自行車液壓能量再生系統(tǒng)的研究

張文亭

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院，陜西咸陽 712000)

當今世界，各個國家都充分地認識到環(huán)境保護的重要性，有些地方通過立法來限制二氧化碳的排放，目的就是保護和提高城市的環(huán)境質量，并且大力推廣綠色出行。自行車作為一種傳統(tǒng)的交通工具，目前在城市越來越受到人們的重視與喜愛，因為自行車騎行安全、方便，特別是在城市和人口稠密的地方，它有時候比開車還要快。為了增加自行車的騎行方便性、節(jié)省體力，可以在自行車上增加一個小型液壓系統(tǒng)進行能量回收，把制動過程中產生的能量儲存起來，然后再重復使用。

傳統(tǒng)的自行車在制動的時候，車身所具有的動能以熱量的形式散發(fā)到環(huán)境中去，在每次停車或者減速時，都會發(fā)生這種情況。而在需要加速或者啟動時，不得不再次投入很大的體力去驅動自行車。尤其在城市中心行駛時，需要頻繁的啟停，這種情況下能量損失是相當大的。

液壓混合動力自行車，不是用鏈條來驅動，而是利用液壓回路來驅動自行車后輪。在正常運行時，人驅動腳踏帶動液壓泵轉動，油泵將壓力油輸送到液壓馬達，帶動液壓馬達旋轉，馬達再驅動后輪運動。在制動的時候，液壓馬達短時間作為液壓泵來使用，消耗自行車的動力把液壓油加壓儲存在蓄能器里，可以在加速模式時對液壓馬達進行輸入。

研究表明:在自卸型重卡中采用液壓能量回收系統(tǒng)，回收效率可以達到66%，通過使用推薦油路與配置能量回收效率可以高達73%，一般整體效率在32%～66%之間。這表明采用液壓系統(tǒng)進行能量回收相對其他能量回收系統(tǒng)而言，效率還是比較高的。

文中提出了一種新的液壓能量回收系統(tǒng)，主要由齒輪泵、齒輪馬達、電磁閥、儲油桶、蓄能器、軟管等原件組成，并完成對系統(tǒng)的分析與研究。

1 液壓能量回收系統(tǒng)的分析

圖1顯示了自行車車架上主要元件的布局。

圖1 自行車實物圖

油箱安裝在自行車立管上，油泵通過齒輪連接到鏈輪上，蓄能器水平固定在上管上，液壓馬達通過齒輪裝置和后輪連接在一起。為了方便分析，圖1中未示出液壓閥和電子控制系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)描述

在圖2所示液壓回路中，油箱用以儲存足夠量的液壓油，過濾器用以防止金屬或灰塵顆粒進入液壓系統(tǒng)，液壓泵將機械能轉化成液壓能，傳輸給液壓馬達。4個電磁閥用于控制自行車實現(xiàn)4種運動模式，這4種模式分別是:人力騎行，慣性滑行，制動，能量再生運行。在人力騎行和能量再生運行這兩階段，通過液壓齒輪馬達來驅動自行車后輪，而在制動時，齒輪馬達 (短時間作為泵來使用)把機械能轉化成液壓能儲存在蓄能器中，并在啟動過程中釋放。溢流閥作為安全閥來使用，在制動過程中，如果蓄能器充滿了，那么多余的油液就通過溢流閥流回液壓缸。換向閥1和換向閥2是2個兩位兩通電磁換向閥 (開關閥)，換向閥3是兩位三通電磁換向閥，換向閥4是兩位四通電磁換向閥，各換向閥電磁鐵所用的電源都是直流電源。選用的齒輪泵和齒輪馬達結構簡單，體積小，價格便宜，效率高，而且可以互逆使用。蓄能器采用相對比較輕巧的氣囊式蓄能器，可以根據(jù)系統(tǒng)壓力的需要事先充氣;溢流閥與蓄能器相連保證了在蓄能器充滿后能及將油液溢回油箱。各個液壓元件之間采用柔軟的液壓細管相連。

圖2 再生制動系統(tǒng)的液壓回路

1.2 系統(tǒng)分析

自行車的4種運行模式分別是:人力騎行，慣性滑行，制動，能量再生運行。在人力騎行模式時，是由人提供功率直接驅動自行車運動;在慣性滑行模式時，自行車因慣性而保持繼續(xù)運動;在制動模式下，自行車的動力用于驅動液壓齒輪馬達，反過來向蓄能器中充油;在能量再生運行模式下，儲存在蓄能器中的液壓能被釋放出來驅動自行車運行，這時可以沒有人力的作用。在液壓回路中，通過4個電磁閥不同的帶電情況可以實現(xiàn)剛才所述自行車的4種基本模式，如表1所示。

表1 不同模式下液壓閥電磁鐵的帶電情況

在人力騎行模式下，騎行人直接給齒輪泵提供功率，可以通過齒輪、鏈條或者皮帶把動力傳遞給齒輪泵，它們之間的傳動比取決于泵所要求的運行轉速的范圍。進油路:油箱→過濾器→齒輪泵→換向閥2的左位→換向閥4的左位→齒輪馬達的進油腔;回油路:齒輪馬達的回油腔→換向閥4的左位→換向閥3的左位→油箱。

在慣性滑行模式下，由于自行車和騎行人的慣性使車輛保持其運動。進油路:油箱→過濾器→換向閥1的左位→換向閥4的左位→齒輪馬達的進油腔;回油路:齒輪馬達的回油腔→換向閥4的左位→換向閥3的左位→油箱。這條回路是阻力最小的路徑，在滑行過程產生的能量將會發(fā)熱散去。

在制動過程中，不需要人力驅動了，因此齒輪泵是不起作用的。進油路:油箱→過濾器→齒輪泵→換向閥1的左位→換向閥4的左位→齒輪馬達 (泵)的吸油腔;回油路:齒輪馬達 (泵)的壓油腔→換向閥4的左位→換向閥3的右位→蓄能器。在制動的瞬間，液壓馬達作為一個泵來使用，用自行車的動能來驅動泵，從而減慢了自行車的速度，同時蓄能器中的高壓油液也得到了補充。在蓄能器完全充滿后，多余的油液通過溢流閥釋放到油箱中。

在能量再生運行期間，蓄能器把壓力油供給液壓馬達，實現(xiàn)壓力能到機械能的轉換。進油路:蓄能器→換向閥3的右位→換向閥4的右位→齒輪馬達的進油腔;回油路:齒輪馬達的回油腔→換向閥4的右位→換向閥1的左位→過濾器→油箱。

2 系統(tǒng)元件規(guī)格核算

以26山地車為例進行各元件規(guī)格核算。

自行車從速度v0到完全靜止所需要的制動能量:

式中:m是自行車和騎車人的總質量。

由于制動時間通常比較短，制動轉矩比較大，因此空氣阻力等忽略不計，這樣可以得出制動時的轉矩公式:

式中:Iw是車輪的轉動慣量的質量矩;m是總質量;Rw是車輪的半徑;a是使車輪停止運動的減速度。

由于自行車屬于移動設備，為了減輕車身質量，這里采用氣囊式蓄能器，其結構如圖3所示，它由充氣閥、殼體、氣囊和限位閥組成。這種蓄能器是在高壓容器內裝入一個耐油橡膠制成的氣囊，氣囊內一般充氮氣，氣囊外儲油，殼體下端有限位閥，它能使油液通過閥口進入蓄能器，又能防止當油液全部排出時氣囊膨脹出容器之外。

圖3 充氣式蓄能器

這里把氮氣當作理想氣體，忽視液壓油的可壓縮性，套用熱力學方程可得:

其中:pi、Vi分別為蓄能器氣囊中的初始壓力和體積;p、V分別為蓄能器氣囊中的最終壓力和容積;Vf是進入蓄能器的液體的體積;c是常數(shù);γ為絕熱指數(shù)，取1.41。

假設當制動結束后，蓄能器中液體的壓力為p1，那么這時蓄能器中儲存的能量為:

其中:Vf是在制動過程中進入蓄能器的液壓。

從上式來看蓄能器的容積大小很重要，它確保自行車能啟動并且達到一定的速度。當然蓄能器的進口壓力一般不能超過系統(tǒng)的最大工作壓力，如果超過了，油液就會溢流回儲油桶中，造成能量損失。因此，蓄能器需要足夠的容積和流量來滿足系統(tǒng)的需要。

從式 (1)和 (4)可推出:

蓄能器容積公式可以從下面公式獲得:

整理以上可以得到:

蓄能器的最高工作壓力出現(xiàn)在制動過程中，p1和p2都小于此值，假定蓄能器在充壓和釋放過程中是絕熱的。在制動時，液壓馬達短時間作為液壓泵來工作，驅動液壓馬達 (泵)的轉矩公式:

其中:Δp是液壓馬達 (泵)進出口壓差;VM是液壓馬達的排量;ηt是油液馬達 (泵)的機械效率。由于自行車的液壓系統(tǒng)不需要太復雜的，因此選擇比較簡單的定量齒輪馬達。液壓馬達的進出口壓差公式:

其中:p2是儲油桶口的壓力，通常取一個大氣壓;f是液體的摩擦因數(shù);L是油箱和馬達之間軟管的有效長度;ρ是油液的密度;A是軟管的內部橫截面積。

在制動過程中蓄能器所充氣體的壓力:

其中:Qa為在制動過程中，液壓馬達中實際通過的流量，其公式:

其中:VP是液壓馬達的排量;ηv是其容積效率。

在能量再生運行模式下，儲存在蓄能器中的能量來驅動液壓馬達，在此過程中，實現(xiàn)了液壓能到機械能的轉變。

液壓馬達產生的實際驅動轉矩:

其中:ηt為液壓馬達的機械效率。

跟上面類似，通過液壓馬達的壓力計算公式:

實際要求通過馬達的流量:

液壓能量再生制動系統(tǒng)的實際能量回收率等于蓄能器中儲存的能量與自行車動能之比:

其中:Δt是制動過程的時間。

再生制動能量:

自行車速度從v0減少到vΔt所帶的動能:

3 總結

設計了一個簡單的液壓回路，在控制電路的配合下可以在自行車上實現(xiàn)能量的回收再利用。這樣人們在騎車時，尤其是在啟動、爬坡或者需要加速時就可以少消耗自身的體力。體能消耗的減少將鼓勵更多人選擇騎車。由于該系統(tǒng)通過實驗選擇了質量輕的標準元件，因此，車身質量沒有大的增加，系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，元件方便更換。

當然該系統(tǒng)也有缺點，它的價格相對比較貴，通常是普通自行車的兩到三倍，但是作者相信通過進一步的開發(fā)和研究，一定可以降低其經濟成本。

［1］李芝.液壓傳動［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］王成福.電器及PLC控制技術［M］.杭州:浙江大學出版社，2008.

［3］謝正寬.自行車騎行寶典:單車學校教你的52堂課［M］.北京:中國輕工出版社，2012.

［4］CLEGG S J.A Review of Regenerative Braking Systems［R］.The University of Leeds，1996.

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