頻繁正反轉(zhuǎn)運(yùn)動的儲能

洪雯 孫靜怡 劉東冉 李美琳

摘 要：汽車要減速時可以將余下的動能轉(zhuǎn)變成重力勢能儲存起來，比如在還有一定速度的時候?qū)④囃５礁咛帯６鴮τ谟蓄l繁正反轉(zhuǎn)動的機(jī)器，比如說洗衣機(jī)，也可以將這部分能量利用起來。本方案提出的節(jié)能裝置主要采用渦卷彈簧，及棘輪式超越離合器、新型減速離合器等部件，利用發(fā)動機(jī)正（反）向旋轉(zhuǎn)制動、減速等產(chǎn)生的機(jī)械能用渦卷彈簧儲存起來，而在發(fā)動機(jī)反（正）向啟動、加速時發(fā)出能量得以應(yīng)用，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。該方案具有低能耗、低排放、高效率等優(yōu)點(diǎn)，較普通洗衣機(jī)節(jié)能效果顯著，具有很大的市場空間和推廣價值。

關(guān)鍵詞：渦卷彈簧；減速離合器；電路控制系統(tǒng)

全自動洗衣機(jī)主要由箱體、洗滌脫水桶、傳動和控制系統(tǒng)等組成，有的還裝有加熱裝置。機(jī)械力、洗滌液、水是洗衣機(jī)洗滌過程中的三要素。洗衣機(jī)運(yùn)動部件產(chǎn)生的機(jī)械力和洗滌液的作用使污垢與衣物纖維脫離。加熱洗滌液，可增強(qiáng)去污效果。滾筒洗衣機(jī)洗滌功率一般在200瓦左右，如果水溫加到60攝氏度，一般洗一次衣服都要100分鐘以上，耗電在1.5度左右。洗衣機(jī)在洗衣服的時候需要不斷的啟動、制動、變速，利用渦卷彈簧儲存電動機(jī)正向制動、減速過程中產(chǎn)生的機(jī)械能并在洗衣機(jī)反向加速時釋放，就可以達(dá)到節(jié)省能源的作用。

我們設(shè)計的這種裝置，是將渦卷彈簧安裝在洗衣機(jī)的減速離合器（控制洗衣機(jī)輪軸處于正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)的核心部件）上，通過將洗衣機(jī)洗滌模式正向減速的浪費(fèi)的機(jī)械能經(jīng)彈簧儲能轉(zhuǎn)變成可以做功的彈性勢能，再在其反向加速時將彈簧內(nèi)存儲的彈性勢能釋放出去做功，使洗衣機(jī)反向加速旋轉(zhuǎn)，從而起到節(jié)能減排的作用。

1 全自動洗衣機(jī)的工作原理

波輪式洗衣機(jī)工作原理：依靠裝在洗衣桶底部的波輪正、反旋轉(zhuǎn)，帶動衣物上、下、左、右不停地翻轉(zhuǎn)，使衣物之間、衣物與桶壁之間，在水中進(jìn)行柔和地磨擦，在洗滌劑的作用下實(shí)現(xiàn)去污清洗。其工作時分洗滌模式和脫水模式。

2 采用的結(jié)構(gòu)

2.1 棘輪式超越離合器

棘輪式超越離合器是由棘輪機(jī)構(gòu)和離合機(jī)構(gòu)組成。

棘輪機(jī)構(gòu)主要有搖桿、棘爪、棘輪、制動爪和機(jī)架組成。彈簧使制動爪和棘輪保持接觸。

工作過程：搖桿逆時針擺動——棘爪插入齒槽——棘輪轉(zhuǎn)過角度——制動爪劃過齒背

搖桿順時針擺動——棘爪劃過脊背——制動爪組織棘輪作順時針轉(zhuǎn)動——棘輪靜止不動

因此當(dāng)搖桿作連續(xù)的往復(fù)擺動時，棘輪將作單向間歇轉(zhuǎn)動。

離合機(jī)構(gòu)由方絲離合彈簧和離合套組成。

實(shí)現(xiàn)彈簧旋松的機(jī)構(gòu)是棘輪棘爪裝置，圖1是其工作原理簡圖。方絲離合彈簧下端的彈簧卡2卡在棘輪3的內(nèi)槽中，通過棘爪5的擺動使棘輪3轉(zhuǎn)動，從而帶動方絲離合彈簧向旋松方向轉(zhuǎn)動，通過渦卷彈簧的壓縮和釋放實(shí)現(xiàn)能量的重新利用與節(jié)能過程。

2.2渦卷彈簧

圖2 渦簧結(jié)構(gòu) 圖3 CAD示意圖

渦卷彈簧具有雙向儲能的功能，它無論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)都可以將動能變成彈性勢能存儲起來，而它最廣泛的應(yīng)用是用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中。將它的中心端固定在軸上，最外端與旋轉(zhuǎn)物固定在一起，即可與旋轉(zhuǎn)物一起轉(zhuǎn)動；如果可以控制渦卷彈簧在旋轉(zhuǎn)停止時，剛好處于沒有形變的時候，在慣性下，渦卷彈簧會以形變的形式將動能轉(zhuǎn)變成彈性勢能，這就是儲能過程。但是由于儲存的能量不能長久的保持，就需要很快的將這部分能量利用起來。于是，設(shè)定在發(fā)動機(jī)開始反向加速時，將這部分能量釋放出來。為了減少對渦卷彈簧的磨損，引入新型減速離合器，并編程控制在發(fā)動機(jī)正轉(zhuǎn)結(jié)束的一刻，將渦卷彈簧接入使其儲存動能，儲存能量完畢之后渦卷彈簧張到最大，并在發(fā)動機(jī)開始反向轉(zhuǎn)動前一刻釋放完能量，而到發(fā)動機(jī)正要反向加速運(yùn)動時，將渦卷彈簧接出。

而我們采用的新型離合器：棘輪式超越離合器恰好能滿足我們的要求，它的齒輪結(jié)構(gòu)方便渦卷彈簧的接入與接出，而棘爪剛好可以與渦卷彈簧的最外端相連接，滿足上述的要求；此外它可以接到洗衣機(jī)的中軸上并很好的固定住。

3 傳動部分

洗滌時防止內(nèi)桶出現(xiàn)跟轉(zhuǎn)是設(shè)計中一個非常重要的問題。洗滌時，波輪將傳動力矩傳遞給水和洗滌物，而轉(zhuǎn)動的水和洗滌物又將轉(zhuǎn)矩傳遞給內(nèi)桶。因此，內(nèi)桶如果不固定或固定不可靠，就要隨之轉(zhuǎn)動，這就是跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。洗滌時，內(nèi)桶跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象將減弱洗滌效果并對洗衣機(jī)不利，所以要防止山桶出現(xiàn)跟轉(zhuǎn)。因為內(nèi)桶和脫水軸是連成一體的，所以只要將脫水軸可靠固定，就可使內(nèi)桶不跟轉(zhuǎn)。為此，除了剎車裝置外，在脫水軸上還安裝有單向滾針軸承，其工作原理如圖4所示。

當(dāng)波輪逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)桶有逆時針方向跟轉(zhuǎn)的傾向，這時與內(nèi)桶成一體的脫水軸被單向滾針軸承卡住，不能轉(zhuǎn)動，所以內(nèi)桶也就不能轉(zhuǎn)動。但在波輪順時針力向轉(zhuǎn)動時，單向滾針軸承允許轉(zhuǎn)動的方向與之一致，所以對脫水桶沒有制動作用。

當(dāng)波輪順時針方向轉(zhuǎn)動時，內(nèi)桶有順時針方向跟轉(zhuǎn)的傾向，這時自然狀態(tài)的剎車扭簧將被旋緊，緊緊抱住剎車裝置外罩的軸端，相互之間產(chǎn)生足夠的摩擦力使兩者成為一整體。剎車裝置外罩的順時針旋轉(zhuǎn)摩擦力將剎車帶拉緊，剎車帶對剎車盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生摩擦阻力，這樣就阻止了內(nèi)銅內(nèi)桶跟轉(zhuǎn)。

綜合所述，當(dāng)波輪逆時針轉(zhuǎn)動時，依靠單向滾針軸承來防止內(nèi)桶跟轉(zhuǎn)；當(dāng)波輪順時針方向轉(zhuǎn)動時，依靠剎車裝置來防止內(nèi)桶跟轉(zhuǎn)。

脫水過程中突然打開洗衣機(jī)上蓋，排水電磁鐵失電，方絲離合彈簧恢復(fù)到洗滌狀態(tài)，由于脫水是順時針旋轉(zhuǎn)，剎車扭簧將抱緊，剎車裝置起作用，剎車帶將使內(nèi)桶迅速制動。

4 電路控制部分

在電路控制方面，我們選用以單片機(jī)為核心的邏輯電路來控制洗衣機(jī)的轉(zhuǎn)停時間和彈簧的接入，實(shí)現(xiàn)了全自動控制的洗衣機(jī)電路控制。交流部分是利用單片機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，直流部分利用整流橋?qū)?20VAC降壓得到5VDC給單片機(jī)和繼電器控制電路供電。繼電器通過單片機(jī)信號控制通斷。其中單片機(jī)是一種集成芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器。而整流橋就是將整流管封在一個殼內(nèi)了，分全橋和半橋。可以起到把交流變直流的作用。

其中，如何控制在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)控制減速離合器接入渦卷彈簧是關(guān)鍵，這就要通過電路控制系統(tǒng)。而具體的數(shù)據(jù)是要通過觀察、測量、編程、再測量等一系列的實(shí)驗得到的。首先，觀察洗衣機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，再測量正、反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的時間，電機(jī)停止工作后多少秒滾筒完全停止，完全停止多少秒后電機(jī)開始工作。并將這些實(shí)驗得到的數(shù)據(jù)編入控制單片機(jī)的程序，從而控制渦卷彈簧在恰當(dāng)?shù)臅r間接入。編程后，啟動洗衣機(jī)，再觀察該程序是否能有效的完成預(yù)期目的，如果能的話則采用此編程，如果不能則再觀察測量得到新的數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步驟直至得到正確的數(shù)據(jù)為止。

5 與傳統(tǒng)洗衣機(jī)相比較的優(yōu)勢（見下表）

參考文獻(xiàn)

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