陳若明，胡 辰

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

1 設(shè)計(jì)背景及概況

隨著能源節(jié)約方面意識(shí)的提升，社會(huì)公眾開始關(guān)注原本浪費(fèi)的能源該如何有效收集利用。近年來，公眾對(duì)風(fēng)能、太陽能等能源的回收有了較普遍的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)振動(dòng)能量的回收還沒有形成普遍的關(guān)注和認(rèn)知[1]。

本作品以汽車行駛時(shí)振動(dòng)能量回收的互動(dòng)體驗(yàn)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)出互動(dòng)式車輛能量回收體驗(yàn)器，讓公眾直接體驗(yàn)振動(dòng)能量回收的過程，從而加深公眾對(duì)振動(dòng)能量回收的認(rèn)識(shí)[2-3]。

本文設(shè)計(jì)的互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器有兩種模式。第一種模式是通過演示大屏的能量回收進(jìn)度條，體驗(yàn)者可以體驗(yàn)自己彈跳引起車輛振動(dòng)時(shí)振動(dòng)能量的產(chǎn)生過程。第二種模式是兩位體驗(yàn)者依次跳躍后，根據(jù)能量回收顯示大屏的振動(dòng)能量回收值進(jìn)行比較。

2 互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器設(shè)計(jì)原理

2.1 振動(dòng)能量回收的措施

汽車的振動(dòng)能量回收主要有以下兩種方式。

2.1.1 油管驅(qū)動(dòng)葉輪式

將旋轉(zhuǎn)的葉輪安置在油管道中，車輛振動(dòng)的能量推動(dòng)油管中的油驅(qū)動(dòng)葉輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的有效回收利用[4]。

2.1.2 壓電效應(yīng)式

通過饋能懸架的能量回收機(jī)構(gòu)，將車輛振動(dòng)產(chǎn)生的能量通過壓電效應(yīng)變成可回收利用的電能[5-6]。

此外還有將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗艿然厥绽玫姆绞?，因?yàn)閼?yīng)用較少，回收效果不明顯，所以這里不多做相關(guān)介紹[7-8]。

2.2 互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器的概述

互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器是利用振動(dòng)能量回收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)的懸架。在帶有鋼板彈簧懸架車輛的基礎(chǔ)上，融入振動(dòng)能量回收的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了可顯示回收振動(dòng)能量值的顯示大屏。能量回收主體機(jī)構(gòu)由壓電片及控制電路組成。

互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括：車架、饋能型汽車懸架、顯示屏等。

2.2.1 能量回收功能的實(shí)現(xiàn)

壓電片在受壓后，上表面和下表面形成正負(fù)電極，正負(fù)電極通過傳輸線路傳給電壓采集模塊，電壓采集模塊就會(huì)形成6～22 V的波動(dòng)電壓，波動(dòng)電壓傳到boost升降壓模塊，同時(shí)也傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接收到波動(dòng)電壓后，通過脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）調(diào)節(jié)電壓的脈寬大小以及boost的基極電壓，boost升降壓模塊接收到脈寬后，將6～22 V的波動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換成14 V的恒定電壓，從而為汽車電池充電。

2.2.2 能量回收的顯示

壓電產(chǎn)生的正負(fù)電荷，通過電壓采集模塊輸出6～22 V波動(dòng)電壓，通過電流采集模塊輸出采集的電流值。

電壓模塊輸出電壓信號(hào)，電流模塊輸出電流信號(hào)，信號(hào)匯集到串行通信模塊，通過串行通信模塊內(nèi)部計(jì)算電壓和電流的乘積得到能量值。

這個(gè)能量數(shù)值通過USB線接到電腦端口，電腦就能夠通過LabVIEW編程軟件顯示能量值的大小。

3 互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模

3.1 基于SolidWorks的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)用SolidWorks軟件的建模功能對(duì)互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器的子部件進(jìn)行三維建模，如車架、饋能型懸架、顯示屏等，組裝互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器的三維模型。

圖1為互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器車架的三維模型，該機(jī)構(gòu)起到了支撐汽車總體、連接汽車各部件并保證其正確安裝位置的作用。

圖1 互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器車架模型

圖2為饋能型汽車懸架模型的三維模型。該機(jī)構(gòu)的作用是將汽車在行駛過程中振動(dòng)帶來的機(jī)械能通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為可利用的電能。上下連接車橋和車架的饋能型汽車懸架，當(dāng)兩端距離在行駛振動(dòng)帶來的機(jī)械能作用下發(fā)生變化時(shí)，通過壓電效應(yīng)使振動(dòng)的能量經(jīng)過能量采集裝置回收后產(chǎn)生電能，可作為車輛信號(hào)燈能源或儲(chǔ)存在汽車蓄電池內(nèi)。

圖2 饋能型汽車懸架模型

圖3為能量回收顯示屏的三維模型。該部件的作用是使車輛振動(dòng)過程中饋能懸架回收的能量經(jīng)處理后，其數(shù)值能在能量回收顯示屏上顯示。

圖3 能量回收顯示屏

最后運(yùn)用軟件SolidWorks的裝配功能，將設(shè)計(jì)的互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器的三維零部件進(jìn)行裝配，產(chǎn)品總成結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器總成

3.2 互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器的工作過程

當(dāng)互動(dòng)式車輛振動(dòng)能量回收體驗(yàn)器開始工作時(shí)，車輛在人向下的壓力沖擊下，鋼板彈簧在壓力沖擊下趨向于水平，鋼板彈簧和上鋼板之間距離減小，活塞推桿帶動(dòng)活動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，液壓缸內(nèi)產(chǎn)生液壓力，受到液壓力的壓力活塞壓動(dòng)壓電片產(chǎn)生壓電效應(yīng)，最后外部壓電能量采集裝置自動(dòng)回收能量，見圖5。

圖5 能量回收示意圖

該產(chǎn)品通過饋能型懸架將人站在車架上上下跳動(dòng)產(chǎn)生的能量收集起來，經(jīng)過處理后，所回收的振動(dòng)能量在大屏上顯示。該產(chǎn)品便于科技館展示振動(dòng)能量回收的過程，加深社會(huì)公眾對(duì)振動(dòng)能量回收的認(rèn)識(shí)。