一種汽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚的設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

譚雅丹

（北京市第四中學(xué)，北京 100034）

一種汽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚的設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

譚雅丹

（北京市第四中學(xué)，北京 100034）

隨著我國(guó)城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，家庭汽車(chē)保有量也逐漸增加，從節(jié)約空間和保護(hù)車(chē)體的角度來(lái)講，輕型化的移動(dòng)車(chē)棚具有廣闊的發(fā)展空間。本文首先給出了一種汽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚的設(shè)計(jì)方案。該移動(dòng)車(chē)棚能方便汽車(chē)的停放、遮陽(yáng)、擋雨，可有效保護(hù)車(chē)輛不受極端天氣損傷；該車(chē)棚還具有太陽(yáng)能發(fā)電功能，能自身存儲(chǔ)電能，不會(huì)給汽車(chē)造成額外的動(dòng)力損失。進(jìn)一步地，通過(guò)對(duì)車(chē)棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模，系統(tǒng)地分析了移動(dòng)車(chē)棚的活動(dòng)棚蓋在伸展和收縮過(guò)程中的最大受力狀態(tài)，為車(chē)棚材料的選取提供了理論指導(dǎo)。

太陽(yáng)能充電；電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；力學(xué)建模與分析

隨著我國(guó)城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，家庭汽車(chē)保有量也逐漸增加，而家庭停車(chē)位嚴(yán)重匱乏。從節(jié)約空間和保護(hù)車(chē)體的角度來(lái)講，輕型化的移動(dòng)車(chē)棚備受青睞。

現(xiàn)如今，節(jié)能減排的理念深入人心，太陽(yáng)能作為一種清潔能源被人們所關(guān)注。通過(guò)將光伏發(fā)電與相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，不僅能發(fā)電，還可起到隔熱、承受荷載、防雨、遮陽(yáng)的建材型功能，為人們提供源源不斷的綠色電力。本文首先給出了一種汽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚的設(shè)計(jì)方案。該停車(chē)棚能方便汽車(chē)的停放、遮陽(yáng)、擋雨，可有效保護(hù)車(chē)輛不受極端天氣損傷；具有太陽(yáng)能發(fā)電功能，不會(huì)給汽車(chē)造成額外的動(dòng)力壓力。車(chē)棚棚頂?shù)墓夥蹇刹捎玫丸F玻璃覆蓋在太陽(yáng)能電池片上，以確保有更多的光線透過(guò)率，產(chǎn)生更多的電能。低鐵玻璃經(jīng)過(guò)鋼化處理，具有更高的強(qiáng)度，可承受大風(fēng)、雨雪、冰雹等氣候的侵襲，且可適應(yīng)較強(qiáng)的晝夜溫差。該光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器等設(shè)備組成。

本文對(duì)車(chē)棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模與分析，指出棚體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上所需要考慮的多方面因素，系統(tǒng)地分析了可移動(dòng)車(chē)棚的棚體材料在伸展和收縮過(guò)程中的最大受力狀態(tài)，給出了對(duì)結(jié)構(gòu)材料的選取要求：由于車(chē)棚伸展面積大，要求棚體結(jié)構(gòu)的自重小、強(qiáng)度高。

1 汽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚的設(shè)計(jì)

本小節(jié)給出了一種汽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，該移動(dòng)車(chē)棚是一種新型便攜遙車(chē)棚，亦可稱(chēng)之為小型移動(dòng)車(chē)庫(kù)。其主要結(jié)構(gòu)特征是能方便的安裝在車(chē)頂上隨車(chē)移動(dòng)。停車(chē)后就能通過(guò)電動(dòng)遙控控制其伸展開(kāi)，因而保護(hù)車(chē)體免遭烈日、風(fēng)雪及鳥(niǎo)糞、樹(shù)膠的侵害。行車(chē)時(shí)收縮后，亦可以作為輕便的行李架，該移動(dòng) 車(chē)棚的主要安裝效果如圖1所示。

圖1 移動(dòng)車(chē)棚安裝效果圖

為避免劃傷車(chē)體，該電動(dòng)車(chē)棚整體可用四個(gè)橡膠支腿4作為支撐安放在車(chē)頂上，利用鎖緊器與車(chē)體緊固連接，安裝方式類(lèi)似出租車(chē)頂燈的安裝，安裝和拆卸非常方便；其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，電動(dòng)車(chē)棚由固定支架5和兩個(gè)活動(dòng)支架3組成，在固定支架和活動(dòng)支架內(nèi)部安裝有鑲嵌軸承的滑輪，構(gòu)成無(wú)摩擦的導(dǎo)軌組合結(jié)構(gòu)。

圖2 太陽(yáng)能電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

在固定支架和活動(dòng)支架上分別覆蓋活動(dòng)棚蓋2和固定棚蓋1，其中固定棚蓋1是太陽(yáng)能電池板，無(wú)論是行車(chē)過(guò)程還是停車(chē)階段都可為安裝在支架與棚蓋中部空間的蓄電池充電。停車(chē)過(guò)程中，則通過(guò)遙控控制電機(jī)帶動(dòng)由雙排鏈組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)6，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)棚的伸展與收縮。車(chē)棚四周具有懸掛的帷幔裝 置，當(dāng)支架全部伸展后，形成密閉的空間以保護(hù)車(chē)體。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要選取輕質(zhì)環(huán)保的新型材料，盡可能降低棚蓋的重量；改進(jìn)車(chē)棚外觀造型，降低風(fēng)阻，提高使用的安全性和可靠性；進(jìn)一步地，還能在智能化方面進(jìn)行考慮，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

2 移動(dòng)車(chē)棚的力學(xué)建模與分析

本小節(jié)對(duì)車(chē)棚蓋伸展過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析，建立了其基本的力學(xué)平衡方程，分析了移動(dòng)車(chē)棚的活動(dòng)棚蓋在伸展和收縮過(guò)程中的最大受力狀態(tài)。如圖3(a)所示，棚蓋伸展后建立如圖所示的坐標(biāo)系，其中x軸方向?yàn)槠?chē)橫向，y軸方向?yàn)槠?chē)首尾連接方向，z軸方向?yàn)榇怪庇谲?chē)棚蓋的方向，即豎直方向。取沿著x軸方向的單位長(zhǎng)度進(jìn)行受力分析，如圖3(b)所示，其中b為單位長(zhǎng)度，h為移動(dòng)棚蓋板的厚度。圖3中F來(lái)源于伸展后車(chē)四周的帷幔在蓋板 端部產(chǎn)生的力，mg則來(lái)源于蓋板自身的重力，l為活動(dòng)蓋板完全伸展后的長(zhǎng)度。

圖3

對(duì)于矩形截面的梁，在一段固定，受到彎矩M的情況下，其最大受力位置在固定端，且單位面積最大載荷為

考慮到大型轎車(chē)的車(chē)長(zhǎng)能達(dá)到5m，因此活動(dòng)棚蓋受力最大的為沿車(chē)長(zhǎng)方向前后伸展的棚板。設(shè)前后端活動(dòng)棚板的長(zhǎng)度均為2m，中部固定棚蓋長(zhǎng)度為1m，棚蓋盡可能的選擇質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的材料，對(duì)于四周帷幔的選擇遵循同樣的原則。本小節(jié)討論棚蓋材料密度范圍為0.5～2.5g/cm3，四周帷幔重力造成的棚蓋端部單位長(zhǎng)度受力F的取值范圍為5～15N/m，所研究的活動(dòng)棚蓋的厚度為2cm。分別討論活動(dòng)蓋板和帷幔的選擇對(duì)端部最大載荷影響如下圖4所示。對(duì)于圖4(a)，選取活動(dòng)棚蓋上帷幔單位長(zhǎng)度施力最大值15N/m進(jìn)行分析，得到在本小節(jié)所討論棚蓋密度范圍值中的棚蓋端部單位面積最大載荷均小于2MPa。

同樣，當(dāng)所選棚蓋材質(zhì)密度取為2.0g/cm3時(shí)，可得活動(dòng)棚蓋端部單位面積最大載荷隨帷幔載荷變化曲線如圖4所示。由此討論可得在選取活動(dòng)棚蓋材料時(shí)，其單位面積能承擔(dān)的最大載荷需要大于本小節(jié)所給出的理論值。

圖4

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，生活水平的不斷提升，家庭汽車(chē)保有量急劇增加，隨之而來(lái)的車(chē)棚需求量也大幅增漲。為解決固定車(chē)棚緊張問(wèn)題及給汽車(chē)提供良好的安全防護(hù)，本文首先給出了一種汽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)移動(dòng)車(chē)棚的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)地介紹了移動(dòng)車(chē)棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，該移動(dòng)車(chē)棚方便快捷，直接置于車(chē)頂，方便汽車(chē)的遮陽(yáng)、擋雨，可有效保護(hù)車(chē)輛不受極端天氣損傷。本文對(duì)移動(dòng)車(chē)棚的活動(dòng)棚蓋進(jìn)行了力學(xué)建模與分析，給出了活動(dòng)棚蓋端部單位面積最大受力的影響因素，系統(tǒng)地討論了最大受力值隨相關(guān)因素的變化關(guān)系，為移動(dòng)車(chē)棚材料的選擇提供了理論支持。

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[3]范欽珊，等.材料力學(xué).高等教育出版社，2005.7.

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1671-0711（2016）11（下）-0080-02