渦卷彈簧式制動(dòng)能量回收裝置研究

單文澤，潘孝斌，陳元泰，易慎光

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

車輛的傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)是將車輛的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為摩擦熱能耗散掉，這將造成大量動(dòng)能的浪費(fèi)，加劇了能源損耗和環(huán)境污染。因此，探索制動(dòng)能量的高效存儲(chǔ)和利用是節(jié)能環(huán)保的重要途徑。現(xiàn)有能量回收方法主要有飛輪蓄能法、液壓蓄能法和蓄電池蓄能法［1］。由于飛輪質(zhì)量很大，飛輪蓄能法應(yīng)用于小型車輛具有局限性;液壓蓄能法由于其蓄能器空間較大且能量轉(zhuǎn)換較慢，所以應(yīng)用也不廣泛;蓄電池蓄能技術(shù)相對(duì)較成熟，但蓄電池的儲(chǔ)能效率較低，充發(fā)電頻率小，有待改善。目前，采用以彈簧為儲(chǔ)能元件的蓄能器對(duì)車輛制動(dòng)能量進(jìn)行回收已有人探索研究。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了一種自行車制動(dòng)裝置，利用渦卷彈簧將制動(dòng)能量進(jìn)行存儲(chǔ)，并在啟動(dòng)時(shí)將能量釋放。文獻(xiàn)［3］利用圓柱彈簧設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)C(jī)動(dòng)車的動(dòng)能儲(chǔ)存并在啟動(dòng)時(shí)助力的裝置，達(dá)到節(jié)能目的。

在城市頻繁制動(dòng)路況下，采用渦卷彈簧回收車輛制動(dòng)能量和再利用，避免了其他儲(chǔ)能方式存儲(chǔ)能量時(shí)間較長和效率低的缺點(diǎn)，在車輛啟動(dòng)時(shí)能夠?qū)⒒厥盏哪芰苛⒓瘁尫?。因此，本文提出采用渦卷彈簧方式研究車輛制動(dòng)能量回收。

1 制動(dòng)能量回收裝置設(shè)計(jì)

本文研究制動(dòng)能量回收裝置(以下稱回收裝置)應(yīng)用于電動(dòng)汽車等微型車輛上，預(yù)計(jì)車人質(zhì)量為200kg。在不改變車輛整體布局和不影響駕駛的情況下，將回收裝置融合于車輛原有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上?；厥昭b置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與車輛其他機(jī)構(gòu)互不干涉，在實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收、釋放和便捷控制的同時(shí)傳動(dòng)級(jí)數(shù)應(yīng)盡量少，從而減少齒輪摩擦引起的能量損耗?；厥昭b置主要由傳動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和彈簧儲(chǔ)能單元組成，其工作原理圖如圖1所示。

圖1 制動(dòng)能量回收裝置工作原理圖

其中，A是由惰輪、轉(zhuǎn)動(dòng)盤、外端齒輪和推桿組成的離合機(jī)構(gòu)，其作用是將回收裝置與驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接或斷開，如圖2所示。B是由棘輪、棘爪和推桿組成的卡鎖機(jī)構(gòu)，其作用是在回收裝置中儲(chǔ)存有能量而沒有使用的情況下防止渦簧軸反轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖2 離合機(jī)構(gòu)

圖3 卡鎖機(jī)構(gòu)

在回收裝置工作之前，惰輪和輸入齒輪沒有嚙合，由于單向軸承的作用，輸出齒輪b處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)車輛開始制動(dòng)時(shí)，離合機(jī)構(gòu)推桿推動(dòng)擺臂下壓，使得惰輪與輸入齒輪嚙合，驅(qū)動(dòng)輪軸的扭矩經(jīng)齒輪傳動(dòng)到渦簧軸，開始回收能量。經(jīng)過持續(xù)或間斷輸入扭矩將較大的彈性勢(shì)能存儲(chǔ)于彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)中。當(dāng)車輛制動(dòng)停止時(shí)，離合機(jī)構(gòu)推桿收縮，此時(shí)惰輪和輸入齒輪不嚙合，彈簧儲(chǔ)能單元停止儲(chǔ)能。由于渦卷彈簧里存儲(chǔ)了能量，因而有反轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，但因棘爪卡在棘輪上，防止了渦簧軸反轉(zhuǎn)。當(dāng)車輛啟動(dòng)或加速時(shí)，卡鎖機(jī)構(gòu)推桿下壓，迫使棘爪脫離棘輪，此時(shí)渦簧軸在渦卷彈簧儲(chǔ)存的扭矩作用下開始回轉(zhuǎn)，機(jī)構(gòu)釋放能量，扭矩由輸出齒輪b和輸出齒輪a傳遞到驅(qū)動(dòng)輪軸上，實(shí)現(xiàn)回收能量的助力功能。

在研究初期，首先以飛輪為載體進(jìn)行回收裝置的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，然后對(duì)這種裝置的機(jī)械傳動(dòng)便捷控制、能量存儲(chǔ)與釋放過程的高效轉(zhuǎn)化等技術(shù)特性進(jìn)行研究，在驗(yàn)證技術(shù)路線可行后，可以為后續(xù)深入研究回收裝置應(yīng)用于電動(dòng)自行車、小型汽車等車輛上奠定技術(shù)基礎(chǔ)。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 制動(dòng)能量回收試驗(yàn)裝置

2 數(shù)學(xué)模型

本文回收試驗(yàn)裝置的載體是飛輪，對(duì)飛輪的制動(dòng)初動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估，按照制動(dòng)初動(dòng)能與彈簧彈性勢(shì)能相匹配的準(zhǔn)則對(duì)渦卷彈簧的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由渦卷彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以建立飛輪的制動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型。

由牛頓第二定律可以得到回收裝置工作過程的平衡方程:

式中:jm為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;jc為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;Tz為飛輪受到的力矩，N·m;Tf為摩擦力矩，N·m;ω為角速度，rad/s;t為時(shí)間，s。

由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在此可以忽略。因此可以對(duì)式(1)進(jìn)行簡化:

式中:i為傳動(dòng)比;TL為渦簧扭矩，N·m;Ff為飛輪受到的等效摩擦力，N;R為摩擦力作用半徑，m;φ為角位移，rad。在制動(dòng)回收和啟動(dòng)釋放兩個(gè)狀態(tài)中，渦簧扭矩為:摩擦力矩為:

其中θ(t)為渦簧旋轉(zhuǎn)的角位移函數(shù):

K為渦卷彈簧的剛度系數(shù):

式中:T2為渦卷彈簧最大輸出扭矩，N·m;Δn 為渦卷彈簧的有效工作圈數(shù);nh為渦卷彈簧回收過程轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù);k3為渦卷彈簧固定系數(shù)。

3 仿真分析

本研究以飛輪為載體進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，確定回收裝置零件及系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)式(2)～式(8)進(jìn)行聯(lián)立組成方程組，利用MATLAB/Simulink建模和仿真，仿真模型如圖5所示。

圖5 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)如圖5所示的仿真模型和計(jì)算得到仿真參數(shù)，對(duì)飛輪制動(dòng)進(jìn)行仿真。分別以160，200和240r/min為初轉(zhuǎn)速n0對(duì)回收裝置進(jìn)行測(cè)試，得到儲(chǔ)能模式下的制動(dòng)特性曲線，并與純摩擦制動(dòng)特性曲線進(jìn)行對(duì)比，仿真目的是驗(yàn)證回收裝置的可行性，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同初速度的制動(dòng)特性曲線對(duì)比

從圖6中可以看出，在制動(dòng)初期，儲(chǔ)能制動(dòng)特性曲線與摩擦制動(dòng)曲線近乎重合，而在制動(dòng)末期兩曲線出現(xiàn)偏移。原因是當(dāng)飛輪速度較低時(shí)，儲(chǔ)能制動(dòng)的制動(dòng)加速度比摩擦制動(dòng)加速度要大。儲(chǔ)能制動(dòng)比摩擦制動(dòng)的距離稍遠(yuǎn)些，說明儲(chǔ)能制動(dòng)的過程比較舒適。在不同的制動(dòng)初速度下，儲(chǔ)能制動(dòng)特性曲線與摩擦制動(dòng)時(shí)的特性曲線非常接近且變化趨勢(shì)相同，說明此回收裝置的制動(dòng)特性可以滿足傳統(tǒng)制動(dòng)習(xí)慣要求。

選擇不同輸出扭矩的渦卷彈簧對(duì)相同初速度飛輪進(jìn)行制動(dòng)能量回收和釋放，仿真目的是研究渦卷彈簧的選型對(duì)回收裝置回收效率的影響。渦卷彈簧的最大輸出扭矩選擇 1 600，2 000，2 400 N·mm時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)速變化情況如圖7所示。

圖7 不同類型渦簧的制動(dòng)能量回收裝置飛輪轉(zhuǎn)速

由圖7可知，飛輪的轉(zhuǎn)速受到渦卷彈簧最大輸出扭矩的影響，飛輪最終轉(zhuǎn)速隨著輸出扭矩的增大而增大。由飛輪的轉(zhuǎn)速變化可以得到回收裝置存儲(chǔ)能量的大小，根據(jù)飛輪的初動(dòng)能可以得到回收裝置的回收效率，其結(jié)果見表1。

第二組選擇渦卷彈簧最大輸出轉(zhuǎn)矩為2 000 N·mm，飛輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)到 160，200，240r/min，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖8所示，回收裝置的回收效率見表1。

通過分析表1可知，當(dāng)回收裝置使用不同型號(hào)彈簧對(duì)相同初始轉(zhuǎn)速的飛輪進(jìn)行能量回收時(shí)，渦卷彈簧的最大輸出扭矩越大，回收裝置的能量回收效率越高。原因是渦簧的輸出扭矩越大，飛輪轉(zhuǎn)速變化越快，制動(dòng)能量回收裝置阻力和渦卷彈簧內(nèi)部摩擦力做功都越小，回收效率越高。使用相同彈簧進(jìn)行能量回收時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)速越高即能量越大，回收裝置的阻力因素對(duì)系統(tǒng)的影響越小，回收效率越高。因此，渦卷彈簧式制動(dòng)能量回收裝置主要元件的參數(shù)要進(jìn)行良好的匹配才能獲得較好的能量回收效果。

表1 不同狀態(tài)制動(dòng)能量回收裝置的回收效率

圖8 不同初始轉(zhuǎn)速的制動(dòng)能量回收裝置飛輪轉(zhuǎn)速

4 結(jié)束語

本技術(shù)可將飛輪的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為渦卷彈簧的彈性勢(shì)能存儲(chǔ)起來，并通過能量釋放驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)。回收裝置的制動(dòng)特性曲線與純摩擦制動(dòng)的特性曲線非常接近且變化趨勢(shì)相同，說明其制動(dòng)特性滿足傳統(tǒng)習(xí)慣要求。渦卷彈簧的選型和飛輪初速度對(duì)回收裝置的效率都有影響，因此要根據(jù)飛輪初始能量大小選擇合適的渦卷彈簧才能獲得較好的回收效果。本回收裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，控制簡單，能量利用效率高。

［1］ 許強(qiáng)，張?jiān)茖帲?，?汽車制動(dòng)能量回收方案及比較［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2008(3):59－60.

［2］ 肖鴻博.一種自行車儲(chǔ)能剎車裝置:中國，CN101774415A［P］.2010 －07 －11.

［3］ 金國鑫.機(jī)動(dòng)車瞬間動(dòng)能收放裝置:中國，CN102431451A［P］.2012 －05 －12.