毕业设计（论文）-空气压缩动力汽车结构设计.doc

山东大学毕业设计论文 摘要 本文主要针对压缩空气动力这一绿色环保的新型能源进行应用性的探究，将空气压缩动力应用于小型汽车，对于压缩空气动力汽车在国内外的发展现状及其现实意义以及设计过程中所使用的各种软件工具和方法进行了相应介绍，对压缩空气动力汽车的原理及其功能进行了说明。最后，本文对于整个车体结构的设计过程进行了详细的阐述并利用Solidworks三维设计软件建立了三维立体模型以使其更加的直观、明了，同时根据三维模型导出了二维平面图。最后，本文对于空气压缩动力的未来进行了展望并对其进一步的发展给出了合理的建议。关键词 空气压缩动力，结构设计，绿色环保，三维模型， triz创新理论 AbstractIn this paper, the compressed-air power ,which is a kind of new green energy will be used for design of application,the compressed-air power will be applied to small compressed-air cars. The development status of compressed-air vehicles at home and abroad ,its practical significance and the various softwares,tools and methods of design will be introduced, the principle of the compressed-air vehicles and its functions are also illustrated, at the end of the paper, the structure of car body of the design process has been carried on the detailed elaboration and three-dimensional model is established by Solidworks the 3d design software, to make it more intuitive and clear. At the same time,the two-dimension drawings can be get from three-dimensional model.This paper prospected for the future of compressed-air power and give reasonable suggestions to its further development.keywords compressed-air power;physical design;green; three-dimension design;triz innovation theory III11 第1章 前言近几十年来随着各主要发展中国家的群体崛起以及全球经济的进一步发展，世界各国各地区对于能源的需求也随之剧增，石油价格在过去的几十年间翻了几番并由此引发了数次石油危机。除面对化石能源加速耗竭这一客观现实之外，化石燃料燃烧所排放的温室气体更使得温室效应进一步加剧，由温室效应所引发的气候异常现象及各种自然灾害（海啸、地震、飓风）严重地威胁到人类的生命及其财产安全。面对日趋紧迫的能源和环境双重问题，人类开始了对新型能源的探索，人们渴望寻找到一种能源效率既高而又环境友好的能源。太阳能、潮汐能、水能、核能等新型能源相继出现并得到了人们的广泛重视，这类能源的出现无疑为人类社会的可持续发展指明了方向。我国对于上述能源均有一个较深入的研究，水力能、核能、地热能、太阳能、风能、生物能在我国的能源结构中均占有一定的比重。但是上述新型能源的应用均受到地理环境的限制，比如水电站需要建设在水资源比较丰富的地区，太阳能电站需要建设在全年日照比较充裕的地区而风电厂则需建设在具有能量丰富、风向稳定风能资源的地区。此外，核电站运行所产生的核废料加剧了公众对于放射性污染的担忧。空气压缩能（按转换传递过程分类属于二次能源）作为新型能源的一种，在提供能量的整个过程中其使用和排出的均为空气或氮气，属于完全的环境友好型能源。这一特性已经引起了世界各国的广泛关注，许多公司尤以发达国家的相关企业争相投入到空气动力汽车的研发与推广之中以抢先占领市场，但总的来讲其在国际上的研究尚处于起步阶段，我国对其的研究及应用则更少了且大多数研究仅停留于定性分析方面而缺乏进一步的定量分析。1.1空气动力汽车国内外研究现状 目前国际上进行空气动力汽车相关研究的主要是三个国家。最广为人知的是由法国MDI公司推出的一款空气压缩动力汽车，一罐300升、300个大气压的压缩空气可以支持汽车行驶300公里以上，最高时速可达100公里每小时。其次，是由美国华盛顿大学的一个科研小组所研制的一种利用液氮提供动力的无污染汽车。这种汽车可以贮存超低温液氮，液氮通过耐压管道输送到发动机中，迅速汽化成气体，体积急剧膨胀，推动活塞驱动汽车行驶。最后，来自澳大利亚的Engineair公司更是依靠压缩空气动力发动机开发研制了一系列车型。 图1-1 法国MDI公司开发的AIRPod压缩空气动力汽车 AIRPod即是由上述的法国MDI公司研发的一款三人三轮空气压缩动力汽车，它采用玻璃纤维等重量轻但又具有一定强度的材料制作，全重仅220kg。AIRPod采用了类似摩托车的操控方式，使用一根手控操作杆进行相关控制，最高时速可达70公里每小时，其动力来自于一个容量为175kg、压强为350巴左右的空气罐子(注：巴，气压单位，一般家用轿车轮胎的气压在23巴左右)。根据MDI公司的测算，如果采用充气站的方式，全部充满这个气罐大概需要1.1欧元，但这已足够让AIRPod行驶约220公里，而且对该车来说，可以称的上是真正意义的零污染零排放。当然，AIRPod目前仍面临着许多困难，如噪音问题，无论是对于空气马达亦或是压缩空气发动机，由于压力脉动等因素压缩空气在膨胀做功时均会发出较大的噪音，人机环境系统相对传统的燃油汽车较差；再比如压缩空气罐的安全问题。压缩空气罐的工作压力为350巴，这相当于346个大气压（1个大气压约为1.01兆帕）。另一方面，为了让空气压缩动力汽车在有限的动力下提高行驶里程，车身的轻量化成为必然选择，然而当车身发生碰撞时，质量大的物体受到损害的程度一般来说较质量小的物体受到损害的程度要小。这两方面的问题都对空气压缩动力汽车的安全性提出了严峻的挑战。此外，还有与空气动力汽车相匹配的配套设施充气站的建设问题，这意味着前期的建设不仅需要政府部门的支持与协调，也意味着较大资金额的投入。国内方面，在空气动力研究走在最前沿的是浙江大学流体传动与控制国家重点实验室气动实验室的研究者们，国内有关空气动力理论及应用方面的文献基本上都来自于该实验室。1.2空气动力汽车的研究意义 1、 绿色环保零污染。传统的燃油动力汽车会在行驶过程中向空气中排放硫、氮化物等有毒物质以及二氧化碳之类的温室气体并带来光化学烟雾等问题，不仅破坏环境而且威胁人类健康；电池动力汽车虽然在一定种程度上较传统的燃油汽车更加环保、安全，但是车载蓄电池所产生的酸性废液如若处理不当则会对土壤造成破坏，引起严重的环境问题。与此相对，由于在整个行驶过程中，空气动力汽车使用及排放的均为空气或氮气，因此不会带来上述问题。2、结构简单、成本低。因为气动发动机可以实现无级变速，又可以实现带载起动并且在做功时会吸热，所以不必安装变速箱、散热器、传动轴等装置。又因气动发动机可以实现正反转，所以不需要倒档。车身的重量因此可减轻75%左右，使得车身轻薄。这样以来空气发动机技术使得车身机构得以改进，因此其成本得到了很大程度的降低。空气发动机与传统的内燃机相比，一个工作循环只有进气和排气做功两个过程而少了压缩及燃烧两个过程，因此对于发动机缸体材料的耐压及耐高温性能之要求都有所降低，空气动力汽车的成本也因此得以降低。3、使用方便。在加气站等相关配套的基础设施完善的情况下，空气动力汽车的使用相当方便。比起电动汽车，其加气时间显著缩短，为用户节省了更多的时间。4、节约能源。在人类对于能源需求日益高涨而其供给日益短缺的今天，空气动力汽车的出现无疑为人类解决能源问题及环境问题打开了一扇窗。1.3 本章小结 本章主要对压缩空气动力汽车的国内外研究现状以及空气动力汽车的研究意义做了一个简要的介绍。加深了对空气动力汽车这一概念的感性认识，以利于在接下来的章节对其有一个更详细的理解。 第2章 设计工具使用介绍在该空气小车设计中主要使用了Solidworks三维设计软件、triz创新理论以及CAD二维设计软件，接下来将对这三种工具作以简单介绍。2.1 SolidworksSolidworks是由SolidWorks公司研发的一款也是世界上第一款基于Windows开发的三维CAD系统。SolidWorks公司由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，于1993年成立，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡内。 Solidworks软件功能非常强大，工具库、组件繁多。Solidworks的强大功能、易学易用性及技术革新是其三大主要特点。其中，易学易用性是选择Solidworks作为本次设计主要工具的一个重要原因。Solidworks形象生动的图形界面对于初学者操作起来相当方便。 比起诸如PROE、UG等其他种类的三维设计软件，只有SolidWorks 提供了一套完整的动态界面及鼠标拖动控制系统。“全动感的”的用户界面减少了设计步骤和多余的对话框，从而避免了界面的零乱。 全新的属性管理员可用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，操作方便、界面直观。 用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。特征模板（零件库）为标准件和标准特征。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，为设计节省了时间。SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维设计或从三维设计转向二维设计。在本次设计中使用的Solidworks版本为2010版，该版本属于较为稳定成熟的版本；易学易用的操作性使得设计过程中耗费的时间大大减少。2.2 Triz创新理论TRIZ的含义是发明问题的解决理论，其拼写是由“发明问题的解决理论” 俄语单词的首字母组成的，欧美国家将其缩写为TIPS。它是由前苏联发明家阿奇舒勒于1946年创立的，它总结出了各种技术发展进化过程中所遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾过程中的创新原理和法则，建立了一个由解决技术，实现创新开发的各种方法和算法所组成的综合理论体系，并综合了多学科领域的原理和法则，建立起了TRIZ创新理论体系。Triz创新理论在前苏联国防工业的发展中扮演了极其重要的角色，前苏联也正是依靠Trzi创新理论研发出了一大批尖端武器，Triz创新理论在20世纪80年代随着一批苏联科学家移居海外而得到广泛的传播，逐渐为世界各国所了解并得到应用。苏联解体后，triz理论仍在世界各国得到了较大的发展并至今仍在继续发展。Triz创新理论所包含的主要内容：1. 创新思维方法与问题分析方法。TRIZ理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如多屏幕法等；而对于复杂问题的分析，则包含了科学的问题分析建模方法物-场分析法，它可以帮助快速确定核心问题，发现根本矛盾之所在。2. 技术系统进化法则针对技术系统进化演变的规律，在分析大量专利的基础上，TRIZ创新理论总结提炼出了八个基本的进化法则。利用这些进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并预测其未来的发展趋势，开发出具有竞争力的新产品。3. 技术矛盾解决原理。不同的发明创造往往遵循着共同的规律。TRIZ理论将这些共同的规律归纳成40个创新原理，针对具体的技术矛盾，可以基于这些创新原理、结合工程实际寻求具体的解决方案。4. 创新问题标准解法。针对具体问题的物-场模型的不同特征，分别对应有标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加等等。5. 发明问题解决算法ARIZ。主要针对问题情境复杂，矛盾及其相关部件不明确的技术系统。它是一个对初始问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程，实现对问题的逐步深入分析，问题的转化直至问题的解决。6. 基于物理、化学、几何学等工程学原理而构建的知识库。基于物理、化学、几何学等领域的数百万项发明专利的分析结果而构建的知识库可以为技术创新提供丰富的方案来源。图2为triz创新理论中常用的矛盾矩阵，根据实际情况又可分为原始矩阵、2003矩阵以及商业/管理系统矩阵。 在本次设计的过程中，笔者选修了辅导教师开设的Triz创新理论及实践的课程，对于Triz创新理论及其方法做了一个既详细而又深入的了解和学习，并利用本校研究生自行开发的Triz应用软件来解决空气压缩动力汽车结构设计中所遇到的相关问题。 图2-1 Triz矛盾矩阵（此表为39*39矩阵，共有39个工程参数，阿奇 舒勒后来又将工程参数从39个扩展至48个得到了48*48的矩阵）2.3 AUTOCAD软件最后，对于二维设计的AUTOCAD软件也有使用。本设计中所用到的二维平面设计图纸是由Solidworks三维设计软件直接导出得来的，使用前必须使用AUTOCAD软件对转化而来的图纸中错误及不合理的地方进行相应地修改。作为当前工程中使用颇为广泛的二维平面设计软件，其操作的便捷性及稳定性都已得到广大在校师生的认可。 2.4本章小结 本章在此对设计中使用的三种工具以及软件进行了详细的介绍，其中Solidwoks和AUTOCAD作为从事机械相关领域工作所掌握的常用软件已经为人所熟知。关于该软件的具体使用信息将在此后的章节中予以介绍。 第3章 空气压缩动力的基本原理空气压缩动力汽车（air powered vehicle简称APV），它使用高压空气作为动力源， 空气或液氮作为介质，在汽车运行时通过动力装置把压缩空气储存的压力能转化为汽车的动能。以液态空气或液氮吸热膨胀做功为动力的汽车也属于此范畴。空气动力汽车的原理与传统汽车基本相同，主要差别在于汽车的动力来源不同，其发动机的结构形式有往复活塞式和气动马达等类型，但目前国内外只能见到往复活塞式的报道，这种发动机的总体结构形式可以借鉴传统的往复活塞式发动机1。 图3-1 压缩空气动力系统 压缩空气动力系统的工作原理见图3-1，储存在储气罐中的高压压缩空气经过压力调节器减压至工作压力，在通过热交换器吸收热量升温后，由配气系统控制并进入做功机进行能量转换，最后将压力能转换成机械能。通过改变进入空气动力发动机的气体压力值，可以控制发动机的动力特性。如前所述，空气压缩动力汽车与传统汽车的结构布局基本一致，只是在动力来源上有较大区别。为了提高能源效率，使能量能够得到更有效更充分地利用，本车在设计过程中特意加入了剩余能量回收系统，当小车在下行过程中时可通过发电机将剩余的能量由机械能转化成电能并储存至蓄电池中并根据需要，通过电动机将其加以释放以供给汽车的各个子系统使用。3.1 空气压缩动力小车的动力源 如文章前面所述，发动机的结构形式分为基本的往复活塞式和气动马达式两种类型，但目前国内外出现的空气压缩动力发动机均为往复活塞式。现就往复活塞式及气动马达发动机的原理分别予以简要的介绍。3.1.1 气动马达气动马达是在气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能并产生旋转运动的气动执行元件。常用的气压马达为容积式气动马达，它利用工作腔的容积变化来作功，分为叶片式、活塞式和齿轮式等型式。下面以叶片式为例作以简要介绍。压缩空气由A孔输入气动马达，小部分气体经定子两端的密封盖上的槽进入叶片底部(图中未表示)，并将叶片推出，使叶片贴紧在定子内壁上，大部分压缩空气进入相应的密封空间而作用在两个叶片上。由于两个叶片伸出的长度不相等，因此就产生了转矩差，使叶片与转子按逆时针方向旋转作功后的气体经由定子上的孔B排出气动马达。若改变压缩空气的输入输出方向，即压缩空气由B孔进入马达而从A孔排出，则可以改变转子的转向。 图3-2 双向旋转的叶片式马达 （a）结构 （b）职能符号气动马达的优缺点对比。优点：小体积且能产生较高的功率；高适应性，温升较小，转速可随负载的改变而改变且具有过载保护的功能；简单的无级调速，从零到最大，操作灵活且换向非常的容易；启动扭矩比较大且能带载启动；结构简单，气动马达使用寿命特别长；不受外部环境的影响，甚至能在水中、多尘、潮湿、炎热、脏污等恶劣的环境中正常运转，这是因为气动马达在运转时内部压力一般都比外部压力大。缺点：输出功率较小，耗气量比大，效率低下，噪音大，容易产生振动，影响传动精度。 图3-3 二冲程发动机工作原理图3.1.2往复活塞式发动机 由于气动往复活塞式发动机在原理方面与传统的汽车发动机在很大程度有着相似之处。因此在这里有必要对传统发动机（二冲程发动机）的原理作以简要说明。 在车体结构设计过程中对于动力系统的选用，考虑到输出功率较小，耗气量比大，效率低下，噪音大，容易产生振动的特点，尤其是气动马达的功率较小这一主要缺点，在此选用了往复活塞式空气发动机作为空气动力汽车的主要动力源。本文设计中所使用的气动发动机与传统的内燃发动机相比少了压缩及燃烧两个过程，故其一个循环只由进气和排气两个过程组成且在排气的同时，活塞下行推动曲轴旋转做功驱动汽车行驶。曲轴旋转一周，气缸完成一个循环。由于压缩空气在膨胀过程中会吸热从而自行降温，故而气缸壳体可以不使用多层叶片结构进行散热，但从经济性的角度出发，为了节省材料降低成本并减轻车身重量，在此仍然沿用了传统的往复活塞式发动机的叶片结构。最后，需要说明的是国际上目前出现的空气发动机多为单级发动机。在单级发动机中，气体做功时会引起气体膨胀较大、温度过低，造成冰堵、润滑油冻结等不利的影响，一般单级气动发动机膨胀率均不高，因此排气压力较高，损失能量大，效率比较低。采用多级膨胀工作方式则可能对此有所改进，在第一级气缸中因膨胀率较低而以较高压力排出的废气可以进入下一级气缸中继续膨胀释放能量，直到以较低压力排放到大气中，这减少了能量的损失。同时，两级气缸间可以加装热交换器，使第一级气缸排出的膨胀后的低温气体可在吸收一定的外部热量后再进入第二级气缸，从而可输出更多的机械功，进一步提高气动发动机的工作效率，这对延长汽车的继驶里程具有重要意义。 图3-4 往复活塞式空气压缩动力发动机 （本图采用CAD二维设计软件进行绘制）3.1.3 汽车功率、驶速度计算及续航能力分析 本文将一台4冲程汽油发动机改造为使用压缩空气工作的往复活塞式气动发动机，并在气动发动机台架上进行了试验,。原发动机为直列4缸、4冲程、（8气门单顶置凸轮轴配气，气缸直径62mm)，活塞行程66mm)，总排量0.797，压缩比8.7：1，进气压力为1MPa。 根据图3-5知发动机最大扭矩为90NM，再根据公式（P）2扭矩（N-m）转速（rpm）/60计算出最大输出功率为7KW。并以此类推，计算出其它转速下及转矩下的输出功率。 图3-5 发动机转速与输出功率关系图 五角星扭矩曲线；三角形功率曲线m1空气动力汽车的质量m2人的质量 P空气动力发动机的输出功率Te空气发动机通过飞轮对外输出的扭矩称为有效扭矩 n空气发动机的转速 f空气动力汽车所受到的路面的摩擦力 F空气动力汽车的牵引力 N空气动力汽车所受到的路面支持力空气动力发动机的摩擦系数 由公式可得： P2Ten/60=23.1415926551200/60 输出功率P=7KW 在此=0.4，m1=450kg，m2=50kg，N=G，G=（m1+m2）g由公式可得： f=N=（m1+m2）g=0.4(450+50） 9.8 路面的摩擦力f=1960N 由f=F得： 牵引力为F=1960N 空气动力汽车的行驶速度可由P=FV得出： V=3.57m/s=12.85km/h压缩空气从工作压力等温膨胀至环境压力忽略节流以及漏气等能量损失时空气动力发动机所做功为：式中单位质量压缩空气膨胀过程中做的功；m车载压缩空气的质量； Rg气体常数；环境温度； Pl，P2膨胀初始和终了压力；V压缩空气体积。参数为：Pl=1MPa，P2=0.101MPa，V=0.12，=25摄氏度 设压缩空气动力汽车以匀速在水平路面上行驶，设汽车参数如下：汽车质量：ml=450 kg，装载质量：m2=50kg，汽车迎风面积：A=l.95，风阻系数：=0.3，滚动摩擦系数：f=0.0l8，机械传动效率：=0.9。由汽车功率平衡方程： 随着车速的上升汽车的行驶里程下降很快汽车以10.32km / h速度行驶时的里程数比以8.24km / h速度行驶时下降近一半，当汽车运行在高速时行驶较短里程就会很快消耗掉压缩空气 可见该车适合以较低车速运行。当汽车以,8.24km /h速度运行时可以行驶近157km。由此可以看出，汽车在以10.32km/h行驶时，其续航里程接近86km，完全能够满足要求8小时以上的续航要求。3.2 关于气电混合的尝试 气动力的气动汽车看起来可能是纯绿色环保型的产品，但是在考虑空气动力汽车运行的整个过程（不仅仅包括其在路上行驶的阶段，也包括空气在压缩过程中的能量效率），则根据美国美国加州大学伯克利分校及斯坦福大学一个科学家联合小组的研究结果表明，在分析一个由气动引擎驱动的压缩空气动力汽车的热力学效率并考虑了压缩空气相对于储存起来的化学势能的优点。即便在最乐观的假定下，压缩空气动力汽车比起由电池驱动的电动车仍大为缺乏效率并且比一个传统的煤强化混合动力汽油汽车排放出更多的温室气体。根据相关报道，在瑞士的伯尔尼和法国的南斯，压缩空气动力引擎已被用于驱动电车。但是，电车运行每公里仍需要超过7kg的煤，因为装载装置仍需要蒸汽引擎来驱动。这相当于每平方千米十三千克的二氧化碳。对此量级的感受如下：一辆载满31位乘客的电车，每位乘客每千米的CO2排放量为410g，这比起保时捷卡宴每千米358kg的CO2排放量要糟糕得多。因此，一辆空气压缩动力汽车每位乘客每千米的碳排放量比起一辆现代的电车的相应值要高出10倍。但是一个燃气混合的汽车在技术上灵活，廉价因而可以最终能与混合电力汽车产生竞争。有鉴于此，本设计在借鉴传统油电混合汽车的基础上对气电混合汽车进行了大胆的探索尝试。就目前的油电混合汽车的类型来讲，按照电力在混合动力中所占比重可依次分为三种类型：1、以发动机作为主要动力，电动马达作为辅助动力的“并联方式”。这种类型汽车主要是以发动机驱动车体行驶，并利用电动马达再启动时会产生强大动力的特点，在汽车起步、加速等发动机耗油较大时刻，用电动马达辅助车体驱动的方式来降低发动机的油耗。这种类型汽车的结构比较简单，只需要在汽车上增加电动马达和电瓶即可。2、在低速时靠电动马达驱动行驶，而在高速行驶时依靠发动机和电动马达相配合驱动的“串联、并联方式”。启动和低速时靠电动马达驱动行驶，而当速度提高时，由发动机和电动马达共同分担动力，这种方式需要动力分担机构及发电机等，因此系统结构复杂。3、用电动马达驱动行驶的电动汽车“串联方式”，发动机只起到动力源的作用，汽车只靠电动马达作为行驶动力，驱动系统只由电动马达构成，但因为同样需要传统的内燃发动机，故而也它也属于混合动力汽车的一种。本文设计中主要借鉴了第二种类型的油电混合动力汽车。除了能在低速行驶时利用电动马达驱动车体以达到减少油耗而在高速行驶时使用燃油发动机驱动车体这一目标外，还可在汽车下坡行驶时利用发电机为车载蓄电池进行充电，最终达到提高能源效率以及绿色环保的目的。在动力系统的设计方面，主要借鉴了日本丰田普锐斯动力系统的工作原理。在图3-6中汽油发动机和电动机通过动力分离装置相连接。汽车在低速行驶时由电动机独自驱动，而当汽车高速行驶时则由汽油发动机与电动机一起或由汽油发动机独自驱动。此外，汽油发动机在运行时产生的过剩能量将通过发电机充电并输送至蓄电池存储起来并根据情况提供给各个子系统使用。 图3-6 压缩空气及电力混合动力汽车结构简图3.3 本章小结 本章对整个空气动力汽车的核心部分压缩空气动力发动机作了详细的介绍，对于气动马达和气动发动机两种空气动力源都做了相应介绍。最后又对气电混合的原理作了介绍。 第4章 设计过程介绍4.1 车身（底盘） 图 4-1 为利用solidworks三维设计软 件所建立的气动汽车的车底盘 汽车底盘作为支撑、安装汽车发动机以及各组成部件的重要部分，其主要由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统四部分组成，它形成了汽车的整体造型，并通过发动机提供动力而使汽车产生运动从而达到正常行驶的目的。本文在进行汽车底盘设计时沿用了奇瑞QQ汽车的车身及汽车底盘尺寸，以使汽车车身结构显得轻盈、简洁。对于上述构成底盘的四个系统，为了达到突出重点之目的，在设计过程中略去了制动系统，而对于传动系统、行驶系统以及转向系统则进行了简化处理。4.1.1传动系统对于传统系统，在此主要使用了后轮驱动，一对双联齿轮在实现啮合传递动力时，亦可通过变换啮合之齿轮以实现传动比的变换，从而变更后轮轴的转速以达到是汽车变速之目的。但如前文所指出的那样本文在此对于如何实现双联齿轮的传动比变更进行了简化处理。 图 4-2 后轮传动系统中所使用双联齿轮 图 4-3 后轮传动系统中的链条在底盘的传动系统中使用了最常见的齿轮传动以及链传动。在Solidworks软件中，诸如齿轮以及轴承此类的零件，可直接调用Solidworks软件零件库中的零件，只需输入相应的参数便可得到需要的零件，使用起来非常方便。在这里需要指出的是Solidworks软件自带的特征模板中（零件库）中国标准的零件是没有齿轮的，因此在绘制齿轮时就需要调用其他国家诸如美国、英国、德国或者国际通用标准。此外，对于本设计中使用的链传动，虽然可以直接调用零件库中的链轮，但是对于链传动所使用的链条却无法完整地模拟出其性能，只能作近似处理。导致这一现象的原因在于Solidworks、PROE以及UG此类的三维设计软件只能对刚性零件进行仿真而无法模拟出柔性零件的运动。 图4-4 链轮 图4-5 后轮传动的双联齿轮啮合4.1.2 转向系统在本次设计中转向系统部分采用了大量的连杆机构。低副是面接触，耐磨损；加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造简便，易于获得较高的制造精度。因此，平面连杆机构在各种机械和仪器中获得广泛应用。连杆机构的缺点是：低副中存在间隙，数目较多的低副会引起运动累积误差；而且它的设计比较复杂，不易精确地实现复杂地运动 。在查阅了机械原理以及机械设计的部分参考书目后设计出如下控制系统。 图 4-2 转向系统中所大量使用的连杆机构4.2 轮胎与轮毂 图4-3 汽车轮毂与轮胎 在此，汽车轮毂和轮胎的尺寸采用了常见小汽车的通用尺寸。轮毂采用铝合金材料而轮胎则采用橡胶材质。4.3 动力系统布局 动力系统及其布局属于本文的核心内容，本小节将对其作以详细介绍。动力系统的布局基本沿用了丰田普锐斯的设计，在此基础上将汽油发动机换成了往复活塞式空气发动机，并将发电机的接入处从动力分离装置移至后轮轴处。 图4-3 空气动力汽车动力系统布局现对空气动力汽车动力系统作以简要介绍，最后再对各个机构作以详细介绍。在此，气动发动机与电动机（电动马达）通过动力分离装置相联接，当汽车高速行驶时，气动发动机独自运转或气动发动机与电动机共同运转；当汽车低速行驶时，蓄电池将电流经流变器输送至电动机独自供给动力驱动汽车行驶。动力分离装置通过齿轮组以及链条、链轮与汽车后轮轴相连传递动力。发电机一端接后轮轴另一端经流变器与蓄电池相连，当汽车下坡行驶时，发电机将后轮轴上的动能转换成电能并存储至蓄电池。储气罐与气动发动机之间经由加压器、过滤器、以及调速阀依次相连接。4.3.1 电动机 在本设计中，使用了最为常见的三相异步电动机。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。在此，使用了鼠笼式异步电机。电动机选用了江苏全兴生产的Y132M-4 型三相电动机，功率：7.5KW，电流：15.4A，额定转速1440转，效率：87.0%，额定电压：380V。 图4-4 笼式三相异步电动机 三相异步电动机通过联轴器与中间轴相连接。联轴器选用了十字滑块联轴器，它由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。这种联轴器零件的材料一般可选用通用性、机械性能良好的45号钢，从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大于规定值。这种联轴器一般用于转速n250r/min，轴的刚度比较大，且无剧烈冲击地方。 图4-5十字滑块联轴器 在选用该种联轴器时主要考虑到了以下优点：1、套筒可使用铝合金结构，体积轻巧灵活2、刚性、灵敏性能较好3、安装方便，抗腐蚀性及电气绝缘性能较优异4、寿命长，稳定性及可靠性能较好5、可吸收较大的传动扭矩，效率较高。4.3.2 动力分离装置 作为空气动力汽车核心装置之一，动力分离装置连接了气动发动机与电动机，并根据汽车行驶的状况及运行环境对所使用的动力源进行选择。在此，动力分离装置由一个直齿内齿轮、一个太阳轮以及三个行星齿轮组成。太阳轮位于直齿内齿轮中心并与其同轴心，三个行星齿轮之间互成120度且环绕在太阳轮周围，行星轮与太阳轮及直齿内齿轮分别进行啮合。太阳轮的轮轴通过联轴器与电动机输出轴相连，直齿内齿轮外表面与一根特制轴的一端通过电焊相连接。而特制轴的另一端则通过联轴器与气动发动机相连接。 图4-6 动力分离装置的三维仿真模型需要特别指出的是，在这里使用了Triz创新理论解决了动力分离装置的设计问题，考虑到动力分离装置比较复杂，而这必然会给制造带来较大的难度。故在此使用了本校自行开发的triz创新软件对矛盾矩阵进行了查询。在软件中输入了45号工程参数系统复杂性与41号工程参数制造能力，系统给出了3,13,1,28,26,35,10,6八个备选答案，最终选用了3号答案局部质量原理。它可以解释为：A让物体的均匀结构，变为不均匀的。B让环境或外部作用的均匀结构，变为不均匀。C让物体的各部分均处于完成各自动作的最佳状态。D让物体的不同部分具有各不相同的功能。在此引用了D解释，最终使太阳轮的轮轴与电动机的输出轴相连接，而使直齿内齿轮外表面与一根特制轴相连接。4.3.3 储气罐 由于储气罐的罐体要承受巨大的空气压力，故在此选用的罐体材料为16MnR钢，16MnR属于普通低碳合金钢，是锅炉以及压力容器的专用钢，是锅炉压力容器的常用材料。它的强度较高、塑性和韧性良好。储气罐罐体的容积及工作压力所选用的相关参数参考了法国MDI公司推出的AIRPod空气动力汽车，该车的空气罐容积为120升，工作压力(进气压力）为1兆帕。储气罐口加装了气流调节阀用以调节气流流速。 图4-7 储气罐及流量调节阀4.3.4 减压器 由于储气罐内空气压力约为30兆帕，故需使高压空气通过减压阀将其压力调节至工作压力（1兆帕）。 图4-8 减压器在这里选用了上海毅玮流体控制有限公司生产的NR11不锈钢减压器 ，该减压器为单级膜片式减压结构，其不锈钢膜片采用了压力传输，其输出压力稳定，响应灵敏度高，该减压器适用于纯净气体、标准气体以及腐蚀性气体等。其输入输出压力分别为：500，3000 psig；025，050，0100psig，在此，psig为叫做(英制)蒸气压力（1Mpa = 145Psi） 4.3.5 空气过滤器（空气滤清器） 空气过滤器是用于清除空气中的微粒杂质的装置，它主要由壳体以及过滤芯两部分构成，过滤芯无疑是整个空气过滤器的核心组成部分。 图4-9 高压空气滤清器发动机在工作的过程中要吸入大量的高压空气，如果高压空气不经过滤清，空气中悬浮的尘埃和杂质就会被吸入气缸中，从而加速活塞组及气缸等零件的磨损。当较大的颗粒或杂质进入活塞与气缸之间时，就会造成严重的“拉缸”现象，所以必须安装空气滤清器。在此选用的空气过滤器是由深圳市英格尔气动净化有限公司生产的高压过滤器。4.3.6 流量计 在此使用流量计来测量管路中压缩空气的气体流量。流量计即被测流量和（或）在选定的时间间隔内流体总量的仪表。或者说就是用于测量管道或明渠中流体流量的一种仪表。流量具体可分为瞬时流量和累计流量两种，瞬时流量即单位时间内通过封闭管道或明渠有效截面的量，流过的物质可以是气体、液体或者固体；累计流量即为在某一段时间间隔内（一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计流量。差压式流量计是应用范围特别广泛、历史颇为悠久的一种系列化的流量计，在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用。鉴于该种流量计历史悠久，成熟性及其稳定性非常之高，在管路的设计中使用了该种流量计。 图4-10 差压式流量计4.3.7 气动模块化单元 最后要将减压器、空气过滤器、流量计三者依次连接构起来组成一个模块化的单元，这里的问题是如何处理三者相连后必然带来的复杂性与车停空间有限之前的矛盾。为解决此矛盾，在此依然使用到了triz创新理论。使用triz创新软件，调原始的含有39个工程参数的矛盾矩阵。在改善参数和恶化参数栏分别输入36号参数装置的复杂性和8号参数静止物体的体积，最后得到1号和16号查询结果，对查询结果依次进行详细查询后最终选取1号查询结果分割原理。对1号结果仍有三种解释。A把一个物体分割成相互独立的几个部分。B把一个物体分割成容易组装和拆卸的部分。C提高各组成部分相互独立的程度，以实现系统的改造。在此，选用C释义。 图4-11 减压阀 过滤器以及流量计构成的单元4.3.8 压力管道 在此，管道材料选择同储气罐相同的16MnR钢，16MnR属于普通低碳合金钢，它的强度较高、塑性韧性良好。 图4-12 压力连接管道下面将对剩余能量收集系统加以简要分析。该系统主要由蓄电池以及发电机和相关的电路、管路构成。4.3.9 发电机 在此使用了一种ST/STC三次谐波发电机，一般是靠汽油机或者柴油机予以带动。型号STC-10，额定功率10KW，额定容量12.5KVA，额定电流18.1A，功率因数0.8，额定转速1500转每分。在此，该发动机输入轴通过联轴器、链传动与后车轮轴相连接，当空气动力汽车处于下坡行时，空气发动机及电动机处于关闭状态。后轮轴转动时所携带的动能通过链条传至发电机，发电机开始发电并将产生的电能存储至车体后方所携带的车载蓄电池中。 图4-13 单机发电机4.3.10 车载蓄电池 电动汽车电池可以分为两大类，即蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车，可以归类为铅酸蓄电池、镍基电池（镍一氢及镍一金属氢化物电池、镍一福及镍一锌电池）、钠电池（钠一硫电池和钠一氯化镍电池）、二次锂电池、空气电池等类型。而燃料电池专用于燃料电池电动汽车，可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC )、直接甲醇燃料电池(DMFC )等类型。电动汽车所用电池随着电动汽车种类的不同而有所差异。在此，根据所设计的电动汽车的类型及其性能选用了蓄电池并且使用了电池组，它是由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有90个左右的电池，就充电达4.2V的锂离子电池而言，这类的电池组可产生超过420V的总电压。 图4-14 车载蓄电池4.3.11 空气动力发动机 在此，空气动力发动机借用了同组同学的设计 图4-15 压缩空气动力发动机4.3.12 整车装配 将空气动力汽车的各个组成部件安装后，如下图所示。 图4-15 空气动力汽车整车装配4.4 本章小结本章对于设计的整个过程所涉及到的主要的零件、部件进行了介绍。同时在本章，前文所涉及到的工具在此处的具体应用都有详细的介绍。汽车的产生与发展到目前为止已经经历的一个世纪。作为一种结构复杂凝聚了人类智慧结晶的工业品，它的设计与制造是复杂的。在本次设计中，对于空气动力汽车的设计无法做到面面俱到，只能对其主要部件进行分析与设计，在这其中难免有未曾顾及到的地方，本次设计的目的就在于力求将空气动力汽车主要的运行原理呈现出来。 结论（空气压缩动力的展望及其发展建议） 能源构成了人类活动的物质基础。从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现以及先进能源技术的应用。原始社会时期，对于火的使用得人类摆脱了寒冷与疾病；工业革命时期，蒸汽机的大面积推广则伴随着煤的大量使用；19世纪70 年代，电力的发明和应用则掀起了第二次工业化的高潮，也推动着一系列相关产业的发展，使人类社会朝着更高的发展阶段迈进。人类社会的每向前迈出一步总是伴随着能源的使用与能源类型的更新与拓展，没有人类对能源的发现、认识及利用，人类社会就不可能发展到今天。在今天这样一个时代，人类享受到了更多的和平与安宁，精神与物质生活的富足。然而机遇与挑战总是相伴而生的，以能源问题为代表的一系列世界性难题都已摆在了人类面前。如果无法在能源上寻求到新突破，人类社会的发展必将陷入不可持续的恶性循环，三次石油危机的出现已经为此敲响了警钟。危机的出现驱使人们对能源展开进一步的探索，伴随着这一探索而出现的是“新能源”一词，新能源又称非常规能源。是指除传统能源之外的各种形式的能源，指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源。太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能都已逐步地得到人类的认识与应用，但是受到自然环境、地理因素等各种客观条件的限制，这些新能源中的大部分都尚未得到大规模的推广。空气（以氮气和氧气为主）是构成地球周围大气的气体，空气在自然界无处不在无处不有，这一特性启发人们是否能将其开发并予以应用。空气或氮气作为一种特性良好的能量介质无疑可以开发出来而为人类所用，关于空气压缩能仍存在着诸多的争议，但有理由相信各种难题必将随着科技的进一步发展而得到解决。本文在利用空气动力进行车身设计时，并未考虑到空气在压缩以及膨胀全过程中的能源效率问题，只是就其具体的应用作出了一定的设计。空气作为一种近似无限的能量介质，如何提高其安全性、如何提高能源的效率成为横亘在科学家和工程师们面前的两道难题。相信，伴随着人类社会的发展，其必将得到进一步的应用和发展，从一些研究学者的文章中我们或许可以找到空气动力的发展方向。总的来说，较之车载的电力驱动能量存储方式，CAC似乎并未显现出任何优势。电池是常见并且几乎性能每天都在提升。然而在任何流行的汽车平台上，压缩空气循环在目前并未展现出任何角色。因为其他方面的应用对于电池的性能带来了巨大压力比如移动手机，很难想象在可以预见的未来，CAC较之B