曾清德,田飛,孔德就（廣西科技大學(xué),廣西柳州545006）

環(huán)保無動力汽車設(shè)計與制作項目研究

曾清德,田飛,孔德就
（廣西科技大學(xué),廣西柳州545006）

摘要：引進環(huán)保無動力汽車設(shè)計理念，通過對材料選擇及強度的受力校核，車體結(jié)構(gòu)采用中梁式車架，驅(qū)動方式為腳踏驅(qū)動，照明及附屬系統(tǒng)運用太陽能供電，順應(yīng)綠色環(huán)保健康的技術(shù)方向。

關(guān)鍵詞：環(huán)保無動力汽車；材料強度校核；中梁式車架；太陽能供電

1項目的意義

環(huán)保無動力汽車項目是指車身利用環(huán)保材料，車架利用金屬物品電焊鉚接而成的無動力汽車。近年來汽車工業(yè)隨著機械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷進步。汽車已經(jīng)是機械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。傳統(tǒng)汽車雖然加快了人類的生活節(jié)奏，但也引發(fā)的環(huán)境污染問題，保護好人類生存的環(huán)境已經(jīng)受到全世界的關(guān)注。

汽車的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多。目前汽車仍然是以活塞式內(nèi)燃機為動力的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由此燃燒排放的尾氣避免不了對環(huán)境的影響，現(xiàn)計劃設(shè)計制造出一輛由太陽能板提供汽車用電，腳踏驅(qū)動的環(huán)保無動力汽車，通過科研創(chuàng)新，把汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料選擇與綠色環(huán)保健康的三者融為一體。

本課題研究是設(shè)計制造一輛環(huán)保無動力小車。利用無動力汽車的設(shè)計理念，通過材料選擇、結(jié)構(gòu)強度受力分析定設(shè)計方案，試制出樣車。??本設(shè)計的環(huán)保無動力汽車是可以實際操作行駛的，其特點是：體積小，占用空間少；安全可靠；節(jié)能環(huán)保，零污染；結(jié)構(gòu)簡單，便于理解操作；適用人群廣，也用于娛樂及教學(xué)實訓(xùn)。

2項目論證及設(shè)計方案

本項目對無動力汽車的轉(zhuǎn)向、制動、車架、車輪和照明裝置的設(shè)計原理、設(shè)計方案、制作工藝以及對小車行駛使用的說明：

（1）為了達到相對布置合理，整齊美觀，操作及檢測維修方便，工作穩(wěn)定的目的，我們根據(jù)設(shè)計車型的初衷，同時參考許多無動力車、汽車的結(jié)構(gòu)等，最終選擇人力機械制動、腳踏驅(qū)動、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)提供照明系統(tǒng)及輔助用電。

（2）車架設(shè)計所選擇的材料是Q235鋼管，質(zhì)量輕，有彈性，車架底座離地面的距離能達到15cm，便于汽車的行駛通過。底座長寬的尺寸根據(jù)轉(zhuǎn)向系機構(gòu)的長度所占位置決定的，方向盤在上端，傳動軸在中間位置。具體尺寸為：底座長度900mm，寬710m。

（3）車架強度校核：轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)動的總質(zhì)量約為90kg，F(xiàn)1=90kg×9.8n/kg=882N，F(xiàn)2=60kg×9.8n/kg=588N，其中F1是轉(zhuǎn)向系自身的作用力，F(xiàn)2是實訓(xùn)人員操作時所給轉(zhuǎn)向系的作用力。

1）定位機構(gòu)鋼板的應(yīng)力分析:

應(yīng)力公式:σ=FN/A

因為定位機構(gòu)主要是由定位機構(gòu)的角鋼受力,所以FN=588+882=1470N,鋼板橫截面的長a=4.5mmb=4.5mm,所以面積A=20.25×10-6m2由此計算得：σ=43.46×106Pa，根據(jù)查表，可得Q235鋼的屈服點σs=240MPa，因σ＜σs，所以定位機構(gòu)的鋼板符合要求，不會導(dǎo)致鋼板斷裂。

2）定位機構(gòu)鋼板的的變形分析:

判斷鋼板的變形能力，主要是討論它的抗拉和抗壓能力，根據(jù)抗拉（壓）公式：σ=EA（E為彈性模量），EA值越大，抗拉能力越大，鋼的變形就越小。

通過查表，得出Q235鋼的E=200GPa，把數(shù)值代入抗拉公式里，得到:σ=200×109×20.25×10-6=4.05MPa，通過查表，可知道Q235鋼的抗拉強度范圍在375～460MPa之間，而就算轉(zhuǎn)向系整體的重量都加在任何一個支撐點上，都沒有超過Q235鋼的抗拉范圍，所以車架完全安全。

（4）設(shè)計出沒有轉(zhuǎn)向器的機械軸承轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使得汽車占用空間小，結(jié)構(gòu)簡便。機械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人的體力，主要組成為轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿等。

（5）制動系統(tǒng)采用人力制動——手剎，利用制動桿的摩擦力迫使汽車減速。此方案設(shè)計避免了制動器的復(fù)雜、維修難等問題。由于課題的小車速度和駕駛員的驅(qū)動力有一定的關(guān)聯(lián)，最高速度為15碼，所以這套裝置可以滿足駕駛員的安全制動。

（6）設(shè)計選取的車輪為充氣輪胎，結(jié)實耐用，減少與地面的摩擦，使車速有所提高。后軸寬度為16mm，并配有后軸帶軸承，安全可靠。

（7）設(shè)計的轉(zhuǎn)向燈、喇叭、大燈等照明裝置利用太陽能板、蓄電池、逆變器供電，實現(xiàn)能源充分利用，環(huán)保。

3項目的特色與創(chuàng)新點

（1）設(shè)計將休閑小車與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行結(jié)合，在滿足人的出行需求的同時，將綠色環(huán)保健康理念引入。

（2）設(shè)計出太陽能電池板不僅為駕駛?cè)苏陲L(fēng)擋雨，而且可為汽車提供基本的照明、喇叭、轉(zhuǎn)向燈電力，系統(tǒng)中的逆變器輸出的交流220V電源可為手機、筆記本電腦充電，實現(xiàn)環(huán)保多功能化。

（3）整套光伏系統(tǒng)采用新的PWM控制器，在低成本控制范圍內(nèi)，對系統(tǒng)的充放電進行智能全自動控制，為系統(tǒng)的正常工作保駕護航。

（4）機械轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡便，使用方便。

（5）車架采用中梁式車架，使車輪有較大的運動空間，減少整車質(zhì)量，降低重心，增加行駛穩(wěn)定性。

（6）結(jié)構(gòu)簡單，便于理解操作；適用人群廣。

4總結(jié)

本項目來源于大學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練課題：環(huán)保無動力汽車的設(shè)計與制作。該課題主要包括整車的設(shè)計、底盤的設(shè)計、電路的設(shè)計、制造工藝設(shè)計等幾個部分的內(nèi)容，在設(shè)計中又包括：整車設(shè)計圖的繪制、材料的選擇、整車的制作及試車等。

在車輛的行駛系統(tǒng)設(shè)計制作部分中，通過不斷的計算校核后，最終選用了前主中梁后雙邊副梁的底盤設(shè)計方案，該方案在一定的范圍內(nèi)可以最大的提升轉(zhuǎn)向半徑，提高車輛的靈活性，但同時，車輛的抗彎曲能力有所下降，車輛載荷有所減少，如采用新型的高強度材料可以解決上述問題；在光伏系統(tǒng)設(shè)計中，受限于成本原因，選用的控制器以及逆變器都僅僅能滿足系統(tǒng)初步需要，但自身的能量消耗過大，這部分能量并沒有用于對外的輸出，如采用價格較高的產(chǎn)品，可以提高系統(tǒng)的能量利用率；另外的，選用的鉛酸蓄電池，如替換成鋰電池，那么系統(tǒng)的蓄電能力以及系統(tǒng)重量都可以進一步的優(yōu)化；由于車型較小，為了方便駕駛員上下車沒有設(shè)計車身，如車架設(shè)計的足夠?qū)挸?，安裝上車身會提高小車的審美觀、減少行駛振動、提高舒適的乘坐條件以及裝載貨物等。

參考文獻：

[1]毛志堅.現(xiàn)代汽車大全[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,1986.

[2]戴汝泉.汽車運行材料[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3]陳亞新.汽車是怎樣設(shè)計制造的[M].北京:京機械工業(yè)出版社,2013(02).

作者簡介：曾清德,教師。