环保无动力汽车设计与制作项目研究

曾清德,田飞,孔德就（广西科技大学,广西柳州545006）

环保无动力汽车设计与制作项目研究

曾清德,田飞,孔德就
（广西科技大学,广西柳州545006）

摘要：引进环保无动力汽车设计理念，通过对材料选择及强度的受力校核，车体结构采用中梁式车架，驱动方式为脚踏驱动，照明及附属系统运用太阳能供电，顺应绿色环保健康的技术方向。

关键词：环保无动力汽车；材料强度校核；中梁式车架；太阳能供电

1项目的意义

环保无动力汽车项目是指车身利用环保材料，车架利用金属物品电焊铆接而成的无动力汽车。近年来汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断进步。汽车已经是机械、电子、材料等学科的综合产物。传统汽车虽然加快了人类的生活节奏，但也引发的环境污染问题，保护好人类生存的环境已经受到全世界的关注。

汽车的结构复杂、种类繁多。目前汽车仍然是以活塞式内燃机为动力的传统结构，由此燃烧排放的尾气避免不了对环境的影响，现计划设计制造出一辆由太阳能板提供汽车用电，脚踏驱动的环保无动力汽车，通过科研创新，把汽车结构设计，材料选择与绿色环保健康的三者融为一体。

本课题研究是设计制造一辆环保无动力小车。利用无动力汽车的设计理念，通过材料选择、结构强度受力分析定设计方案，试制出样车。̓̓本设计的环保无动力汽车是可以实际操作行驶的，其特点是：体积小，占用空间少；安全可靠；节能环保，零污染；结构简单，便于理解操作；适用人群广，也用于娱乐及教学实训。

2项目论证及设计方案

本项目对无动力汽车的转向、制动、车架、车轮和照明装置的设计原理、设计方案、制作工艺以及对小车行驶使用的说明：

（1）为了达到相对布置合理，整齐美观，操作及检测维修方便，工作稳定的目的，我们根据设计车型的初衷，同时参考许多无动力车、汽车的结构等，最终选择人力机械制动、脚踏驱动、太阳能光伏发电系统提供照明系统及辅助用电。

（2）车架设计所选择的材料是Q235钢管，质量轻，有弹性，车架底座离地面的距离能达到15cm，便于汽车的行驶通过。底座长宽的尺寸根据转向系机构的长度所占位置决定的，方向盘在上端，传动轴在中间位置。具体尺寸为：底座长度900mm，宽710m。

（3）车架强度校核：转向装置转动的总质量约为90kg，F1=90kg×9.8n/kg=882N，F2=60kg×9.8n/kg=588N，其中F1是转向系自身的作用力，F2是实训人员操作时所给转向系的作用力。

1）定位机构钢板的应力分析:

应力公式:σ=FN/A

因为定位机构主要是由定位机构的角钢受力,所以FN=588+882=1470N,钢板横截面的长a=4.5mmb=4.5mm,所以面积A=20.25×10-6m2由此计算得：σ=43.46×106Pa，根据查表，可得Q235钢的屈服点σs=240MPa，因σ＜σs，所以定位机构的钢板符合要求，不会导致钢板断裂。

2）定位机构钢板的的变形分析:

判断钢板的变形能力，主要是讨论它的抗拉和抗压能力，根据抗拉（压）公式：σ=EA（E为弹性模量），EA值越大，抗拉能力越大，钢的变形就越小。

通过查表，得出Q235钢的E=200GPa，把数值代入抗拉公式里，得到:σ=200×109×20.25×10-6=4.05MPa，通过查表，可知道Q235钢的抗拉强度范围在375～460MPa之间，而就算转向系整体的重量都加在任何一个支撑点上，都没有超过Q235钢的抗拉范围，所以车架完全安全。

（4）设计出没有转向器的机械轴承转向系统，使得汽车占用空间小，结构简便。机械转向系的能量来源是人的体力，主要组成为转向盘、转向轴、转向管柱、转向直拉杆、转向横拉杆等。

（5）制动系统采用人力制动——手刹，利用制动杆的摩擦力迫使汽车减速。此方案设计避免了制动器的复杂、维修难等问题。由于课题的小车速度和驾驶员的驱动力有一定的关联，最高速度为15码，所以这套装置可以满足驾驶员的安全制动。

（6）设计选取的车轮为充气轮胎，结实耐用，减少与地面的摩擦，使车速有所提高。后轴宽度为16mm，并配有后轴带轴承，安全可靠。

（7）设计的转向灯、喇叭、大灯等照明装置利用太阳能板、蓄电池、逆变器供电，实现能源充分利用，环保。

3项目的特色与创新点

（1）设计将休闲小车与太阳能光伏发电系统进行结合，在满足人的出行需求的同时，将绿色环保健康理念引入。

（2）设计出太阳能电池板不仅为驾驶人遮风挡雨，而且可为汽车提供基本的照明、喇叭、转向灯电力，系统中的逆变器输出的交流220V电源可为手机、笔记本电脑充电，实现环保多功能化。

（3）整套光伏系统采用新的PWM控制器，在低成本控制范围内，对系统的充放电进行智能全自动控制，为系统的正常工作保驾护航。

（4）机械转向，结构简便，使用方便。

（5）车架采用中梁式车架，使车轮有较大的运动空间，减少整车质量，降低重心，增加行驶稳定性。

（6）结构简单，便于理解操作；适用人群广。

4总结

本项目来源于大学创新训练课题：环保无动力汽车的设计与制作。该课题主要包括整车的设计、底盘的设计、电路的设计、制造工艺设计等几个部分的内容，在设计中又包括：整车设计图的绘制、材料的选择、整车的制作及试车等。

在车辆的行驶系统设计制作部分中，通过不断的计算校核后，最终选用了前主中梁后双边副梁的底盘设计方案，该方案在一定的范围内可以最大的提升转向半径，提高车辆的灵活性，但同时，车辆的抗弯曲能力有所下降，车辆载荷有所减少，如采用新型的高强度材料可以解决上述问题；在光伏系统设计中，受限于成本原因，选用的控制器以及逆变器都仅仅能满足系统初步需要，但自身的能量消耗过大，这部分能量并没有用于对外的输出，如采用价格较高的产品，可以提高系统的能量利用率；另外的，选用的铅酸蓄电池，如替换成锂电池，那么系统的蓄电能力以及系统重量都可以进一步的优化；由于车型较小，为了方便驾驶员上下车没有设计车身，如车架设计的足够宽敞，安装上车身会提高小车的审美观、减少行驶振动、提高舒适的乘坐条件以及装载货物等。

参考文献：

[1]毛志坚.现代汽车大全[M].武汉:湖北科学技术出版社,1986.

[2]戴汝泉.汽车运行材料[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]陈亚新.汽车是怎样设计制造的[M].北京:京机械工业出版社,2013(02).

作者简介：曾清德,教师。