一种汽车太阳能电动移动车棚的设计及力学分析

谭雅丹

（北京市第四中学，北京 100034）

一种汽车太阳能电动移动车棚的设计及力学分析

谭雅丹

（北京市第四中学，北京 100034）

随着我国城市建设的迅猛发展，家庭汽车保有量也逐渐增加，从节约空间和保护车体的角度来讲，轻型化的移动车棚具有广阔的发展空间。本文首先给出了一种汽车太阳能电动移动车棚的设计方案。该移动车棚能方便汽车的停放、遮阳、挡雨，可有效保护车辆不受极端天气损伤；该车棚还具有太阳能发电功能，能自身存储电能，不会给汽车造成额外的动力损失。进一步地，通过对车棚结构进行力学建模，系统地分析了移动车棚的活动棚盖在伸展和收缩过程中的最大受力状态，为车棚材料的选取提供了理论指导。

太阳能充电；电动移动车棚；结构设计；力学建模与分析

随着我国城市建设的迅猛发展，人民生活水平的不断提高，家庭汽车保有量也逐渐增加，而家庭停车位严重匮乏。从节约空间和保护车体的角度来讲，轻型化的移动车棚备受青睐。

现如今，节能减排的理念深入人心，太阳能作为一种清洁能源被人们所关注。通过将光伏发电与相关结构设备一体化设计，不仅能发电，还可起到隔热、承受荷载、防雨、遮阳的建材型功能，为人们提供源源不断的绿色电力。本文首先给出了一种汽车太阳能电动移动车棚的设计方案。该停车棚能方便汽车的停放、遮阳、挡雨，可有效保护车辆不受极端天气损伤；具有太阳能发电功能，不会给汽车造成额外的动力压力。车棚棚顶的光伏板可采用低铁玻璃覆盖在太阳能电池片上，以确保有更多的光线透过率，产生更多的电能。低铁玻璃经过钢化处理，具有更高的强度，可承受大风、雨雪、冰雹等气候的侵袭，且可适应较强的昼夜温差。该光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器等设备组成。

本文对车棚结构进行力学建模与分析，指出棚体结构设计上所需要考虑的多方面因素，系统地分析了可移动车棚的棚体材料在伸展和收缩过程中的最大受力状态，给出了对结构材料的选取要求：由于车棚伸展面积大，要求棚体结构的自重小、强度高。

1 汽车太阳能电动移动车棚的设计

本小节给出了一种汽车太阳能电动移动车棚的详细设计方案，该移动车棚是一种新型便携遥车棚，亦可称之为小型移动车库。其主要结构特征是能方便的安装在车顶上随车移动。停车后就能通过电动遥控控制其伸展开，因而保护车体免遭烈日、风雪及鸟粪、树胶的侵害。行车时收缩后，亦可以作为轻便的行李架，该移动 车棚的主要安装效果如图1所示。

图1 移动车棚安装效果图

为避免划伤车体，该电动车棚整体可用四个橡胶支腿4作为支撑安放在车顶上，利用锁紧器与车体紧固连接，安装方式类似出租车顶灯的安装，安装和拆卸非常方便；其主要结构设计如图2所示，电动车棚由固定支架5和两个活动支架3组成，在固定支架和活动支架内部安装有镶嵌轴承的滑轮，构成无摩擦的导轨组合结构。

图2 太阳能电动移动车棚结构设计图

在固定支架和活动支架上分别覆盖活动棚盖2和固定棚盖1，其中固定棚盖1是太阳能电池板，无论是行车过程还是停车阶段都可为安装在支架与棚盖中部空间的蓄电池充电。停车过程中，则通过遥控控制电机带动由双排链组成的传动机构6，从而实现车棚的伸展与收缩。车棚四周具有悬挂的帷幔装 置，当支架全部伸展后，形成密闭的空间以保护车体。

在整个设计过程中，需要选取轻质环保的新型材料，尽可能降低棚盖的重量；改进车棚外观造型，降低风阻，提高使用的安全性和可靠性；进一步地，还能在智能化方面进行考虑，以实现手机的实时监测与控制。

2 移动车棚的力学建模与分析

本小节对车棚盖伸展过程进行力学分析，建立了其基本的力学平衡方程，分析了移动车棚的活动棚盖在伸展和收缩过程中的最大受力状态。如图3(a)所示，棚盖伸展后建立如图所示的坐标系，其中x轴方向为汽车横向，y轴方向为汽车首尾连接方向，z轴方向为垂直于车棚盖的方向，即竖直方向。取沿着x轴方向的单位长度进行受力分析，如图3(b)所示，其中b为单位长度，h为移动棚盖板的厚度。图3中F来源于伸展后车四周的帷幔在盖板 端部产生的力，mg则来源于盖板自身的重力，l为活动盖板完全伸展后的长度。

图3

对于矩形截面的梁，在一段固定，受到弯矩M的情况下，其最大受力位置在固定端，且单位面积最大载荷为

考虑到大型轿车的车长能达到5m，因此活动棚盖受力最大的为沿车长方向前后伸展的棚板。设前后端活动棚板的长度均为2m，中部固定棚盖长度为1m，棚盖尽可能的选择质量轻、强度高的材料，对于四周帷幔的选择遵循同样的原则。本小节讨论棚盖材料密度范围为0.5～2.5g/cm3，四周帷幔重力造成的棚盖端部单位长度受力F的取值范围为5～15N/m，所研究的活动棚盖的厚度为2cm。分别讨论活动盖板和帷幔的选择对端部最大载荷影响如下图4所示。对于图4(a)，选取活动棚盖上帷幔单位长度施力最大值15N/m进行分析，得到在本小节所讨论棚盖密度范围值中的棚盖端部单位面积最大载荷均小于2MPa。

同样，当所选棚盖材质密度取为2.0g/cm3时，可得活动棚盖端部单位面积最大载荷随帷幔载荷变化曲线如图4所示。由此讨论可得在选取活动棚盖材料时，其单位面积能承担的最大载荷需要大于本小节所给出的理论值。

图4

3 结语

随着社会的发展，生活水平的不断提升，家庭汽车保有量急剧增加，随之而来的车棚需求量也大幅增涨。为解决固定车棚紧张问题及给汽车提供良好的安全防护，本文首先给出了一种汽车太阳能电动移动车棚的设计方案，详细地介绍了移动车棚的结构设计特点，该移动车棚方便快捷，直接置于车顶，方便汽车的遮阳、挡雨，可有效保护车辆不受极端天气损伤。本文对移动车棚的活动棚盖进行了力学建模与分析，给出了活动棚盖端部单位面积最大受力的影响因素，系统地讨论了最大受力值随相关因素的变化关系，为移动车棚材料的选择提供了理论支持。

[1]买发军，等.新型太阳能光伏车棚的研究及应用[J].太阳能，2013(22):52～54.

[2]王明志，等.太阳能车棚设计[J].山东工业技术，2015(10):58.

[3]范钦珊，等.材料力学.高等教育出版社，2005.7.

U469

A

1671-0711（2016）11（下）-0080-02