一種小型氣動汽車的設計和計算

李嵐琦　李國慶　劉騰遠　趙建成　盧愛愿　趙宏旺

摘? 要：針對目前汽車行駛排放污染環境問題，設計了一種以壓縮空氣為動力源的氣動小車，首先對氣動小車進行了整體設計，包括行駛系統、制動系統、供氣系統、轉向系統，然后計算了小車所需行駛驅動力，并對氣動馬達和氣源進行了匹配，結果顯示滿足條件。

關鍵詞：氣動汽車;功率;方案設計

1.引言

我國汽車保有量一直呈增長趨勢，尤其是改革開放以后幾乎呈現指數增長，但進入二十一世紀后，隨著人們保護環境意識的覺醒和全球能源危機的出現，汽車行業的快速發展便開始飽受詬病[1]。現在新能源汽車主要有這幾大類：壓縮空氣動力汽車、電動汽車、混合能源動力汽車等，其中壓縮空氣動力汽車，它以壓縮空氣為動力源，將壓力能轉換為機械能。由于空氣動力汽車在能量轉換的過程中無礦物燃燒碳排量為0，且噪聲小、無熱輻射，是真正意義上的綠色，無污染的汽車。因此它具有其他新能源汽車無可比擬的廣闊發展前景。

本文所述便是氣動小車：該小車主要為行駛系統、制動系統、供氣系統和轉向系統組成，行駛系統主要是實現小車的直線行駛;制動系統主要實現小車的減速控制;供氣系統主要實現進氣量的精確控制;轉向系統主要實現小車的方向控制。

2.國內外研究現狀

20世紀末一位法國的設計師創辦了氣動汽車公司并實現了商業化。印度的汽車制造商推出了一款壓縮空氣動力汽車，整個車身由高強度的重量輕的玻璃纖維制成，全車總重僅275kg，可載三人，最高時速為70km/h，加滿一次空氣只需2分鐘，滿狀態續航達到200km。

我國對氣動汽車項目的研究并不算太早，但發展速度卻很快。浙江大學在1999年開始對壓縮空氣動力汽車進行研究。除了浙江大學，我國其他高校也對氣動汽車進行了深入的研究，例如合肥工業大學對柴油改氣動汽車進行了一些建模和仿真分析了各參數對氣動機動力性和經濟性的影響。北京工業大學則提出了采用噴射器代替節流閥的新型氣動汽車的減壓系統。吉利也提出了氣動汽車的概念，其特點是將存放在車身后的氣罐中的氣體直接通過管道輸送到車輪從而驅動車子。

綜上所述，氣動汽車的廣泛研究，且具有高安全、低排量、高時效、低成本等優點，使之成為未來汽車發展的方向之一。本文著重氣動小車的總體設計與計算。

3.氣動車的總體設計

小車采用一個氣動馬達作為驅動的動力源，考慮到小車的行駛平穩性，駕駛人員的舒適感體驗以及氣動馬達的動力性，行駛系統采用中置后驅的方案，轉向系統則將汽車的轉向系統進行簡化直接使用方向盤無助力轉向以達到減輕整車重量的目地。

根據小車的總體驅動方案和各零件的尺寸以及整車控制需要，同時考慮到整車的平穩性和操控性，本文采用的設計如圖1所示：

圖1? 氣動小車總布置圖

根據最高車速來確定功率：? ? ?（1）

小車預設最高車速umax=18km/h，查表得滾子鏈傳動效率為ηt=0.96，整車質量m=100kg;重力加速度g取9.8kg/s2，查表可知在速度不超過48km/h的情況下路面摩擦系數f=0.6，空阻系數CD=0.4，由幾何知識可知小車的迎風面積為A=6。由公式1可確定氣動機功率為Pm1=3.254kw。

根據加速性能確定功率： （2）

其中，，最高車速預設為umax=18km/h，由公式2可得氣動機功率為Pm2=4.3790kw。

計算氣動機的最高轉速：? ? ? ? ? ? ? （3）

小車預設傳動比為i=1.5，小車后輪半徑為r=0.125m，由公式3可知氣動機的最高轉速為nmax=641r/min

求氣動機的額定轉速：? ? ? ? ? ? ? ?（4）

其中過載系數β=2，由公式4可得氣動機的額定轉速是ne=320r/min

求氣動機最大轉矩：? ? ? ? ? ?（5）

由上可知m=100kg，f=0.6，δ=1.08，后輪半徑r=0.125m，加速度為α=2m/s2

滾子鏈的傳動效率ηt=0.96，傳動比i=1.5，根據公式5可得Tmax≥157.0313Nm.

傳動比上限：? ? ? ? ? ? ? ?（6）

由上可知氣動機的最高轉速nmax=641r/min，由公式6可計算傳動比上限為i≤1.6782。

傳動比下限：

（7）

由上可知小車最高車速umax=18km/h，滾子鏈傳動效率ηt=0.96，整車質量m=100kg;重力加速度g取9.8kg/s2，摩擦系數f=0.6，空阻系數CD=0.4，小車后輪半徑r=0.125m，氣動機的最大轉矩Tmax=157.0313Nm，小車的迎風面積為A=6，由公式7可計算小車的傳動比下限i≥0.5180

傳動比下限：? ? ? ? ? ?（8）

同理，由公式8可計算小車最高加速性能下的傳動比下限i≥0.6972

4.總結

就目前來看氣動汽車是未來汽車的重要發展方向。大力發展氣動汽車不僅可以減少石油、天然氣等化石燃料的的消耗，還可以大大減少碳氧化合物、氮氧化合物等其他對人體有害污染物的排放，降低對環境的污染，并有利于提高我國汽車行業的生產研發水平，實現彎道超車的目的，增強我國在全世界范圍內的產品競爭力。且氣動汽車且具有高安全、低排量、高時效、低成本等優點，使之成為未來汽車發展的方向之一。

參考文獻

[1]? 車用氣動發動機進氣機構的研究[D]. 武漢理工大學，2017.

[2]? 付向恒，蔡茂林. 基于氣液轉換器的氣動汽車動力系統能效優化[J]. 液壓與氣動，2018（4）：109-114.

基金項目：本文系桂林航天工業學院2019年大學生創新創業訓練計劃項目（空氣動力車）

作者簡介：李嵐琦（1999.2-），男，漢，湖南邵陽人，桂林航天工業學院汽車與交通工程學院在讀本科生，主要研究方向：車輛工程。