太阳能驱动小车的设计

太阳能驱动小车的设计

作者：刘菲 杨洁 万轩臣 刘念 来源：《科技传播》2011年第21期

摘要 本文设计了一种太阳能驱动小车，给出了模拟太阳能驱动小车的整体结构及其设计方案，并对相关的设计方案进行了数据计算与分析，同时相应的方案设计中配有相关的图形。最后还模拟实车试制了太阳能驱动小车，根据实验测试结果，证明了理论研究的正确性，同时说明太阳能作为驱动能源是可行的。 关键词 太阳能；电动车；驱动

中图分类号U484 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）54-0190-02 0 引言

随着所需资源数量的不断增长，能源的开发和利用已成为国家发展重点，尤其是太阳能电动机的开发与利用，很多科研单位已经在研究了。如全国举行的湖北省第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛，就是关于“无碳小车”的研究，其中就有“太阳能驱动的具有方向控制功能的自行小车”，其中要求小车以太阳能电池板为动力源，驱动前后轮转动，使前轮实现自动转向，再前行的过程中自动避开放置的障碍物。但是，太阳能驱动小车的研究还存在很多问题：如太阳能能量转化效率的提高、小车能量损耗的减少、电机和传动装置的优化。 1 太阳能驱动小车的工作原理

以下就是以“太阳能驱动的具有方向控制功能的自行小车”为主题的研究。小车利用太阳能电池板将太阳能转化为电能作为动力，驱动电动机，带动车轮运转。当太阳光照射太阳能电池板时（一般会需要驱动电路进行光能与电能之间的调节），会产生一定的能量，能量驱动电动机，通过传动装置，带动前后轮的转动。

小车要求以给定的太阳能电池板为动力源，要求小车上面要装载一件外形尺寸为￠60×20mm、质量不小于400g的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，且在小车行走过程中，载荷不允许掉落。小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），转向轮最大外径应不小于￠30mm。最终达到小车的自动转向，即可以自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1m，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。 2 方案的设计 2.1 动力设计

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关于动力的设计，我们选择的是太阳能电池板。该太阳能电池板（型号是MBF10）是已经选定的，它是由高效晶体硅电池片串并联，用高透光超白布纹钢化玻璃，抗老化EVA和优良耐火性TPT热压密封而成，外加阳极化优质铝合金边框，具有效率高，寿命长，安装方便，抗风，抗冰雹能力强等特性。

太阳能电池板是利用光电效应将太阳辐射能转换成电能作为装置的动力源。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。 2.2 传动装置设计

在传动装置中，由于小车行驶的速度比较慢，我们采取了皮带传动（皮带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉、不需要润滑以及缓冲、吸震、易维护等优点；同时，也考虑了该小车的试制情况）。首先，动力通过电动机进行输出，用皮带将电动机和后轮连接起来，从而带动后轮的转动；其次，利用皮带传动将产生的动力传送到前轮，给小车前轮提供动力，带动小车行驶。

2.3 转向装置设计

在转向装置中，我们考虑了两种主要的机构：对心曲柄摇块机构和摇杆机构（如图1所示）。

曲柄摇块机构结构简单、无急回运动、可以实现将转动变为往复摇动，进而实现前轮的转向，但是该机构占有空间大，且要求耐磨性能、平面度等较高 。

图1 摇杆机构

摇杆机构结构简单、占有空间小、摇杆的摆动实现小车的转向，周期上能实现固定的转动周期，但会出现急回运动。与曲柄摇杆机构相比，摇杆机构在小车的试制中，可以更好的进行转角的调整。因此，最终转向部分选择摇杆机构。

该机构在调试（通过调试摇杆机构中A处曲柄的长短来控制要摇杆的摆角，从而改变前轮的转角）中起到很重要的作用，但是我们在设计的时候需要控制它的急回运动，尽量使其转向实现最佳效果。能通过调整杆的固定位置控制小车转向角来调节小车的运动曲线。 1）驱动杆设计在能实现其转动带动摆杆的前提下，要求其尽量短小，所以我们采用偏心轮代替杆结构能使其受力稳定；

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2）摇杆设计在小车底板允许的范围内设计其长度，要求尽量长轻，使驱动杆能保证较短，且运动阻力小，稳定；

3）转向轮设计是要考虑小车所走曲线过程中的运动角度速度等方面来考虑。 2.4 路线设计

为了使小车在前行的过程中能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1m，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒），我们将小车的行驶路线设计成“S”型的。

小车所走曲线趋近于正弦曲线，其中小车的车宽为电池板宽度，为了能实现小车地顺利转弯，并且不撞在障碍物上面，我们将障碍物离我们曲线最大距离为250mm所走路线两个周期为4 560.73mm则L=4560.73mm，小车后轮直径为85mm，即D=85mm；一个周期后轮转动圈数为n：n=（L/2）/Dπ=8.54；因为曲线所走路程不规律，会出现偏差，我们控制其角度来调整路线的实际距离，所以我们设计的传动比要偏小一点，我们选择n=9；后轮比上前轮的传动比i为i=1/n=1/8.

路线方程近似为S=0.25cos(πt )则最大偏角arctanx≤S′≤ 45 ° 在这里我们选择30 °作为最大偏角。 3 太阳能驱动小车试验

通过对太阳能驱动小车的试制和实验，模拟太阳能电动车的工作情况，进行了一系列的能量系统的工作模式。该小车的工作环境：小车位于室外，放置在地面比较光滑的地面，小车上放一件外形尺寸为￠60×20mm、质量为425g的实心圆柱型钢制载荷，且在小车行驶路线上将间隔1m的5个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒摆在一条直线上，太阳辐射光比较强，试验结果：

小车运动路线 小车行驶时间t（s） 小车绕障碍物的个数 行驶路程s（m） 近似“S”型 20 3 6 4 结论

设计研制的太阳能驱动小车，通过对小车的试验结果分析，证明了理论研究的正确性。试验结果表明，太阳能作为驱动能源是可行的。太阳能驱动小车实现了太阳能电动车的初步设计，显示了太阳能电动车的可行性，对太阳能电步开发有重要的指导意义，预示着其在各个领

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域的广大发展。目前，太阳能电动车作为新的事物正在不断地贴近人们的生活，绿色交通工具不再是一个理念和节能意识问题，已可发展成事物化的现象。 参考文献

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