譚雅丹

（北京市第四中學(xué)，北京 100034）

一種汽車太陽能電動移動車棚的設(shè)計及力學(xué)分析

譚雅丹

（北京市第四中學(xué)，北京 100034）

隨著我國城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，家庭汽車保有量也逐漸增加，從節(jié)約空間和保護(hù)車體的角度來講，輕型化的移動車棚具有廣闊的發(fā)展空間。本文首先給出了一種汽車太陽能電動移動車棚的設(shè)計方案。該移動車棚能方便汽車的停放、遮陽、擋雨，可有效保護(hù)車輛不受極端天氣損傷；該車棚還具有太陽能發(fā)電功能，能自身存儲電能，不會給汽車造成額外的動力損失。進(jìn)一步地，通過對車棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模，系統(tǒng)地分析了移動車棚的活動棚蓋在伸展和收縮過程中的最大受力狀態(tài)，為車棚材料的選取提供了理論指導(dǎo)。

太陽能充電；電動移動車棚；結(jié)構(gòu)設(shè)計；力學(xué)建模與分析

隨著我國城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，家庭汽車保有量也逐漸增加，而家庭停車位嚴(yán)重匱乏。從節(jié)約空間和保護(hù)車體的角度來講，輕型化的移動車棚備受青睞。

現(xiàn)如今，節(jié)能減排的理念深入人心，太陽能作為一種清潔能源被人們所關(guān)注。通過將光伏發(fā)電與相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)備一體化設(shè)計，不僅能發(fā)電，還可起到隔熱、承受荷載、防雨、遮陽的建材型功能，為人們提供源源不斷的綠色電力。本文首先給出了一種汽車太陽能電動移動車棚的設(shè)計方案。該停車棚能方便汽車的停放、遮陽、擋雨，可有效保護(hù)車輛不受極端天氣損傷；具有太陽能發(fā)電功能，不會給汽車造成額外的動力壓力。車棚棚頂?shù)墓夥蹇刹捎玫丸F玻璃覆蓋在太陽能電池片上，以確保有更多的光線透過率，產(chǎn)生更多的電能。低鐵玻璃經(jīng)過鋼化處理，具有更高的強度，可承受大風(fēng)、雨雪、冰雹等氣候的侵襲，且可適應(yīng)較強的晝夜溫差。該光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器等設(shè)備組成。

本文對車棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模與分析，指出棚體結(jié)構(gòu)設(shè)計上所需要考慮的多方面因素，系統(tǒng)地分析了可移動車棚的棚體材料在伸展和收縮過程中的最大受力狀態(tài)，給出了對結(jié)構(gòu)材料的選取要求：由于車棚伸展面積大，要求棚體結(jié)構(gòu)的自重小、強度高。

1 汽車太陽能電動移動車棚的設(shè)計

本小節(jié)給出了一種汽車太陽能電動移動車棚的詳細(xì)設(shè)計方案，該移動車棚是一種新型便攜遙車棚，亦可稱之為小型移動車庫。其主要結(jié)構(gòu)特征是能方便的安裝在車頂上隨車移動。停車后就能通過電動遙控控制其伸展開，因而保護(hù)車體免遭烈日、風(fēng)雪及鳥糞、樹膠的侵害。行車時收縮后，亦可以作為輕便的行李架，該移動 車棚的主要安裝效果如圖1所示。

圖1 移動車棚安裝效果圖

為避免劃傷車體，該電動車棚整體可用四個橡膠支腿4作為支撐安放在車頂上，利用鎖緊器與車體緊固連接，安裝方式類似出租車頂燈的安裝，安裝和拆卸非常方便；其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，電動車棚由固定支架5和兩個活動支架3組成，在固定支架和活動支架內(nèi)部安裝有鑲嵌軸承的滑輪，構(gòu)成無摩擦的導(dǎo)軌組合結(jié)構(gòu)。

圖2 太陽能電動移動車棚結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

在固定支架和活動支架上分別覆蓋活動棚蓋2和固定棚蓋1，其中固定棚蓋1是太陽能電池板，無論是行車過程還是停車階段都可為安裝在支架與棚蓋中部空間的蓄電池充電。停車過程中，則通過遙控控制電機帶動由雙排鏈組成的傳動機構(gòu)6，從而實現(xiàn)車棚的伸展與收縮。車棚四周具有懸掛的帷幔裝 置，當(dāng)支架全部伸展后，形成密閉的空間以保護(hù)車體。

在整個設(shè)計過程中，需要選取輕質(zhì)環(huán)保的新型材料，盡可能降低棚蓋的重量；改進(jìn)車棚外觀造型，降低風(fēng)阻，提高使用的安全性和可靠性；進(jìn)一步地，還能在智能化方面進(jìn)行考慮，以實現(xiàn)手機的實時監(jiān)測與控制。

2 移動車棚的力學(xué)建模與分析

本小節(jié)對車棚蓋伸展過程進(jìn)行力學(xué)分析，建立了其基本的力學(xué)平衡方程，分析了移動車棚的活動棚蓋在伸展和收縮過程中的最大受力狀態(tài)。如圖3(a)所示，棚蓋伸展后建立如圖所示的坐標(biāo)系，其中x軸方向為汽車橫向，y軸方向為汽車首尾連接方向，z軸方向為垂直于車棚蓋的方向，即豎直方向。取沿著x軸方向的單位長度進(jìn)行受力分析，如圖3(b)所示，其中b為單位長度，h為移動棚蓋板的厚度。圖3中F來源于伸展后車四周的帷幔在蓋板 端部產(chǎn)生的力，mg則來源于蓋板自身的重力，l為活動蓋板完全伸展后的長度。

圖3

對于矩形截面的梁，在一段固定，受到彎矩M的情況下，其最大受力位置在固定端，且單位面積最大載荷為

考慮到大型轎車的車長能達(dá)到5m，因此活動棚蓋受力最大的為沿車長方向前后伸展的棚板。設(shè)前后端活動棚板的長度均為2m，中部固定棚蓋長度為1m，棚蓋盡可能的選擇質(zhì)量輕、強度高的材料，對于四周帷幔的選擇遵循同樣的原則。本小節(jié)討論棚蓋材料密度范圍為0.5～2.5g/cm3，四周帷幔重力造成的棚蓋端部單位長度受力F的取值范圍為5～15N/m，所研究的活動棚蓋的厚度為2cm。分別討論活動蓋板和帷幔的選擇對端部最大載荷影響如下圖4所示。對于圖4(a)，選取活動棚蓋上帷幔單位長度施力最大值15N/m進(jìn)行分析，得到在本小節(jié)所討論棚蓋密度范圍值中的棚蓋端部單位面積最大載荷均小于2MPa。

同樣，當(dāng)所選棚蓋材質(zhì)密度取為2.0g/cm3時，可得活動棚蓋端部單位面積最大載荷隨帷幔載荷變化曲線如圖4所示。由此討論可得在選取活動棚蓋材料時，其單位面積能承擔(dān)的最大載荷需要大于本小節(jié)所給出的理論值。

圖4

3 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，生活水平的不斷提升，家庭汽車保有量急劇增加，隨之而來的車棚需求量也大幅增漲。為解決固定車棚緊張問題及給汽車提供良好的安全防護(hù)，本文首先給出了一種汽車太陽能電動移動車棚的設(shè)計方案，詳細(xì)地介紹了移動車棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，該移動車棚方便快捷，直接置于車頂，方便汽車的遮陽、擋雨，可有效保護(hù)車輛不受極端天氣損傷。本文對移動車棚的活動棚蓋進(jìn)行了力學(xué)建模與分析，給出了活動棚蓋端部單位面積最大受力的影響因素，系統(tǒng)地討論了最大受力值隨相關(guān)因素的變化關(guān)系，為移動車棚材料的選擇提供了理論支持。

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1671-0711（2016）11（下）-0080-02