可折疊式太陽能電動三輪車設(shè)計與開發(fā)

可折疊式太陽能電動三輪車設(shè)計與開發(fā)摘要：設(shè)計并開發(fā)了一款全新的可折疊式太陽能電動三輪車。對電驅(qū)動系統(tǒng)的主要部件進行了匹配；利用UG三維軟件建立了整車模型；并利用ANSYS對車架及零部件進行了仿真分析，驗證了結(jié)構(gòu)的合理性。本車路試成功，證明結(jié)構(gòu)建?？尚?，仿真驗證有效。對其他太陽能電動車的設(shè)計開發(fā)具有一定的借鑒意義。關(guān)鍵詞：太陽能；可折疊；變形;太陽能車;三維建模；0引言隨著科技的進步，傳統(tǒng)能源行業(yè)的發(fā)展速度減緩，新型能源產(chǎn)業(yè)后來居上［1］，其中，光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個方面。將太陽能發(fā)電組件安裝在電動自行車上，升級為太陽能電動自行車，不僅能減少傳統(tǒng)能源的消耗，還能節(jié)省用戶有線充電時間，即使在行駛過程中也可以對電池進行電量的補充。1整體設(shè)計思路本車的設(shè)計思路：為了減少本車在存放時的占用空間，將其太陽能板、后輪臂及保險杠設(shè)計為折疊式。該設(shè)計可使面積較大的太陽能板能在不使用時收起；驅(qū)動輪臂的展開與折疊，可使車輛兼具駕駛穩(wěn)定性和停放空間小的特點；將光伏組件加入電動車的電驅(qū)動系統(tǒng)，讓車輛可以通過光伏組件進行電池充電并驅(qū)動輪轂電機，做到真正的綠色出行。2電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計1.1電驅(qū)動系統(tǒng)電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計本車的電驅(qū)動系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電組件，輪轂電機，推桿驅(qū)動機構(gòu)和行駛控制機構(gòu)組成。太陽能板轉(zhuǎn)換的電流通過光伏線送達太陽能控制器，電流被控制器穩(wěn)流降壓后對電池充電。電池向電動推桿控制器和電機控制器供電。在各器件的選配時，先根據(jù)動力需求選擇電機，再通過電機決定電池，最后根據(jù)電池配置合適的太陽能板和控制器。1.2電機與電池的選擇該車采用后輪驅(qū)動的形式，后輪為輪轂電機［2］，額定電壓為24V，額定扭矩為4.6Nm。我國各地冬天氣溫在零下20度左右，為保證電動車在寒冷環(huán)境下正常工作，選擇低溫放電效率更高且單體能量密度高的三元鋰電池⑶。考慮到系統(tǒng)中必要的損耗，以及市場上零部件的通用性，參考電動踏板車，最終選擇24V，20Ah的三元鋰電池作為整車的動力電池。1.3光伏組件的選擇本車使用的電池額定電壓為24V，該電池剛充滿時的電壓預計在30V左右，因此選擇36V的太陽能板為宜［4］。計劃鋪設(shè)四塊1000*400*2的太陽能板，總面積要求1.6平方米，總功率300W，總重量約3.2kg。本車所選的控制器為常見的PWM鉛酸鋰電通用控制器。3主要結(jié)構(gòu)的建模與仿真本車使用UG三維建模軟件完成建模，結(jié)構(gòu)清晰，成圖效果好，便于加入人體模型進行仿真。通過添加人體模型的方式，確定方向盤和座椅位置［5］。3.1太陽能板折疊機構(gòu)車頂部分的結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由車架上部、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、太陽能支撐架和固定在太陽能支撐架中的太陽能板組成。太陽能板采用的四塊半柔性太陽能板帶有背板，可以直接固定在支撐架上，無需再加其他支撐固定等結(jié)構(gòu)。圖2為單個折疊三角支架示意圖，支架的固定端焊接在車架的豎向支撐管上，旋轉(zhuǎn)端與支撐架相連，支撐結(jié)構(gòu)隨旋轉(zhuǎn)端的運動而運動。太陽能板展開時，旋轉(zhuǎn)端隨支撐架轉(zhuǎn)動，支撐結(jié)構(gòu)沿旋轉(zhuǎn)端向上滑動，使旋轉(zhuǎn)端垂直于固定端時卡住旋轉(zhuǎn)端使其不會下落，同時垂直狀態(tài)固定端阻礙了旋轉(zhuǎn)端向上旋轉(zhuǎn)。板支撐結(jié)構(gòu)施加太陽能板等同的載荷之后，最大變形為2.11mm，支撐架重量約為5.7kg；管支撐結(jié)構(gòu)施加太陽能板等同的載荷之后，最大變形為0.18mm，支撐架重量約為2kg，輕于板支撐的支撐架用。因此，本車采用管支撐結(jié)構(gòu)。3.2保險杠折疊機構(gòu)本車保險杠特指且僅有的是前保險杠，通過阻尼轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)保險杠的旋轉(zhuǎn)和任何角度的停止。阻尼轉(zhuǎn)軸是成品件，固定在車架上，二者通過螺栓連接，起到示廓警示作用。3.3驅(qū)動輪臂折疊機構(gòu)變形機構(gòu)由電動推桿，液壓桿、折疊中心、正反絲杠、支撐輪、支撐桿、滑軌和滑軌中的滑輪通過螺栓連接組成。準備駕駛時，電動推桿拉動折疊中心回位，液壓桿受力，輪臂率先展開，展開到一定程度后支撐輪向前旋轉(zhuǎn)收起。推拉桿繼續(xù)收縮至支撐輪離開地面一定高度。折疊過程與展開過程相反，支撐輪優(yōu)先著地減少車胎收放過程中所受摩擦力。折疊中心和滑輪是固定的，使折疊中心只能在與電動推桿同高度且同一直線上做前后運動。同時，支撐輪在起支撐作用時，除了會通過支撐桿傳力之外，還會經(jīng)正反絲杠至折疊中心和滑輪，通過滑輪滑軌傳遞力。展開時后輪寬度為1.2米，車輪收起后后輪寬度為0.4米。3.5整車的結(jié)構(gòu)分析人體模型參數(shù)為高175cm，體重80kg的成年男性。考慮到路面顛簸等復雜路況，因此本文使用ANSYS仿真分析時，施加1000N的載荷代入運算。靜力學仿真車架材料選擇不銹鋼，太陽能板材料以背板為標準，選擇木板。劃分網(wǎng)格時，四面體網(wǎng)格沒有六面體網(wǎng)格的質(zhì)量高，但是劃分效果足以滿足需求，并且省時省力，因此本次仿真選擇四面體網(wǎng)格進行劃分。總變形云圖由圖可知，太陽能板及支撐架后端因下方車架變形后，車架后部方管產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)和位移，帶動且放大了太陽能板及支撐架的實際變形，不具有實際意義。所以，具有實際意義的車身形變是車架下部三角結(jié)構(gòu)的形變，即0.93~0.78mm之間，該形變相對于整車的影響可以忽略不計。最大等效應(yīng)力為92.9MPa，位于驅(qū)動輪支架處。這是由于車架下部三角結(jié)構(gòu)承受的載荷通過驅(qū)動輪臂傳導到了驅(qū)動輪支架，細長的驅(qū)動輪臂使驅(qū)動輪支架受到的力被放大了。該數(shù)值遠小于304不銹鋼的屈服強度205MPa，因此該處應(yīng)力可以接受。3.6實車實驗市面上常見的零件通過截斷和部分打磨之后就可以通過焊接固定或者螺栓連接在一起［7］。其中，轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向萬向節(jié)設(shè)計加工成了螺栓固定［8］，便于后期調(diào)整方向盤的位置。

圖8實車路試態(tài)狀長(mm)寬(mm)高(mm)整備質(zhì)量(kg)最高時速(km/h)加速時間(s)展21140153.9開147396317收231起26340325測試過程中，車輛的最高速度是15km/h，由靜止狀態(tài)起步，以最大的加速強度達到最高速度的時間是3.9s。車輛路試過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形和電驅(qū)動系統(tǒng)故障，光伏發(fā)電組件工作正常，各個折疊機構(gòu)工作正常，本車設(shè)計方案可行。4結(jié)論本文設(shè)計開發(fā)了一款單人可折疊式太陽能電動車，主要在車輛的電驅(qū)動系統(tǒng)選配，結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及整車裝配加工制造三個方面進行了分析與研究：首先，對電動車與光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了研究。其次，設(shè)計了多個全新的變形折疊機構(gòu)，模擬了所有機構(gòu)的變形狀態(tài)并論證了各折疊機構(gòu)的可行性。用ANSYS對整車結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。最后，開發(fā)制作了實車并進行了道路測試驗證了電驅(qū)動系統(tǒng)選型和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性。本車的創(chuàng)新及特點在于：（1） 通過光伏組件進行充電，節(jié)能減排。（2） 通過驅(qū)動輪臂折疊、三角支架折疊等的設(shè)計，減少占用空間。（3） 折疊式保險杠的設(shè)計既起到示廓作用又不占用空間。參考文獻［1］ 能環(huán)寶.十四五規(guī)劃建議：新能源規(guī)劃要點［EB/OL］.2020.［2］ 朱姍姍.電動車用無刷直流電機低速特性的研究［D］.河北:河北科技大學，2017.［3］ 李璽.智能太陽能電動自行車充電控制器的研究［D］.上海:東華大學，2017.［4］ 冀千瑜.固定太陽能電板轉(zhuǎn)換效率的研究［J］.農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2016,27（18）:258,275.［5］ 陳佩胡.基于CATIA的電動自行車優(yōu)化設(shè)計與制造［D］.江蘇:江南大學,2008.［6］ 邵永松，劉洪波，寇俊同.截面方鋼管支撐的彈塑性穩(wěn)定性研究［J］.工程力學,2014,31（z1）［7］ 趙鵬.二氧化碳氣體保護焊兩面成型工藝分析［J］.機械管理開發(fā),2021.［8］ 黃景明.人性化設(shè)計在自行車設(shè)計中的應(yīng)用研究［D］.湖北工業(yè)大學，2011.［基金項目］山東省高等學?？萍加媱濏椖浚↗15LB54）；山東交通學院