基于太阳能的手自一体化汽车防护装置设计

牟如强，李 乐

(1.成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000；2. 国网乐山供电公司，四川 乐山 614000)

0 引言

近年来，我国的汽车使用量急剧增长，由于室内停车场的匮乏，很多汽车只能露天停车。露天停放的汽车极易被弄脏、被暴晒和被刮伤，以上这些问题也成为了广大车主的困扰。目前，国内外针对露天停车存在的问题，提出了以下解决方案[1-12]。

部分学者[1-5]设计了类似衣服的汽车车衣，让车衣包裹汽车车身，从而防止汽车被弄脏。目前，市场上出现了两种车衣，一种是完全靠手动操作的普通车衣，该车衣具有价格低等优点，缺点是操作极其不便，需要两个人完成。另一种是半自动化车衣，现有的半自动化车衣是通过旋转的方式实现车衣的打开和收回，打开和收回过程需要手动辅助完成，工作效率不高。同时，此种车衣采用蓄电池供电，需要反复充电，操作复杂，浪费电能，因此此种车衣并未得到广泛的推广应用。部分学者[6-7]设计类似雨伞的汽车伞，将其固定在汽车车顶上，从而实现汽车车身的遮挡。现有的汽车伞主要是利用液压机构来实现雨伞的打开与收回，具有结构简单，操作方便等优点，但是由于汽车伞无法全面包裹汽车车身，防护效果不佳，因此使用量也相对较低。黄朝阳等[8]设计了一种用于露天停车的可移动式停车棚。该车棚可以实现汽车的全面包裹，防护效果相对较好，但是要求有足够大的空间来安装车棚，拆装复杂，质量体积较大，不便携带，且价格昂贵。因此该车棚只适合在有固定露天停车位的小区内推广使用。

综上所述，现有的汽车防护装置，要么操作不便，要么效果不佳，要么价格昂贵，因此设计了一种基于太阳能的手自一体化汽车防护装置，该装置采用太阳能电池板供电，选用带抱闸的直流电动机驱动齿轮机构运动，齿轮机构带动滚筒和包布一起运动，实现包布的打开与收回。该装置具有手动和自动操作功能，结构简单，便于携带，防护效果较好，价格低等优点。

1 功能分析及工作原理

1.1 功能分析

汽车露天停放容易被雨雪、灰尘弄脏，容易被旁边的车辆刮伤，容易被烈日暴晒，因此，所设计的汽车防护装置必须要具备以下功能。

(1)汽车全面防护功能：防护装置工作时要全面包裹汽车车身，从而解决车身被弄脏的问题。

(2)汽车防暴晒和防刮伤功能：采用特殊的防晒防划伤材料，当旁边的车与自己的车发生刮蹭时，可将刮伤程度降低到最低，并且可以有效避免车内高温。

(3)手自一体化操作功能：要求汽车防护装置可以手动和自动操作，并且两种操作方式可以自由切换，从而保证自动功能缺失后能够使用手动方式操作防护装置。

1.2 工作原理

如图1所示，将装置安全地安装在汽车车顶上，装置准备就绪，然后手动选择工作模式。

图1 工作原理图

装置工作在自动工作模式时，若要打开前、后包布，则需按下打开按钮，两个直流电动机正向接通，电动机正转，驱动齿轮机构，从而带动滚筒转动，滚筒上的包布跟随滚筒一起被打开。若装置要收回包布，则需按下收回按钮，两个直流电动机反向接通，电动机反转，驱动齿轮机构反转，进而滚筒反向带动包布转动，实现包布的收回。若要让包布停止运动，则需按下停止按钮，让两个电动机断电，即可实现。装置在自动工作模式下，滚筒轴和齿轮机构输出轴之间的离合器始终保持接通状态，因此包布的打开和收回可由电动机的正反转来控制。

装置工作在手动工作模式时，则整个装置断电，电气元件不工作。若要打开包布，则先按下伸缩杆上的圆头按钮，让伸缩杆的活动杆伸开，然后用手先后握住前、后包布拉手，将拉手杆拉至拉手柄卡槽中，让滚筒轴和齿轮机构输出轴分离，然后用力向外拉出包布，包布若拉到位，可以将拉手杆拉出手柄卡槽，让离合器闭合，即可让包布停止运动。若要收回包布，只需将拉手杆拉至拉手手柄卡槽中，滚筒在盘形发条的作用下转动，进而带动包布运动，实现包布的快速收回。

2 结构设计

根据汽车防护装置的功能要求，设计了如图2所示的汽车防护装置。如图2所示，汽车防护装置由装置主体、太阳能电池板、太阳能电池板支架、吸盘、按钮组成。太阳能电池板与支架一起安装在装置主体的顶部，当需要使用该装置时，调节支架，使太阳能电池板与装置顶部成40°角，此操作可让太阳能电池板最大限度的接收太阳光，获得最多的电能。按钮安装在装置主体的前部，手动和自动按钮可以实现装置手动、自动工作模式的选择，自动模式下按下打开、收回和停止按钮，装置自动执行相应的动作。4个吸盘分别固定在装置主体的4个角上，稳定性好，吸力强，可实现装置的安全固定。装置主体前后端分别设计成凹槽形状，该凹槽用于安装伸缩杆。整个装置结构简单，体积小，重量轻，操作方便。

图2 装置整体结构图

装置主体内部结构如图3所示，其主要由电动机、齿轮机构、联轴器、离合器、伸缩杆、滚筒、发条、包布、拉手等组成。其中两台直流电动机安装在装置主体的下部，齿轮机构和滚筒分别安装在装置主体的中部和上部，此种安装方式可以节约空间，减小装置的体积。前后拉手环中的拉手杆分别与两个离合器连接，用于实现装置的手动操作。两根伸缩杆两端分别连接左右包布，伸缩杆伸开时就会拉开左右包布，从而实现汽车车顶的全面遮盖。

图3 装置主体内部结构图

图4是伸缩杆收缩和伸开时的结构图，伸缩杆由套筒、活动杆、弹簧按钮、活塞等元件组成，伸缩杆的作用是辅助包布的打开和收回。图5是弹簧按钮结构图，该按钮由圆头按钮柱和弹簧组成。

图4 伸缩杆结构图

图5 弹簧按钮结构图

无论装置采用手动还是自动工作模式，需要打开包布时，可以按下伸缩杆上的圆头弹簧按钮，释放连接到活塞上的弹簧，弹簧恢复到自然状态的过程即可推动伸缩杆的活动杆运动，实现伸缩杆的伸开。当前、后包布完全收回后，可向里手动推动伸缩杆的活动杆，压缩弹簧直至圆头按钮卡进伸缩杆套筒的圆形卡槽中，从而实现伸缩杆的收缩定位。

如图6所示，拉手与离合器之间通过手柄、弹簧、拉手杆、钢丝绳、定滑轮组成的工作机构。离合器安装在滚筒轴和齿轮机构输出轴之间，用于控制两轴的连接和分离。离合器的工作常态为闭合状态，如6a图所示。手握拉手手柄和拉手杆，然后用力将拉手杆拉至手柄卡槽中，即可让离合器分离，从而实现滚筒轴和齿轮机构输出轴的分离。滚筒轴和齿轮机构分离后，滚筒轴的运动将不在由齿轮机构控制，而是由装在滚筒轴上的盘形发条控制。前、后包布在打开的过程中，滚筒轴上的盘形发条被拉伸，盘形发条储存大量的弹性势能，用于发条恢复到自然状态。当装置工作在手动模式时，若要收回前、后包布，只需将滚筒轴和齿轮机构输出轴分离，滚筒轴即可被拉伸的盘形发条带动，从而实现包布的快速收回。

(a)离合器闭合 (b)离合器分离

3 电路设计及电气元件选型

3.1 电路设计

图7是装置的电路图，包括主电路和控制电路两部分。主电路上的熔断器FU用于主电路的过流保护，接触器KM1的主触点用于控制主电路的通断，接触器KM2、KM3的主触点用于控制两个直流电动机M1和M2的正反转和停止。

控制电路中，常闭按钮SB1用于切断主电路，相当于装置上的手动按钮。常开按钮SB2与接触器KM1线圈串联，并与常开辅助触点KM1-1并联，形成了一个自锁电路，按下SB2后，KM1线圈得电，KM1-1常开辅助触点闭合，主电路上的常开主触点KM1闭合，主电路保持接通。SB2相当于装置上的自动按钮。常闭按钮SB3用于切断电动机的电源，相当于装置上的停止按钮。常开按钮SB4和SB5相当于装置上的打开和收回按钮。

图7 装置电路图

正转接触器KM2的常闭辅助触点KM2-2与反转接触器KM3的线圈串联，而反转接触器KM3的常闭辅助触点KM3-2与正转接触器KM2的线圈串联，则常闭辅助触点KM2-2和KM3-2形成两个互锁触点。因此，当正转接触器线圈通电，电动机正转时，互锁常闭触点KM2-2断开了反转接触器KM3的线圈。同理，当电动机反转时，电动机正转电路也会被反转接触器常闭辅助触点KM3-2切断。因此电动机的正反转实现了互锁，保证了在任何情况下，只有一个接触器工作。

3.2 电气元件选型

如图8所示，太阳能电池板、电瓶、带抱闸直流电机和转换开关是汽车防护装置的主要电气元件，各电气元件的参数见表1。

(a)太阳能电池板 (b)电瓶

(c)直流电机 (d)转换开关

参数值长×宽×高670×540×25cm质量4kg额定输出功率50W额定电压12V峰值电压17.64V开路电压21.42V断路电流3.14A使用寿命20～25年

表2 电瓶参数

表3 直流电动机参数

4 结论

针对露天停车存在的安全隐患，设计了一种基于太阳能的新型汽车防护装置。首先对装置的功能进行了分析，从而确定了装置的工作原理，然后完成了装置的结构设计和电路设计，绘制出了相应的结构图和电路图。最后对所需的主要电气元件进行了详细的选型。

本文所设计汽车防护装置采用太阳能供电，选用带抱闸的直流电动机驱动齿轮机构带动滚筒转动，运行过程平稳可靠。同时，控制电路采用了正反转互锁电路，保证了直流电动机的准确运行。该装置可手动和自动操作，具有节能环保，操作简单，便于携带，价格低等优点。该设计为汽车防护装置的后续研发提供了一定的理论依据。