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)摩擦制動是將車輛的制動能量轉(zhuǎn)化為摩擦熱能耗散掉，這將造成大量動能的浪費(fèi)，加劇了能源損耗和環(huán)境污染。因此，探索制動能量的高效存儲和利用是節(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)相對較成熟，但蓄電池的儲能效率較低，充發(fā)電頻率小，有待改善。目前，采用以彈簧為儲能元件的蓄能器對車輛制動能量進(jìn)行回收已有人探索研究。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了一種自行車制動裝置，利用渦卷彈簧將制動能量進(jìn)行存儲，并在啟動時將能量釋放。文獻(xiàn)［3］利用圓柱彈簧設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)C(jī)動車的動能儲存并在啟動時助力的裝置，達(dá)到節(jié)能目的。

在城市頻繁制動路況下，采用渦卷彈簧回收車輛制動能量和再利用，避免了其他儲能方式存儲能量時間較長和效率低的缺點(diǎn)，在車輛啟動時能夠?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能量回收。

1 制動能量回收裝置設(shè)計(jì)

本文研究制動能量回收裝置(以下稱回收裝置)應(yīng)用于電動汽車等微型車輛上，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機(jī)構(gòu)上?；厥昭b置的傳動機(jī)構(gòu)與車輛其他機(jī)構(gòu)互不干涉，在實(shí)現(xiàn)制動能量回收、釋放和便捷控制的同時傳動級數(shù)應(yīng)盡量少，從而減少齒輪摩擦引起的能量損耗?；厥昭b置主要由傳動控制機(jī)構(gòu)和彈簧儲能單元組成，其工作原理圖如圖1所示。

圖1 制動能量回收裝置工作原理圖

其中，A是由惰輪、轉(zhuǎn)動盤、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)動輪制動傳動機(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)車輛開始制動時，離合機(jī)構(gòu)推桿推動擺臂下壓，使得惰輪與輸入齒輪嚙合，驅(qū)動輪軸的扭矩經(jīng)齒輪傳動到渦簧軸，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能存儲于彈簧儲能機(jī)構(gòu)中。當(dāng)車輛制動停止時，離合機(jī)構(gòu)推桿收縮，此時惰輪和輸入齒輪不嚙合，彈簧儲能單元停止儲能。由于渦卷彈簧里存儲了能量，因而有反轉(zhuǎn)的趨勢，但因棘爪卡在棘輪上，防止了渦簧軸反轉(zhuǎn)。當(dāng)車輛啟動或加速時，卡鎖機(jī)構(gòu)推桿下壓，迫使棘爪脫離棘輪，此時渦簧軸在渦卷彈簧儲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，然后對這種裝置的機(jī)械傳動便捷控制、能量存儲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，對飛輪的制動初動能進(jìn)行計(jì)算與評估，按照制動初動能與彈簧彈性勢能相匹配的準(zhǔn)則對渦卷彈簧的參數(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)動慣量，kg·m2;jc為傳動機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動慣量，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為時間，s。

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

式中:i為傳動比;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。在制動回收和啟動釋放兩個狀態(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)行臺架試驗(yàn)，確定回收裝置零件及系統(tǒng)參數(shù)，對式(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)，對飛輪制動進(jìn)行仿真。分別以160，200和240r/min為初轉(zhuǎn)速n0對回收裝置進(jìn)行測試，得到儲能模式下的制動特性曲線，并與純摩擦制動特性曲線進(jìn)行對比，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 不同初速度的制動特性曲線對比

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

選擇不同輸出扭矩的渦卷彈簧對相同初速度飛輪進(jìn)行制動能量回收和釋放，仿真目的是研究渦卷彈簧的選型對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，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能量的大小，根據(jù)飛輪的初動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)動到 160，200，240r/min，并對仿真結(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彈簧對相同初始轉(zhuǎn)速的飛輪進(jìn)行能量回收時，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，飛輪的轉(zhuǎn)速越高即能量越大，回收裝置的阻力因素對系統(tǒng)的影響越小，回收效率越高。因此，渦卷彈簧式制動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)制動能量回收裝置的回收效率

圖8 不同初始轉(zhuǎn)速的制動能量回收裝置飛輪轉(zhuǎn)速

4 結(jié)束語

本技術(shù)可將飛輪的制動能量轉(zhuǎn)化為渦卷彈簧的彈性勢能存儲起來，并通過能量釋放驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動?；厥昭b置的制動特性曲線與純摩擦制動的特性曲線非常接近且變化趨勢相同，說明其制動特性滿足傳統(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.一種自行車儲能剎車裝置:中國，CN101774415A［P］.2010 －07 －11.

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