新型高越障性高安全性越野车的设计与模型制作

1、新型高越障性高安全性越野车的设计与模型制作孟保禄 刘旭 牛同锋 邓文昊机电学院一、课题研究目的1、 解决现代汽车越障性和安全性不够高的问题。2、 基于对机电一体化的爱好，进一步激发对其兴趣。3、 在此次设计及其制作过程中，学习有关汽车方面的知识和电子控制以及单片机控制的知识技能，拓展自己的知识面。4、 培养团队协作精神，认识团队的真正意义。5、 培养善于动手动脑的习惯，提高实践能力，理论与实践结合，深入理解理论，学会应用理论。6、 提高个人修养，丰富自己的课余生活。二、课题背景 随着越来越多的汽车进入社会生活中，汽车给人们带来了前所未有的方便，但是，随之而衍生出来的社会问题也一天天的凸显出来，

2、例如，交通愈来愈拥挤不堪，频繁的交通事故等成为社会重大问题。尤其是在夜间，驾驶员的神经兴奋性比较低，驾驶车辆时注意力不够集中，因此，夜晚是交通事故的频发时段，例如，夜间漆黑的道路上，很难判断后面驶来车辆的车速以及距自己车尾的距离，从而造成判断错误，造成追尾现象。其次，虽然现在越野车的性能已有很大程度上的提升，最典型的就是悍马。但是，距离完美仍有很长的路，例如，车辆在经过倾斜角比较大的梯台性障碍是，汽车的底座很容易被卡住，使汽车陷入进退两不能的情况，这使一些地势比较忐忑的地方无疑成了汽车的“禁区”，对一大批越野爱好者来说无疑是一大损失，在军事领域，若能使用无所不能穿越的战车，其价值是不可估量的。

3、三、课题研究主要内容 为了解决汽车越障问题，我们首先研究越野车在不同路况下行驶可能遇到的困难。对于这些问题，我们首先进行以下学习。越野车的越障性：汽车在公路之外条件下行驶的能力,也就是汽车在复杂路面上的通过性；复杂路面包括：路面、松软路面、光滑路面、坡度路面、狭窄路面和涉水路面及上述路面的合路面等；影响越野汽车越野性能的因素：轮胎数、轮胎花纹、轮胎气压、驱动型式、车架型式、驱动桥型式、变速器型式、轴数、整车的外形尺寸、比功率以及一些部件的安装位置等。上述这些参数直接关系到汽车的爬坡度、涉水深度、车速、越壕沟能力、越垂直障碍能力、最小转弯半径、纵向和横向通过半径、侧倾角等。（一）下面是在不同路面

4、上对车辆行驶性能的要求：（1）通过凹凸不平路面的要求汽车在凹凸不平路面上行驶时,影响其通过性的因素主要有整车的外形尺寸、轮胎直径以及驱动型式等。整车尺寸中的接近角、离去角和最小离地间隙对汽车的通过性影响最大。它们必须适当大,否则,汽车在行进过程中,或者由于接近角过小而插入地下;或者由于离去角过小而将后桥架起;或者由于最小离地间隙过小而将汽车牢牢绊住;或者由于横向和纵向通过半径过大,而将汽车支起。这些现象均会引起汽车“搁浅”。装用多个轴、缩短轮距或轴距等可使纵向或横向通过半径降低。采用大直径轮胎,减小前悬、后悬,提高油箱、消声器、发动机的油底壳等部件的位置,以及采用离地间隙大的轮边减速桥等均可使

5、汽车的通过性得以提高。另外,采用大直径轮胎,有利于提高越野汽车的越壕沟能力和越垂直障碍能力。我们知道,当壕沟宽度大于轮胎直径时,轮胎将坠入壕沟内,使汽车丧失行驶能力。轮胎直径越大,其可越过的壕沟就越宽,能通过的垂直障碍就越高。所以,对于越野汽车,一般应装用大直径轮胎。另外，多轴(桥) 车辆的越壕沟能力要比轴(桥) 少的车辆越野性强。（2）通过松软路面的要求汽车在通过松软路面时,由于轮胎比在硬路面上行驶时下陷的深度大,所以路面对轮胎产生的阻力就较大。如果使前轮距与后轮距相同,那么,后轮就可沿着前轮压实的车辙行驶,使得后轮轮胎的滚动阻力大大降低。由于汽车的前轮一般为单胎,所以,要使后轮与前轮同辙,

6、那么后轮应采用同一型号的单胎。为了使轮胎在松软路面上行驶时下陷的深度小些,必须减少轮胎对地面的压强,增大轮胎的接地面积是解决上述问题最理想的办法之一。采用大直径、宽截面轮胎,以及将轮胎内的气压适当降低,均会使轮胎与地面的接触面积增大,使轮胎接地压强降低。采用轮胎中央充气放气系统,可使驾驶员在驾驶室内就能方便地对轮胎充气和放气,随时调节轮胎的气压。这样既能使轮胎在松软路面上处于低气压状态,增大轮胎与地面的接触面积,又能使轮胎在硬路面上达到足够的气压,减少轮胎与地面的摩擦力,避免轮胎过热而损坏。合理地分配前、后桥轴荷,使其对地面的压强趋于合理十分重要。这里的合理是指前轮轮胎的接地压强应稍微少于后轮

7、轮胎的接地压强。这样,当汽车在松软路面上行驶时,才能避免前轮处于“推”着路面前进的状态。当然,要求在所有负荷下都达到上述的合理轴荷分配是很难实现的。因此,这种合理的轴荷分配应以汽车处于满载时为主。当汽车在松软路面上陷入很深,以至于地面与汽车最下部接触时,汽车将无法行驶。为避免此种现象发生,除采用大直径、低压、宽断面轮胎外,还应尽量减少汽车的自重,使轮胎的接地压强接近或小于履带车辆的接地压强,并设法增大汽车的最小离地间隙。采用全轮驱动型式,使原来的从动轮变为现在的驱动轮,因此,就不存在从动轮与路面的摩擦力,大大减少汽车的行驶阻力。在松软路面上,汽车低速行驶可减少轮胎“打滑”现象。假设由于某些原因

8、,使汽车的某些轮胎打滑或被架空时,全轮驱动型式可使其它与地面接触较牢、附着力较大的轮胎继续驱动,此时,挂上轴间和轮间差速器,并缓慢起步,低速行驶,可消除车辆的“打滑”现象,使汽车逃离困境。实现这种缓慢起步和低速行驶的措施是装用大传动比变速器和液力机械变速器,如液力偶合器和液力变矩器等。此外,采用越野花纹轮胎,可使轮胎与地面的附着力增大,从而使发动机的动力得以发挥,使汽车顺利通过。（3）通过光滑路面与坡度路面的要求当汽车在光滑路面上行驶时,由于轮胎与地面的附着力较小,所以汽车很难行驶。为了在此种路面上行驶,应设法增加轮胎与路面的附着系数,除采用越野花纹轮胎外,还可以在轮胎上安装防滑链。另外,在这

9、种路面上行驶时,整车的重量应尽量加在驱动轮上,以便增大驱动轮轮胎与地面的压力。采用全轮驱动型式,可使整车所有重量都得到利用,这样也可减少从动轮轮胎与地面的摩擦。为了使汽车能够在大坡度路面上行驶,汽车应具有较大的比功率,一般该值应不小于10 kW/ t 。如德国MAN 5 t 4 ×4 军车的比功率为12. 8 kW/ t 。另外,当汽车在长坡度路面上行驶时,由于是爬坡,所以车速较低,而且处于大负荷状态。此时,由于发动机转速低,风扇转速也低,使得风扇产生的风量加上汽车迎面来风,都很难满足发动机的散热要求,所以,散热系统的设计显得格外重要。虽然采用散热面积大的散热器以及高速风扇可以解决散

10、热问题,但是,还要防止发动机的过冷现象,采用硅油风扇可解决这一矛盾。另外,要爬上大坡度的坡,汽车轮胎与地面的附着力必须足够大。解决附着力问题,仍是采用越野花纹轮胎和全轮驱动型式等。汽车在侧坡上行驶时,还应防止汽车的侧翻现象。防止汽车侧翻的措施有降低汽车的重心位置、增大轮距等。一般军用越野车的爬坡度应大于30°,最大行驶侧坡度应大于20°。（4）涉水要求越野车应能涉过较小河流的能力,即涉水能力。一般军车的涉水深度应在1 000 mm 以上。为了达到足够高的涉水深度,必须采取相应措施,提高一些部件的安装位置,如消声器排气口的位置,空滤器、电瓶箱、电线、桥的出气口、冷却风扇、发电

11、机等部件的位置或对这些部件作相应的改进和防水保护,保证汽车在涉水时,各部件均能正常工作。另外,从涉水方面讲,越野车采用平头驾驶室比较好。因为平头驾驶室较高,距地面较远,所以,在汽车涉水时,水不容易进到驾驶室内;另一方面,平头驾驶室的视野也比长头驾驶室好。（5）通过狭窄路面的要求在公路之外,虽然区域广阔,但是,当汽车行驶在森林、山区和隧道等区段时,能够通过汽车的空间有时十分有限。要使汽车通过这些狭窄的区段,首先必须对汽车的外形尺寸进行限制,因为汽车的长、宽、高直接影响汽车通过这些狭窄区段的能力。另外,汽车的最小转弯半径同样对汽车的机动性产生较大的影响。最小转弯半径与汽车的轴距、轮距、车轮的转向角

12、、转向轴数等有关,所以必须根据车辆可能行驶的区域情况,以及车辆的用途对上述参数进行精心的设计。（二）越野车辆的自救、环境温度气压适应、续航能力等由于军用越野车行驶的路面十分复杂,而且时常夜间行驶,难免在行驶过程中会发生意外,如陷入稀泥中或坠入深沟中等。在这种情况下,军用越野车应能利用自身的装置进行自救或被其它车辆救助。因此,汽车的前后端应安装牵引钩,整车应装用绞盘,随车应备有千斤顶、牵引杆、通过障碍物用的厚木板等。另外,汽车应能适应从- 40 + 40 的环境温度。装用起动加浓装置和火焰预热装置均有利于汽车在低温条件下顺利起动;装用散热面积大的散热器和转速高、直径大的风扇,均有利于发动机在高温

13、条件下散热。装用大容量燃油箱也是十分必要的。因为在野外,特别是在作战时,很少有时间、有机会给汽车加油,所以汽车应有长时间、长距离不用加油的能力,这就是通常所讲的“连续行驶里程”。该值一般应大于700 km。在高原地区,由于气压低,空气稀薄,自然吸气发动机无法达到其额定功率,引起动力性下降。为了使汽车在此种情况下仍能得到足够高的动力,军用越野车应装用废气涡轮增压发动机。因为增压发动机能够将空气的密度提高,使进入发动机气缸内的空气量增加,从而可使发动机充分燃烧更多的燃料,以产生更多的能量,使发动机功率增大。（三）汽车的高稳定性新型环保减震器 现在应用的减震器 减震器对于汽车来说是十分重要的。减振器

14、并不是用来支持车身的重量，而是用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡和吸收路面冲击的能量。如果你开过减振器已坏掉的车，你就可以体会汽车通过每一坑洞、起伏后余波荡漾的弹跳，而减振器正是用来抑制这种弹跳的。没有减振器将无法控制弹簧的反弹，汽车遇到崎岖的路面时将会产生严重的弹跳，过弯时也会因为弹簧上下的震荡而造成轮胎抓地力和循迹性的丧失。最理想的状况是利用减振器把弹簧的弹跳限制在一次左右。尽可能减小车净重的情况下，不管是空载还是重载，经过调节减震强度后，都可使车辆保持最佳减震效果；更好地保护车身，延长车辆的使用寿命。 现在汽车上应用的减震器从产生阻尼的材料这个角度划分主要有液压和充气两种，还有一种可变阻尼的

15、减震器，但它们全都是靠减震器内的高浓度油来散失弹簧吸震后反弹时的震荡和吸收路面冲击的能量，但这个过程缓慢并且能量全都一热的形式散失，这无疑也是一种能源浪费，就此，设计了一种新型环保减震器，它既能在极短的时间内，将弹簧吸震后反弹时的震荡和吸收路面冲击的能量散失掉，并且能量不会像现在减震器一样白白浪费掉，我们将其作为发电机的能量来源，即将减震器设计成一个发电机，利用在坎坷路面行驶时车身的上下震荡作为其发电的动能，将其动能转化为电能给一蓄电池充电，然后将电能用到汽车需要电的地方。例如，车内空调，收音机等用电设备。这样，不仅减震效果更好，还能实现能量的合理利用。四、结论（成果介绍） A、汽车的高安全性

16、夜间双模式智能防追尾技术 鉴于汽车夜晚行驶时的事故高发性，尤其是追尾事故的易发性，我队提出一种夜间双模式智能防追尾技术，有灵敏度高，双向提示的特性，在试验阶段，效果明显，可以有效减低夜间车辆追尾现象的发生。 1、技术要求 A. 装备有此技术的车辆在夜间行驶时，若从其后方驶来另一辆汽车，若后方汽车据此汽车的距离超过“安全距离”时，则其系统就会自行启动。 B. 系统启动后会自动警告后防汽车的驾驶员注意，同时提示本车驾驶员后方有车。 C、考虑到汽车在红绿灯路口、停车场车距都很近，很容易造成危险系数极低的情况下，系统也会自行启动，从而造成一定的麻烦，所以，应有两种模式：快速模式，慢速模式。快车模式的“

17、安全距离”较大，而慢速模式的“安全距离”较小，从而使此系统更人性化，更实用。 2、创新思维 由于汽车在夜间行驶时，车灯时开着的，则可以利用车距的长短不同，车的光照强度也不同的原理，把光强弱的信号利用光敏电阻转化为电信号，通过检测后方车灯的光照强度来测定后方车辆据自己车身的距离是否超过“安全距离”，若超过“安全距离”，则系统就会自动开启，以后车灯亮的反应来警告后方车辆的驾驶员，并且以语音和提示灯的反应来提示本车驾驶员，另外两种模式的选择是根据现行的车速决定的，若车速v小于规定的一中间值 v.时，则系统会自动选择“慢车模式”；若v>v.时则系统自动选择“快车模式”。 3、电路设计 所用元器件

18、：红、绿发光二极管，电源，开关，继电器，三极管，蜂鸣器，可调电阻、导线检查车速，判断选择何种模式工作电路启动，提示前、后车驾驶员 其原理图如下：接受信号并使用放大电路放大若后车超过“安全距离” 是其电路图如下： B 汽车的高越障性机电一体自主越障系统 为了打造一款底盘永远不可能被卡住的越障汽车，我队设计了一套“机电一体自主越障系统”，可有效提高汽车的越障能力。1、 技术要求 此系统可有效提高汽车的越障功能，在穿越倾斜角比较大的梯形台障碍（对于没有该系统的车辆，过此种障碍时底盘被卡住的几率非常大）时，汽车可以顺利通过，而底盘不被卡住。2、 创新思维 汽车在通过倾斜角比较大的梯形台障碍时，其底盘很

19、容易和梯形台面相接触，从而造成底盘被卡死的现象，但是，这一点则可以被利用，因为在穿越此障碍时，车的前后轮中间有突起的障碍物，我们则可以利用检测中间是否有障碍物来判断汽车是否有可能被卡住，若有可能，则系统自动启动底盘部位的履带，依靠履带和障碍物的摩擦使汽车前进，使汽车顺利通过此障碍物。 根据这个原理，我们提出了两套方案：1、（光电驱动）在车前端安防一激光器，车的后端安防一激光信号处理电路，激光器始终处于开启状态，正常状况下，激光可以照在后端激光信号处理电路的光敏电阻上，在汽车通过坡度较大的障碍时，激光由于被中间障碍物的阻断，无法照到后端的光敏电阻上，从而产生一个电信号，经放大处理，通过继电器开启

20、履带，使其顺利通过障碍物。2、（机械驱动）此方案是直接利用机械原理来驱使底盘履带系统的运转。在履带的一侧安防一微动开关，正常状况下，开关是处于断开状态，当汽车穿越障碍物时，微动开关受到压力使其处于闭合状态，从而驱动履带的转动，时汽车顺利通过障碍物 3、（单片机智能控制）通过微动开关或光电信号给单片机中断信号，单片机根据程序作出相应的电平控制，再通过三极管放大电平信号来控制继电器的开关，再由继电器控制履带电机的工作与否，实现智能控制。其源程序如下：#include<reg52.h>unsigned char temp; sbit p3_2=P32;sbit p3_3=P33;sbit

21、 P2_4=P24;sbit P2_5=P25;sbit P2_6=P26;sbit P2_7=P27;void kai_on(); /电机工作void guan_off(); /电机不工作void Xint0(void); /外部中断0void Xint1(void); /外部中断1void main(void) temp=0x00; P1=temp; EA=1; /打开总中断 EX0=1; /允许外部中断0中断 EX1=1; /允许外部中断1中断 IT0=0; /int0为边沿触发 IT1=0; /int1为边沿触发for(;) ; /程序运行以即时监控中断 void Xint0(void

22、) interrupt 0 using 3 kai_on();void Xint1(void) interrupt 2 using 2 guan_off();void kai_on() P2_4=1; P2_5=1; P2_6=1; P2_7=1;void guan_off() P2_4=0; P2_5=0; P2_6=0; P2_7=0;五、经费使用情况 项目（类别）经费（元）备注（明细）工具类221.00详见发票明细元器件245.00详见发票明细外形制作35.00详见发票明细电机类75.00详见发票明细总计601.00(详细清单见发票的明细清单)六、问题、体会与收获 经过一个学期的辛勤探索

23、和勤奋钻研，我们组最如期完成了这个项目。回想这期间的经历的点点滴滴，感受颇多。在这次科技制作中，从方案选择、论证、外形设计，外形手工制作，材料选择，材料采购，电路设计，电路试验，电路焊接，单片机学习到软件设计，工作量非常大。而我们只有课余时间可以利用，时间极其有限，这就要求我们一定要有很好的分工合作。我们一起讨论，查资料，确定外形方案，制作材料，手工加工步骤，一起完成硬件电路、软件编程。由于我们都没有实践经验，在制作过程中设计中的一些问题很快就暴露出来。我们曾经沮丧过，懊恼过，也争吵过，甚至在一筹莫展时考虑过放弃，但我们最终没有被一次次的失败与挫折吓倒，我们继续保持着高度的热情，共同奋斗，认真

24、地找出错误、不足之处，一一进行改正，不断提高。就这样，顺藤摸瓜，各个击破，我们一步步解决问题，最终搞定，逐渐完成整个项目。 通过这次科技创新活动，我们拓宽了思路，开阔了视野，从中学到了很多课本上学不到的东西。在完成课题的过程中，我们有更多的机会和高年级的师兄们接触，从向他们请教的过程中，我们学到了很多解决实际问题的方法。这些经历培养了我们的实践动手能力，使我们对理论知识有了更深的认识，更增加了大家对科技创新的兴趣。意义更大的是提高我们团队合作的能力，考验了我们团队协作互相分享的精神和意志力，同时也学到了许多课外的知识以及检索查询资料的方法。这些都是无形的财富，也将是我们人生路上宝贵的经验。在这期间，由于对一些问题的看法和观点不同，我们不免会有争论，会有抱怨，但更多的是信任和喜悦。我们逐