曾清德,田飛,孔德就（廣西科技大學(xué),廣西柳州545006）

環(huán)保無(wú)動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)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(jìn)環(huán)保無(wú)動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)對(duì)材料選擇及強(qiáng)度的受力校核，車(chē)體結(jié)構(gòu)采用中梁式車(chē)架，驅(qū)動(dòng)方式為腳踏驅(qū)動(dòng)，照明及附屬系統(tǒng)運(yùn)用太陽(yáng)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(wú)動(dòng)力汽車(chē)；材料強(qiáng)度校核；中梁式車(chē)架；太陽(yáng)能供電

1項(xiàng)目的意義

環(huán)保無(wú)動(dòng)力汽車(chē)項(xiàng)目是指車(chē)身利用環(huán)保材料，車(chē)架利用金屬物品電焊鉚接而成的無(wú)動(dòng)力汽車(chē)。近年來(lái)汽車(chē)工業(yè)隨著機(jī)械和電子技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。汽車(chē)已經(jīng)是機(jī)械、電子、材料等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。傳統(tǒng)汽車(chē)雖然加快了人類(lèi)的生活節(jié)奏，但也引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題，保護(hù)好人類(lèi)生存的環(huán)境已經(jīng)受到全世界的關(guān)注。

汽車(chē)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類(lèi)繁多。目前汽車(chē)仍然是以活塞式內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由此燃燒排放的尾氣避免不了對(duì)環(huán)境的影響，現(xiàn)計(jì)劃設(shè)計(jì)制造出一輛由太陽(yáng)能板提供汽車(chē)用電，腳踏驅(qū)動(dòng)的環(huán)保無(wú)動(dòng)力汽車(chē)，通過(guò)科研創(chuàng)新，把汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)制造一輛環(huán)保無(wú)動(dòng)力小車(chē)。利用無(wú)動(dòng)力汽車(chē)的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)材料選擇、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受力分析定設(shè)計(jì)方案，試制出樣車(chē)。??本設(shè)計(jì)的環(huán)保無(wú)動(dòng)力汽車(chē)是可以實(shí)際操作行駛的，其特點(diǎn)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(jiǎn)單，便于理解操作；適用人群廣，也用于娛樂(lè)及教學(xué)實(shí)訓(xùn)。

2項(xiàng)目論證及設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目對(duì)無(wú)動(dòng)力汽車(chē)的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、車(chē)架、車(chē)輪和照明裝置的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案、制作工藝以及對(duì)小車(chē)行駛使用的說(shuō)明：

（1）為了達(dá)到相對(duì)布置合理，整齊美觀，操作及檢測(cè)維修方便，工作穩(wěn)定的目的，我們根據(jù)設(shè)計(jì)車(chē)型的初衷，同時(shí)參考許多無(wú)動(dòng)力車(chē)、汽車(chē)的結(jié)構(gòu)等，最終選擇人力機(jī)械制動(dòng)、腳踏驅(qū)動(dòng)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)提供照明系統(tǒng)及輔助用電。

（2）車(chē)架設(shè)計(jì)所選擇的材料是Q235鋼管，質(zhì)量輕，有彈性，車(chē)架底座離地面的距離能達(dá)到15cm，便于汽車(chē)的行駛通過(guò)。底座長(zhǎng)寬的尺寸根據(jù)轉(zhuǎn)向系機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度所占位置決定的，方向盤(pán)在上端，傳動(dòng)軸在中間位置。具體尺寸為：底座長(zhǎng)度900mm，寬710m。

（3）車(chē)架強(qiáng)度校核：轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)訓(xùn)人員操作時(shí)所給轉(zhuǎn)向系的作用力。

1）定位機(jī)構(gòu)鋼板的應(yīng)力分析:

應(yīng)力公式:σ=FN/A

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

2）定位機(jī)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(guò)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(guò)查表，可知道Q235鋼的抗拉強(qiáng)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(gè)支撐點(diǎn)上，都沒(méi)有超過(guò)Q235鋼的抗拉范圍，所以車(chē)架完全安全。

（4）設(shè)計(jì)出沒(méi)有轉(zhuǎn)向器的機(jī)械軸承轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使得汽車(chē)占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便。機(jī)械轉(zhuǎn)向系的能量來(lái)源是人的體力，主要組成為轉(zhuǎn)向盤(pán)、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(dòng)系統(tǒng)采用人力制動(dòng)——手剎，利用制動(dòng)桿的摩擦力迫使汽車(chē)減速。此方案設(shè)計(jì)避免了制動(dòng)器的復(fù)雜、維修難等問(wèn)題。由于課題的小車(chē)速度和駕駛員的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。

（6）設(shè)計(jì)選取的車(chē)輪為充氣輪胎，結(jié)實(shí)耐用，減少與地面的摩擦，使車(chē)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(jì)的轉(zhuǎn)向燈、喇叭、大燈等照明裝置利用太陽(yáng)能板、蓄電池、逆變器供電，實(shí)現(xiàn)能源充分利用，環(huán)保。

3項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新點(diǎn)

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

（2）設(shè)計(jì)出太陽(yáng)能電池板不僅為駕駛?cè)苏陲L(fēng)擋雨，而且可為汽車(chē)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(jī)、筆記本電腦充電，實(shí)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(duì)系統(tǒng)的充放電進(jìn)行智能全自動(dòng)控制，為系統(tǒng)的正常工作保駕護(hù)航。

（4）機(jī)械轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，使用方便。

（5）車(chē)架采用中梁式車(chē)架，使車(chē)輪有較大的運(yùn)動(dòng)空間，減少整車(chē)質(zhì)量，降低重心，增加行駛穩(wěn)定性。

（6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于理解操作；適用人群廣。

4總結(jié)

本項(xiàng)目來(lái)源于大學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練課題：環(huán)保無(wú)動(dòng)力汽車(chē)的設(shè)計(jì)與制作。該課題主要包括整車(chē)的設(shè)計(jì)、底盤(pán)的設(shè)計(jì)、電路的設(shè)計(jì)、制造工藝設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分的內(nèi)容，在設(shè)計(jì)中又包括：整車(chē)設(shè)計(jì)圖的繪制、材料的選擇、整車(chē)的制作及試車(chē)等。

在車(chē)輛的行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作部分中，通過(guò)不斷的計(jì)算校核后，最終選用了前主中梁后雙邊副梁的底盤(pán)設(shè)計(jì)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(chē)輛的靈活性，但同時(shí)，車(chē)輛的抗彎曲能力有所下降，車(chē)輛載荷有所減少，如采用新型的高強(qiáng)度材料可以解決上述問(wèn)題；在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)大，這部分能量并沒(méi)有用于對(duì)外的輸出，如采用價(jià)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(jìn)一步的優(yōu)化；由于車(chē)型較小，為了方便駕駛員上下車(chē)沒(méi)有設(shè)計(jì)車(chē)身，如車(chē)架設(shè)計(jì)的足夠?qū)挸?，安裝上車(chē)身會(huì)提高小車(chē)的審美觀、減少行駛振動(dòng)、提高舒適的乘坐條件以及裝載貨物等。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]戴汝泉.汽車(chē)運(yùn)行材料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3]陳亞新.汽車(chē)是怎樣設(shè)計(jì)制造的[M].北京:京機(jī)械工業(yè)出版社,2013(02).

作者簡(jiǎn)介：曾清德,教師。