一种小型气动汽车的设计和计算获奖科研报告

一种小型气动汽车的设计和计算获奖科研报告

摘

要：针对目前汽车行驶排放污染环境问题，设计了一种以压缩空气为动力源的气动小车，首先对气动小车进行了整体设计，包括行驶系统、制动系统、供气系统、转向系统，然后计算了小车所需行驶驱动力，并对气動马达和气源进行了匹配，结果显示满足条件。

关键词：气动汽车;功率;方案设计

1.引言

我国汽车保有量一直呈增长趋势，尤其是改革开放以后几乎呈现指数增长，但进入二十一世纪后，随着人们保护环境意识的觉醒和全球能源危机的出现，汽车行业的快速发展便开始饱受诟病[1]。现在新能源汽车主要有这几大类：压缩空气动力汽车、电动汽车、混合能源动力汽车等，其中压缩空气动力汽车，它以压缩空气为动力源，将压力能转换为机械能。由于空气动力汽车在能量转换的过程中无矿物燃烧碳排量为0，且噪声小、无热辐射，是真正意义上的绿色，无污染的汽车。因此它具有其他新能源汽车无可比拟的广阔发展前景。

本文所述便是气动小车：该小车主要为行驶系统、制动系统、供气系统和转向系统组成，行驶系统主要是实现小车的直线行驶;制动系统主要实现小车的减速控制;供气系统主要实现进气量的精确控制;转向系统主要实现小车的方向控制。

2.国内外研究现状

20世纪末一位法国的设计师创办了气动汽车公司并实现了商业化。印度的汽车制造商推出了一款压缩空气动力汽车，整个车身由高强度的重量轻的玻璃纤维制成，全车总重仅275kg，可载三人，最高时速为70km/h，加满一次空气只需2分钟，满状态续航达到200km。

我国对气动汽车项目的研究并不算太早，但发展速度却很快。浙江大学在1999年开始对压缩空气动力汽车进行研究。除了浙江大学，我国其他高校也对气动汽车进行了深入的研究，例如合肥工业大学对柴油改气动汽车进行了一些建模和仿真分析了各参数对气动机动力性和经济性的影响。北京工业大学则提出了采用喷射器代替节流阀的新型气动汽车的减压系统。吉利也提出了气动汽车的概念，其特点是将存放在车身后的气罐中的气体直接通过管道输送到车轮从而驱动车子。

综上所述，气动汽车的广泛研究，且具有高安全、低排量、高时效、低成本等优点，使之成为未来汽车发展的方向之一。本文着重气动小车的总体设计与计算。

3.气动车的总体设计

小车采用一个气动马达作为驱动的动力源，考虑到小车的行驶平稳性，驾驶人员的舒适感体验以及气动马达的动力性，行驶系统采用中置后驱的方案，转向系统则将汽车的转向系统进行简化直接使用方向盘无助力转向以达到减轻整车重量的目地。

根据小车的总体驱动方案和各零件的尺寸以及整车控制需要，同时考虑到整车的平稳性和操控性，本文采用的设计如图1所示：

图1

气动小车总布置图

根据最高车速来确定功率：

（1）

小车预设最高车速umax=18km/h，查表得滚子链传动效率为ηt=0.96，整车质量m=100kg;重力加速度g取9.8kg/s2，查表可知在速度不超过48km/h的情况下路面摩擦系数f=0.6，空阻系数CD=0.4，由几何知识可知小车的迎风面积为A=6。由公式1可确定气动机功率为Pm1=3.254kw。

根据加速性能确定功率：（2）

其中，，最高车速预设为umax=18km/h，由公式2可得气动机功率为Pm2=4.3790kw。

计算气动机的最高转速：

（3）

小车预设传动比为i=1.5，小车后轮半径为r=0.125m，由公式3可知气动机的最高转速为nmax=641r/min

求气动机的额定转速：

（4）

其中过载系数β=2，由公式4可得气动机的额定转速是ne=320r/min

求气动机最大转矩：

（5）

由上可知m=100kg，f=0.6，δ=1.08，后轮半径r=0.125m，加速度为α=2m/s2

滚子链的传动效率ηt=0.96，传动比i=1.5，根据公式5可得Tmax≥157.0313Nm.

传动比上限：

（6）

由上可知气动机的最高转速nmax=641r/min，由公式6可计算传动比上限为i≤1.6782。

传动比下限：

（7）

由上可知小车最高车速umax=18km/h，滚子链传动效率ηt=0.96，整车质量m=100kg;重力加速度g取9.8kg/s2，摩擦系数f=0.6，空阻系数CD=0.4，小车后轮半径r=0.125m，气动机的最大转矩Tmax=157.0313Nm，小车的迎风面积为A=6，由公式7可计算小车的传动比下限i≥0.5180

传动比下限：

（8）

同理，由公式8可计算小车最高加速性能下的传动比下限i≥0.6972

4.总结

就目前来看气动汽车是未来汽车的重要发展方向。大力发展气动汽车不仅可以减少石油、天然气等化石燃料的的消耗，还可以大大减少碳氧化合物、氮氧化合物等其他对人体