一種小型氣動汽車的設(shè)計(jì)和計(jì)算

李嵐琦　李國慶　劉騰遠(yuǎn)　趙建成　盧愛愿　趙宏旺

摘? 要：針對目前汽車行駛排放污染環(huán)境問題，設(shè)計(jì)了一種以壓縮空氣為動力源的氣動小車，首先對氣動小車進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，包括行駛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，然后計(jì)算了小車所需行駛驅(qū)動力，并對氣動馬達(dá)和氣源進(jìn)行了匹配，結(jié)果顯示滿足條件。

關(guān)鍵詞：氣動汽車;功率;方案設(shè)計(jì)

1.引言

我國汽車保有量一直呈增長趨勢，尤其是改革開放以后幾乎呈現(xiàn)指數(shù)增長，但進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著人們保護(hù)環(huán)境意識的覺醒和全球能源危機(jī)的出現(xiàn)，汽車行業(yè)的快速發(fā)展便開始飽受詬病[1]?，F(xiàn)在新能源汽車主要有這幾大類：壓縮空氣動力汽車、電動汽車、混合能源動力汽車等，其中壓縮空氣動力汽車，它以壓縮空氣為動力源，將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于空氣動力汽車在能量轉(zhuǎn)換的過程中無礦物燃燒碳排量為0，且噪聲小、無熱輻射，是真正意義上的綠色，無污染的汽車。因此它具有其他新能源汽車無可比擬的廣闊發(fā)展前景。

本文所述便是氣動小車：該小車主要為行駛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成，行駛系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)小車的直線行駛;制動系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)小車的減速控制;供氣系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣量的精確控制;轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)小車的方向控制。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)末一位法國的設(shè)計(jì)師創(chuàng)辦了氣動汽車公司并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。印度的汽車制造商推出了一款壓縮空氣動力汽車，整個(gè)車身由高強(qiáng)度的重量輕的玻璃纖維制成，全車總重僅275kg，可載三人，最高時(shí)速為70km/h，加滿一次空氣只需2分鐘，滿狀態(tài)續(xù)航達(dá)到200km。

我國對氣動汽車項(xiàng)目的研究并不算太早，但發(fā)展速度卻很快。浙江大學(xué)在1999年開始對壓縮空氣動力汽車進(jìn)行研究。除了浙江大學(xué)，我國其他高校也對氣動汽車進(jìn)行了深入的研究，例如合肥工業(yè)大學(xué)對柴油改氣動汽車進(jìn)行了一些建模和仿真分析了各參數(shù)對氣動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響。北京工業(yè)大學(xué)則提出了采用噴射器代替節(jié)流閥的新型氣動汽車的減壓系統(tǒng)。吉利也提出了氣動汽車的概念，其特點(diǎn)是將存放在車身后的氣罐中的氣體直接通過管道輸送到車輪從而驅(qū)動車子。

綜上所述，氣動汽車的廣泛研究，且具有高安全、低排量、高時(shí)效、低成本等優(yōu)點(diǎn)，使之成為未來汽車發(fā)展的方向之一。本文著重氣動小車的總體設(shè)計(jì)與計(jì)算。

3.氣動車的總體設(shè)計(jì)

小車采用一個(gè)氣動馬達(dá)作為驅(qū)動的動力源，考慮到小車的行駛平穩(wěn)性，駕駛?cè)藛T的舒適感體驗(yàn)以及氣動馬達(dá)的動力性，行駛系統(tǒng)采用中置后驅(qū)的方案，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則將汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行簡化直接使用方向盤無助力轉(zhuǎn)向以達(dá)到減輕整車重量的目地。

根據(jù)小車的總體驅(qū)動方案和各零件的尺寸以及整車控制需要，同時(shí)考慮到整車的平穩(wěn)性和操控性，本文采用的設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1? 氣動小車總布置圖

根據(jù)最高車速來確定功率：? ? ?（1）

小車預(yù)設(shè)最高車速umax=18km/h，查表得滾子鏈傳動效率為ηt=0.96，整車質(zhì)量m=100kg;重力加速度g取9.8kg/s2，查表可知在速度不超過48km/h的情況下路面摩擦系數(shù)f=0.6，空阻系數(shù)CD=0.4，由幾何知識可知小車的迎風(fēng)面積為A=6。由公式1可確定氣動機(jī)功率為Pm1=3.254kw。

根據(jù)加速性能確定功率： （2）

其中，，最高車速預(yù)設(shè)為umax=18km/h，由公式2可得氣動機(jī)功率為Pm2=4.3790kw。

計(jì)算氣動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速：? ? ? ? ? ? ? （3）

小車預(yù)設(shè)傳動比為i=1.5，小車后輪半徑為r=0.125m，由公式3可知?dú)鈩訖C(jī)的最高轉(zhuǎn)速為nmax=641r/min

求氣動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速：? ? ? ? ? ? ? ?（4）

其中過載系數(shù)β=2，由公式4可得氣動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是ne=320r/min

求氣動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：? ? ? ? ? ?（5）

由上可知m=100kg，f=0.6，δ=1.08，后輪半徑r=0.125m，加速度為α=2m/s2

滾子鏈的傳動效率ηt=0.96，傳動比i=1.5，根據(jù)公式5可得Tmax≥157.0313Nm.

傳動比上限：? ? ? ? ? ? ? ?（6）

由上可知?dú)鈩訖C(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax=641r/min，由公式6可計(jì)算傳動比上限為i≤1.6782。

傳動比下限：

（7）

由上可知小車最高車速umax=18km/h，滾子鏈傳動效率ηt=0.96，整車質(zhì)量m=100kg;重力加速度g取9.8kg/s2，摩擦系數(shù)f=0.6，空阻系數(shù)CD=0.4，小車后輪半徑r=0.125m，氣動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=157.0313Nm，小車的迎風(fēng)面積為A=6，由公式7可計(jì)算小車的傳動比下限i≥0.5180

傳動比下限：? ? ? ? ? ?（8）

同理，由公式8可計(jì)算小車最高加速性能下的傳動比下限i≥0.6972

4.總結(jié)

就目前來看氣動汽車是未來汽車的重要發(fā)展方向。大力發(fā)展氣動汽車不僅可以減少石油、天然氣等化石燃料的的消耗，還可以大大減少碳氧化合物、氮氧化合物等其他對人體有害污染物的排放，降低對環(huán)境的污染，并有利于提高我國汽車行業(yè)的生產(chǎn)研發(fā)水平，實(shí)現(xiàn)彎道超車的目的，增強(qiáng)我國在全世界范圍內(nèi)的產(chǎn)品競爭力。且氣動汽車且具有高安全、低排量、高時(shí)效、低成本等優(yōu)點(diǎn)，使之成為未來汽車發(fā)展的方向之一。

參考文獻(xiàn)

[1]? 車用氣動發(fā)動機(jī)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)的研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2017.

[2]? 付向恒，蔡茂林. 基于氣液轉(zhuǎn)換器的氣動汽車動力系統(tǒng)能效優(yōu)化[J]. 液壓與氣動，2018（4）：109-114.

基金項(xiàng)目：本文系桂林航天工業(yè)學(xué)院2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（空氣動力車）

作者簡介：李嵐琦（1999.2-），男，漢，湖南邵陽人，桂林航天工業(yè)學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院在讀本科生，主要研究方向：車輛工程。