可折叠式太阳能电动三轮车设计与开发

可折叠式太阳能电动三轮车设计与开发摘要：设计并开发了一款全新的可折叠式太阳能电动三轮车。对电驱动系统的主要部件进行了匹配；利用UG三维软件建立了整车模型；并利用ANSYS对车架及零部件进行了仿真分析，验证了结构的合理性。本车路试成功，证明结构建模可行，仿真验证有效。对其他太阳能电动车的设计开发具有一定的借鉴意义。关键词：太阳能；可折叠；变形;太阳能车;三维建模；0引言随着科技的进步，传统能源行业的发展速度减缓，新型能源产业后来居上［1］，其中，光伏发电技术发展迅速，开始广泛应用于生产生活的各个方面。将太阳能发电组件安装在电动自行车上，升级为太阳能电动自行车，不仅能减少传统能源的消耗，还能节省用户有线充电时间，即使在行驶过程中也可以对电池进行电量的补充。1整体设计思路本车的设计思路：为了减少本车在存放时的占用空间，将其太阳能板、后轮臂及保险杠设计为折叠式。该设计可使面积较大的太阳能板能在不使用时收起；驱动轮臂的展开与折叠，可使车辆兼具驾驶稳定性和停放空间小的特点；将光伏组件加入电动车的电驱动系统，让车辆可以通过光伏组件进行电池充电并驱动轮毂电机，做到真正的绿色出行。2电驱动系统设计1.1电驱动系统电驱动系统设计本车的电驱动系统主要由光伏发电组件，轮毂电机，推杆驱动机构和行驶控制机构组成。太阳能板转换的电流通过光伏线送达太阳能控制器，电流被控制器稳流降压后对电池充电。电池向电动推杆控制器和电机控制器供电。在各器件的选配时，先根据动力需求选择电机，再通过电机决定电池，最后根据电池配置合适的太阳能板和控制器。1.2电机与电池的选择该车采用后轮驱动的形式，后轮为轮毂电机［2］，额定电压为24V，额定扭矩为4.6Nm。我国各地冬天气温在零下20度左右，为保证电动车在寒冷环境下正常工作，选择低温放电效率更高且单体能量密度高的三元锂电池⑶。考虑到系统中必要的损耗，以及市场上零部件的通用性，参考电动踏板车，最终选择24V，20Ah的三元锂电池作为整车的动力电池。1.3光伏组件的选择本车使用的电池额定电压为24V，该电池刚充满时的电压预计在30V左右，因此选择36V的太阳能板为宜［4］。计划铺设四块1000*400*2的太阳能板，总面积要求1.6平方米，总功率300W，总重量约3.2kg。本车所选的控制器为常见的PWM铅酸锂电通用控制器。3主要结构的建模与仿真本车使用UG三维建模软件完成建模，结构清晰，成图效果好，便于加入人体模型进行仿真。通过添加人体模型的方式，确定方向盘和座椅位置［5］。3.1太阳能板折叠机构车顶部分的结构相对简单，主要由车架上部、转动机构、太阳能支撑架和固定在太阳能支撑架中的太阳能板组成。太阳能板采用的四块半柔性太阳能板带有背板，可以直接固定在支撑架上，无需再加其他支撑固定等结构。图2为单个折叠三角支架示意图，支架的固定端焊接在车架的竖向支撑管上，旋转端与支撑架相连，支撑结构随旋转端的运动而运动。太阳能板展开时，旋转端随支撑架转动，支撑结构沿旋转端向上滑动，使旋转端垂直于固定端时卡住旋转端使其不会下落，同时垂直状态固定端阻碍了旋转端向上旋转。板支撑结构施加太阳能板等同的载荷之后，最大变形为2.11mm，支撑架重量约为5.7kg；管支撑结构施加太阳能板等同的载荷之后，最大变形为0.18mm，支撑架重量约为2kg，轻于板支撑的支撑架用。因此，本车采用管支撑结构。3.2保险杠折叠机构本车保险杠特指且仅有的是前保险杠，通过阻尼转轴实现保险杠的旋转和任何角度的停止。阻尼转轴是成品件，固定在车架上，二者通过螺栓连接，起到示廓警示作用。3.3驱动轮臂折叠机构变形机构由电动推杆，液压杆、折叠中心、正反丝杠、支撑轮、支撑杆、滑轨和滑轨中的滑轮通过螺栓连接组成。准备驾驶时，电动推杆拉动折叠中心回位，液压杆受力，轮臂率先展开，展开到一定程度后支撑轮向前旋转收起。推拉杆继续收缩至支撑轮离开地面一定高度。折叠过程与展开过程相反，支撑轮优先着地减少车胎收放过程中所受摩擦力。折叠中心和滑轮是固定的，使折叠中心只能在与电动推杆同高度且同一直线上做前后运动。同时，支撑轮在起支撑作用时，除了会通过支撑杆传力之外，还会经正反丝杠至折叠中心和滑轮，通过滑轮滑轨传递力。展开时后轮宽度为1.2米，车轮收起后后轮宽度为0.4米。3.5整车的结构分析人体模型参数为高175cm，体重80kg的成年男性。考虑到路面颠簸等复杂路况，因此本文使用ANSYS仿真分析时，施加1000N的载荷代入运算。静力学仿真车架材料选择不锈钢，太阳能板材料以背板为标准，选择木板。划分网格时，四面体网格没有六面体网格的质量高，但是划分效果足以满足需求，并且省时省力，因此本次仿真选择四面体网格进行划分。总变形云图由图可知，太阳能板及支撑架后端因下方车架变形后，车架后部方管产生了旋转和位移，带动且放大了太阳能板及支撑架的实际变形，不具有实际意义。所以，具有实际意义的车身形变是车架下部三角结构的形变，即0.93~0.78mm之间，该形变相对于整车的影响可以忽略不计。最大等效应力为92.9MPa，位于驱动轮支架处。这是由于车架下部三角结构承受的载荷通过驱动轮臂传导到了驱动轮支架，细长的驱动轮臂使驱动轮支架受到的力被放大了。该数值远小于304不锈钢的屈服强度205MPa，因此该处应力可以接受。3.6实车实验市面上常见的零件通过截断和部分打磨之后就可以通过焊接固定或者螺栓连接在一起［7］。其中，转向柱与转向万向节设计加工成了螺栓固定［8］，便于后期调整方向盘的位置。

图8实车路试态状长(mm)宽(mm)高(mm)整备质量(kg)最高时速(km/h)加速时间(s)展21140153.9开147396317收231起26340325测试过程中，车辆的最高速度是15km/h，由静止状态起步，以最大的加速强度达到最高速度的时间是3.9s。车辆路试过程中未出现结构变形和电驱动系统故障，光伏发电组件工作正常，各个折叠机构工作正常，本车设计方案可行。4结论本文设计开发了一款单人可折叠式太阳能电动车，主要在车辆的电驱动系统选配，结构设计分析及整车装配加工制造三个方面进行了分析与研究：首先，对电动车与光伏发电系统进行了研究。其次，设计了多个全新的变形折叠机构，模拟了所有机构的变形状态并论证了各折叠机构的可行性。用ANSYS对整车结构进行了有限元分析，证明了结构设计的合理性。最后，开发制作了实车并进行了道路测试验证了电驱动系统选型和机械结构设计的正确性。本车的创新及特点在于：（1） 通过光伏组件进行充电，节能减排。（2） 通过驱动轮臂折叠、三角支架折叠等的设计，减少占用空间。（3） 折叠式保险杠的设计既起到示廓作用又不占用空间。参考文献［1］ 能环宝.十四五规划建议：新能源规划要点［EB/OL］.2020.［2］ 朱姗姗.电动车用无刷直流电机低速特性的研究［D］.河北:河北科技大学，2017.［3］ 李玺.智能太阳能电动自行车充电控制器的研究［D］.上海:东华大学，2017.［4］ 冀千瑜.固定太阳能电板转换效率的研究［J］.农村经济与科技，2016,27（18）:258,275.［5］ 陈佩胡.基于CATIA的电动自行车优化设计与制造［D］.江苏:江南大学,2008.［6］ 邵永松，刘洪波，寇俊同.截面方钢管支撑的弹塑性稳定性研究［J］.工程力学,2014,31（z1）［7］ 赵鹏.二氧化碳气体保护焊两面成型工艺分析［J］.机械管理开发,2021.［8］ 黄景明.人性化设计在自行车设计中的应用研究［D］.湖北工业大学，2011.［基金项目］山东省高等学校科技计划项目（J15LB54）；山东交通学院