，通过对电动自行车的分析与拆装训练，使学生初步了解电动自行车的工作原理、结构设计、制造工艺及装配工艺等，有利于机械、材料专业类学生将已学过的机械制图、公差配合、金属材料、机械设计、装配工艺等知识融会贯通、综合运用，建立起基本的工程背景知识，拓宽知识面。
1.2 实习的目的
1.2.1 通过生产现场部件装配全过程讲授，了解电动自行车的结构特点和工作原理。
1.2.2 通过生产现场装配流水线作业讲授，了解电动自行车装配全过程。
1.2.3 掌握工量具的正确选择和使用方法。
1.2.4 建立产品装配的基本概念。
1.2.5 培养按照装配图纸和技术要求进行产品的分解、装配、调试的基本能力。
1.3 实习的要求
1.3.1 能熟练的掌握和运用各种工具对产品进行分解与装配。
1.3.2 能严格按照装配图纸和技术要求对产品进行正确的分解、装配、调试与故障排除。
三、电动自行车拆装实习的主要内容
2.1 电动自行车在现代社会中的地位和作用
电动自行车是在普通自行车的基础上加一套电动机驱动机构组成的，亦即为安装了电动机、控制器、蓄电池、转把、刹车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。由蓄电池提供电能，电动机驱动自行车，即通过充电器将交流电转换成直流电，给蓄电池补充电能，电动机接通电源后，产生旋转磁场，使车轮旋转前进，在连接器上连接一个手柄（即调速转把），转动手柄可以控制控制器输送给电动机电压，通过变换电压来控制车速的快慢。在人力驱动时同操作普通自行车一样，电力驱动时是以蓄电池为能源，通过控制器控制电动机转速，从而驱动电动自行车行驶，集安全、舒适、便捷、无污染与一身，是人们出行、健身的理想工具。
2.2 电动自行车的主要技术性能指标
a、最高车速不超过20km/h；
b、自重不超过40kg；
c、必须具有良好的脚踏行驶能力，在30min内最少行程应不少于7km；
d、充一次电后的续行里程不少于25km；
e、以15～18km/h的车速匀速前进时，噪声不能大于62(A)；
f、以电驱动方式骑行100km，所消耗的电能不大于1.2kwh；
g、电动机额定输出功率不大于240w。
2.3 我国电动自行车的发展历史及发展方向
目前我国自行车用户约4.5亿，全国自行车保有量在6亿辆左右。我国是自行车大国，但是在电动自行车领域发展却很晚。一直以来，电动自行车在中国都是个有争议的行业，各地政府对其安全、二次污染、交通拥堵等问题的质疑一直困扰其发展。我国电动自行车的发展始于1998年，当年的产量还只有5.4万辆，20##年便突破30万辆，20##年突破150万辆，20##年突破400万辆，20##年突破670万辆，20##年突破1200万辆，20##年猛增至1950万辆，呈现出爆炸式成倍增长的大好局面。
但是，以电动自行车作为城市上班族的代步工具，尚存许多难以克服的缺点：如续驶里程短(般为30～40km)，需要频繁充电；电池使用寿命短（一般为1～2年），更换电池成本高；充电时间长(一般为6～8h),使用不方便；过载能力弱，加速易于熄火；报废的电池回收处理难，易于造成二次污染等。
因此，电动自行车今后的发展方向是开发使用长寿命的镍氢电池车、无需充电的高性能燃料电池、太阳能电池车以及智能化电动自行车等。
2.4. 电动自行车拆装实习的重点
2.4.1培养识图的基本能力，了解各部件的主要功能和作用
通过看电动自行车总装备图，培养识图的基本能力。要求了解电动自行车主要由如下7大部件组成（见图1），掌握各部件的主要功能和作用。
图1 电动自行车总体图
2.4.1.1 车体
车体与普通自行车的结构相同，按国标规定最高车速不超过20km/h。
2.4.1.2电动机
电动机是完成起步和加速等功能的关键部件，它将蓄电池的电能转换成机械能，使车轮转动。
2.4.1.3 蓄电池
蓄电池是电动自行车的“心脏”,是动力的来源、能源的载体，主要用于驱动电动机。目前应用的主要产品有小型密封式免维护铅酸蓄电池、镍镉电池和镍氢电池3种。
2.5.1.4 充电器
充电器是给蓄电池补充电能的装置，它一般为二阶段模式和三阶段模式2种。二阶段模式是先进的恒压充电。充电电流随电池电压的上升而逐渐减小，待电池电量补充到一定程度以后，蓄电池电压会上升到充电器的设定值，此时充电器转换为涓流（将大电流转换为小电流）充电。三阶段恒流充电，迅速给电池补充能量，等电池电压上升以后，再转换为恒压充电，此时电流能量缓慢补充，电池电压继续上升，达到充电器的充电终止电压值时，转为涓流充电，即浮充，这样可有效地保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。
2.4.1.5 控制器
控制器是电动自行车电气系统的核心，也是控制电动机转速及能量管理和各种控制信号处理的核心部件，具有欠电压、限流和过电流保护等功能。智能型控制器还具有多种骑行模式和整车电气部件自检功能。
2.4.1.6 转把、刹把
转把、刹把是控制器的信号输入部件，当电动自行车进行速度控制时，转把将控制器传来的信号送出来进行控制；当电动自行车制动时，刹把内部的电子电路输出一个电信号给控制器，控制器接收到这个信号后，就会切断对电动机的供电，从而实现制动断电功能；当电动自行车处于助力状态时，助力传感器将检测到的骑行脚蹬转矩或脚蹬速度信号送给控制器，由控制器根据信号的大小，分配给电动机不同的电驱动功率，从而达到人力与电力自动匹配，共同驱动电动自行车的车轮旋转。
2.4.1.7 灯具、仪表
仪表是显示蓄电池电压、骑行状态、整车速度、灯具状态及整车各电气部件等是否存在故障（智能型仪表具有）的设备；灯具是起照明作用并指示电动自行车状态的部件。
2.4.2 掌握和了解电动自行车主要性能指标的含义和主要部件的工作原理
2.4.2.1 续驶里程
续驶是指新电池充满电后，在额定负载重量配置及平坦的路面（无强风条件下）骑行，骑至电池电压小于10.5v/节后，所行驶过的骑行里程数。一般由蓄电池决定，24v/10Ah电池组一般行驶里程为25～30km，36v/10Ah电池组一般行驶里程为45～60km。但使用一段时间的电池其续驶里程都有可能下降，影响因素有：行驶速度过快、负载过重、路面不平及上下坡、制动、频繁起动、胎压、风向、风速、充电方式等均会影响实际续驶里程。
2.4.2.2 蓄电池的额定容量
蓄电池的额定容量是指在25℃时，以恒定电流放电20h至终止电压（1.75v/单格），该电流的20倍即为电池的额定容量。一般用Ah(安培·小时)来表示。例如10Ah/12v的电池是指以0.5A的电流恒定放电直至终止电压10.5v，可连续放电20h。
2.4.2.3 电动机种类及工作原理
a、电动机是电动自行车最重要的部件，决定其性能和档次。目前大都采用高效稀土永磁电动机，其中又分为高速有刷 + 齿轮减速电动机，性能最好，但价格最贵；低速有刷，较便宜，但性能较差；低速无刷电动机3种。
高档电动自行车一般选配高速电动机，转速一般为3000r/min；通过齿轮减速把转速降到200r/min，扭矩大、起步有劲，过载能力好，效率可达到80%以上，但结构复杂，拆装繁琐，略有噪声。
中低档电动自行车一般选配低速有刷和无刷电动机。其转速一般为200r/min，无齿轮减速和离合器，转矩小，起步、爬坡无力，爬坡时速度下降明显，骑行空转不灵活，效率为70%～75%。特点是结构简单、噪声低，维修简单。
低速无刷电动机，其转速一般为200r/min，无齿轮减速和离合器，转矩力小，不通过电刷换向机构换向，而是采用3项霍尔来实现换向，无磨损，效率在80%左右。
b、直流有刷电机的工作原理
直流有刷电机的工作原理是通过电刷将直流电转化为交流电。电刷固定在定子上不动，换向片随电枢一起转动，将外界直流电不断地中断和连接，并送入不同的绕组，使电动机绕组得到的不是方向不变的直流电，而是不断改变方向的类似交流电，从而使电动机工作。
c、直流无刷电机的工作原理
直流无刷电机的工作原理是通过电子线路将直流电转换为模拟交流电，而使电动机工作的。
图2是无刷电动自行车直流电压转换成模拟三相交流电压的原理图。当功率场效应晶体管VF3、VF4的栅极瞬间得到高电平时接通，而VF2、VF5、VF6、VF7截止，电枢绕组AB中有电流从A流向B（如图中箭头所示方向流动）；而VF2、VF5瞬间得到高电平接通时，VF3、VF4、VF6、VF7截止，电枢AB中的电流从B流向A；如此反复运行，短时间内，电枢绕组AB中便会出现交变电流。而功率场效应晶体管开关波形采用不等间隙脉冲宽度调制（PWM）方式时，电枢绕组AB便获得了模拟的正弦波形，与此同时，绕组AC及BC也将和绕组AB一样，同时产生交变电流及正弦波，从而使电动机获得了模拟三相交流电压。若改变功率场效应晶体管VF3、VF4和VF2、VF5的导通时间，电动机便会获得不同频率的电源，而电动机的速度也会随之改变。
图2 模拟三相交流电压产生原理图
d、开关磁阻电动机的工作原理
开关磁阻电动机是一种新型一体化调速电动机。关键部件是开关电路控制器，转子上没有集电环、绕组等转子导体和永久磁铁装置。定子和转子都是凸极结构，只有定子上安装有简单的集中励磁绕组。
其工作原理如图3所示，该电动机是按磁场扭曲产生磁阻的电磁转矩工作原理进行设计的，使磁通沿磁阻最小路径闭合。图中按A-B-C-D的顺序进行通电，可使转子逆时针连续转动。S1、S2接通，绕组A从电源吸收电能，而S1、S2关闭，绕组电流则通过续流二极管VD1、VD2，将剩余能量反馈到电源储存起来。由此，开关磁阻电动机具有机械能转化为电能的再生能力。
图3 开关磁阻电动机结构原理示意图
磁阻开关电动机转速可达到15000r/min。在较宽的转速范围和较宽的转矩范围的效率可达到85%～93%。其转矩-转速特性好，在较宽的转速范围内，转矩、转速可灵活地控制，调速控制较简单，但控制系统较复杂，工作噪声大。
2.4.2.4 调速转把的工作原理
调速转把是利用霍尔效应的原理制成霍尔组件作为传感器，而进行调速的。
霍尔效应是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。霍尔组件是由砷化铟(InAs)、锑化铟（InSb）、砷化镓（GaAs）等半导体基片构成的磁敏器件。其原理是当霍尔组件两端有电流（I）通过，并在垂直方向施加磁场（B），从而产生与电流和磁场相垂直的电位差（UH），即霍尔电压。
霍尔集成电路的输出电压大小和磁场强度呈线性关系。霍尔组件通常是粘接在调速转把里圈，固定在车把上，而与之对应的磁钢粘在转把可动部分，转动转把形成磁场，霍尔组件发出传感信号，通过控制器，以达到控制电动机转速的目的。
电动自行车供电电源一般为5v,通过旋转转把，改变磁场强度，其输出信号在1.0-4.2v之间连续地发生性变化。
2.4.2.5 电动自行车调速的工作原理
电动自行车是通过控制流过电动机电流的大小来控制转速的。由于电动机的转速与流过电动机的电流有关，电流越大，磁场就越强，定子磁极与转子磁极之间的吸引力就越大，转速也越高，因此，控制电流即可控制电动机的转速。调整电路包括电源电路、脉宽调制电路、电动机驱动电路和电动机过电流等保护电路。
图4 电动自行车调速电路原理图
图4为电动自行车调速电路原理图。图中TL494集成电路为调速核心模块，其1、2脚为信号输入端子，H为调速转把（霍尔传感器，3脚接地，1脚为电源引脚，2脚为信号输出端子）。当转动转把时，H的2脚可输出可变电压，并送到TL494的2脚，TL494将2脚电压与1脚电压进行比较，在其8脚输出调制脉冲，2脚电压越高，8脚调制脉冲就越宽，通过V1、V2放大后，控制电动机的转速就越高。反之，则越低，从而达到调速的目的。
2.5.3 掌握结构装配的先后顺序、合理的装配工艺以及调试方法
2.5.3.1前轮、后轮和控制器的装配步骤
首先，仔细阅读装配工艺流程卡，然后认真观看指导老师示范，最后按照装配工艺流程规定的步骤动手装配。装配完毕后，接通电源电路，缓慢旋转调速转把，若后轮旋转轻快，加速性能好，说明装配步骤正确，便可进行下一步的拆卸步骤。
2.5.3.2前轮、后轮和控制器的拆卸步骤
首先，仔细阅读拆卸工艺流程卡，然后认真观看指导老师示范，最后按照拆卸工艺流程规定的步骤动手拆卸。拆卸完毕后，按照拆卸工艺流程卡规定的先后顺序，将拆卸下来的零部件摆放整齐。
图5 控制器接线图
2.6. 电动自行车拆装实习的难点
2.6.1 零件间的相互配合及空间关系
根据总装配图，了解各部件的安装位置和相互配合关系。
2.6.2 控制器的接线
图5是控制器的接线图。图中共有3个插接器和3根单线插头。在拆卸3个插接器时，首先必须压下连接器中部的卡子，然后才能顺利拔出插接头。装配时，只需直接插入即可。
在连接3根黄、绿、蓝单线插头时，务必要注意，颜色相对，亦即只能黄线与黄线相连，绿线与绿线相连，蓝线与蓝线相连。这是因为此3根单线插头为电机相线，一旦接错，将导致电动机不工作。
2.6.3 鞍座及车把高度的调节（见图6）
图6 鞍座及车把高度调节示意图
鞍座的高度以所骑人单脚能够着地为适宜；车把的高度以所骑人小臂平放、肩部和手臂放松为适宜。
如需调整车把的高度,先将车把芯吊紧螺钉松开,将车把调整到所需高度,并将车把横管调整成90°，但把立管的插入深度不得低于最小深度线（安全线），以确保安全。车把调整完毕后，锁紧车把吊紧螺钉，车把芯吊紧螺钉的锁紧力矩不得小于18N·m。
如需调整鞍座高度，首先旋松鞍管夹紧螺钉，根据需要调整鞍管高度位置，注意不能超出鞍管的安全线位置，然后旋紧鞍座夹紧螺钉和鞍管夹紧螺钉，推荐夹紧力矩不小于18N·m。
2.6.4 悬臂闸的调整（见图7）
当悬臂闸与前轮轮辋接触不良时，应对悬臂闸进行调整，其调整方法是：
a)、旋松制动皮紧固螺母，使两个制动皮能同时紧贴车圈，并与车圈边对正，拧紧制动皮紧固螺母即可。
b)、旋松吊线紧固螺母，使两个制动皮与车圈间隙保持1.5～3mm，拉直吊线,使吊线呈90°，并拧紧吊线紧固螺母。
c)、操作刹把时，制动皮应平稳可靠地紧贴在车圈左右上，应调整一下刹臂位置，使制动皮相对车圈左右对称，制动时均衡受力。
图7 悬臂闸的调整示意图
图8 制动把手行程的调节示意图
2.6.4 制动把手行程调节（见图8）
刹把的松紧度适当，当制动把手的行程达到如图所示的χ/2时，应完全制动。
2.6.5 常见故障与排除方法
四、电动自行车拆装实习安全操作技术和注意事项
1、拆装实验前必须仔细阅读前轮、后轮及控制器装配、拆卸工艺流程卡。
2、必须严格按照前轮、后轮及控制器装拆工艺流程卡要求的步骤、顺序和方向进行操作，不得少装、漏装和错装。
3、严禁野蛮装配，避免零部件损坏。装配完后，必须接通电源，缓慢旋转调速转把,检查电动机是否运转灵活，加速有力,经实习教师认定合格后，才算完成装配任务，否则按不合格处理。
4、对于试运转后，认定为装配不合格者，必须要在实习教师指导下找出故障原因，解决方法后，重新装配，直至合格为止。
5、装拆过程中，严禁野蛮拆卸和装配，导致零部件划伤、变形或损坏者，要视情况扣分。
6、按清单逐项检查拆卸下来的零部件，并整齐地摆放在规定的地方。打扫卫生，清理场地，凳子摆放整齐。
五、评分标准
1、不按规定进行实习者，一律以旷课论处，实习时间少于2/3不记成绩。总成绩按百分制计算。
2、独立操作能力占总成绩的20%：其中强10分，弱6分，差3分。
3、拆装作业质量占总成绩的30%：正确80分，基本正确60分，不正确40分，凡是漏装、少装或者错装1个零件，视情况适当扣分。
4、实习态度：占总成绩成绩的10%，实际评定时按百分制进行，考核项目如下：实习纪律40分；安全实习30分；文明实习30分。
5、实习报告占总成绩的40%。
六、思考题
1、电动自行车主要由几大部分组成？
2、充电器是给蓄电池补充电能的装置，目前主要有几种充电模式？并请简述其充电过程。
3、电动自行车“续驶里程”的含义是什么？
4、电动自行车的主要技术性能指标有哪些？
5、目前电动自行车使用的电动机种类主要有哪3类？
6、蓄电池的“额定容量”的含义是什么？
7、直流有刷电机的工作原理？
8、直流无刷电机的工作原理?
9、开关磁阻电动机的工作原理?
10、调速转把的工作原理?
11、电动自行车调速的工作原理?