基于曲柄連桿運動的汽車減速帶能量回收裝置設(shè)計*

徐妍彥，鄧援超

(1.湖北工業(yè)大學 底特律綠色工業(yè)學院，湖北 武漢 430068； 2.湖北工業(yè)大學 機械工程學院，湖北 武漢 430068)

0 引 言

中國是能源消耗大國，能源消耗約占世界的1/3，但同時我國也是一個能源缺乏的國家，在剛剛過去的2021 年下半年，全國范圍內(nèi)多個省份出現(xiàn)了拉閘限電，所以節(jié)能對我國的意義重大。 我國是汽車擁有量大國，截至2021 年底，全國機動車保有量達3.95 億輛。 汽車給人們交通出行帶來便利的同時，也給城市交通安全管理帶來了巨大壓力。 為確保交通安全，限制機動車行駛速度成為交通安全化的主要策略之一[1]，在高速公路收費站、大型商場地下車庫入口及車流較大的學校周邊道路等場所大都安裝了汽車減速帶。 汽車通過減速帶時都會出現(xiàn)上下抖動、顛簸，使人體產(chǎn)生不適，汽車的動能轉(zhuǎn)化為制動摩擦熱能而消失。 基于這一狀況，郭艷等[2]利用液壓減振原理，回收汽車制動減速能量并將其轉(zhuǎn)化發(fā)電；杜華釗等[3]研究了通過鏈條嚙合棘輪齒的方式進行發(fā)電的方法，張蕉蕉等[4]研究了扇形輪齒傳遞驅(qū)動發(fā)電，崔孝冬等[5]研究了懸臂梁式壓電片發(fā)電，朱子豪[6]開展了汽車—減速帶—壓電耦合動力學模型仿真理論研究。 研究表明，液壓減振發(fā)電效率低，成本較高，鏈條嚙合棘輪齒及扇形輪齒傳遞驅(qū)動等方式存在嚙合間隙過大、能耗損失較大等問題，壓電片發(fā)電存在疲勞破壞、單次發(fā)電量小等問題。

筆者在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種利用曲柄連桿機構(gòu)將減速帶上下的往復運動轉(zhuǎn)為圓周運動并直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電的設(shè)計方案。 改裝后的汽車減速帶裝置可以將汽車通過減速帶時的重量勢能和部分動能直接轉(zhuǎn)化為電能，并進行回收。 這一能量回收裝置的能量轉(zhuǎn)化過程中機械能損失小、結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)電效率高，特別是這一方案在發(fā)電的同時，借助減速板底部彈簧的緩沖作用，有效減少減速板對車輛的沖擊，避免了車內(nèi)人員較大的震動，大大增強了車內(nèi)人員的舒適感，有利于行車安全，延長車輛的使用壽命，有效保護了車輛的性能，研究成果具有較大的經(jīng)濟價值和社會價值。

1 運動模型建立及分析

1.1 減速板發(fā)電裝置驅(qū)動模型

汽車減速帶發(fā)電能量回收裝置的關(guān)鍵技術(shù)是將汽車通過減速帶時對減速帶的壓縮沖擊動能和重力勢能進行轉(zhuǎn)化。 基于機械原理中曲柄連桿機構(gòu)的往復運動可轉(zhuǎn)化為圓周運動的特點，在減速帶底部設(shè)置一個基坑，并安裝一組彈簧支撐減速板，在減速帶板正下方設(shè)計一個如圖1 所示的曲柄連桿機構(gòu)。 在汽車壓縮減速帶的過程中，給曲柄連桿機構(gòu)一個驅(qū)動力F，在彈簧作用下迫使曲柄連桿上端做垂直方向的往復運動，連桿機構(gòu)的下端帶動鋼質(zhì)圓盤做圓周運動，為發(fā)電機提供驅(qū)動能量。

曲柄連桿機構(gòu)如圖1 所示。 為滑塊提供往復運動空間。 驅(qū)動連桿與鋼質(zhì)圓盤連接處至鋼質(zhì)圓盤中心長度為R，定義為曲柄連桿結(jié)構(gòu)的搖桿。 以鋼質(zhì)圓盤的圓心為原點，建立坐標系，α為搖桿與y軸的夾角，β為驅(qū)動連桿與y軸的夾角，ω為鋼質(zhì)圓盤運動角速度。

圖1 曲柄連桿運動模型圖

1.鋼質(zhì)飛輪 2.驅(qū)動連桿 3.滑塊 4.導槽

1.2 曲柄滑塊機構(gòu)運動分析

如圖1 所示，以飛輪的中心為原點建立坐標系，滑塊沿y軸方向運動。 令曲柄連桿機構(gòu)初始時連桿與搖桿共線，總長度為R＋L。 當滑塊運動位移為S時，搖桿與初始位置產(chǎn)生夾角α，連桿與初始位置產(chǎn)生夾角β。 由圖1 幾何關(guān)系可知:

由正弦定理可得Lsinβ＝Rsinα，令搖桿與連桿長度之比為k＝R/L， sinβ＝ksinα，故:

因為:cos 2α＝1-2sin2α，sin2α＝(1-cos 2α)，故:

將(3)代入(1)可得曲柄連桿機構(gòu)滑塊往復運動位移S與搖桿圓周運動轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系式為:

取S對時間的導數(shù)，即可得到滑塊的速度v:

式中:dα/dt＝ω，ω為搖桿的角速度。

得到曲柄連桿機構(gòu)滑塊往復運動速度v與搖桿圓周運動轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系式為:

同樣，取v對時間的導數(shù)，即可得到滑塊的加速度a與搖桿圓周運動轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系式為:

2 能量回收裝置設(shè)計

2.1 構(gòu)件組成及特點

文中設(shè)計的能量回收裝置主要由發(fā)電裝置、蓄電裝置及附屬土建工程組成。 利用SoildWorks 三維技術(shù)對能量回收裝置建模，并轉(zhuǎn)化為CAD 以便于表述結(jié)構(gòu)關(guān)系，結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 汽車減速發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

發(fā)電裝置主要由減速帶板、減震裝置、連桿驅(qū)動裝置、發(fā)電機等組成。 發(fā)電裝置主要構(gòu)件的特點是:構(gòu)件1 和構(gòu)件2 是剛接連接，構(gòu)件4 與構(gòu)件2 及構(gòu)件5 是軸承連接，構(gòu)件6 是發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸，與構(gòu)件5 是剛接連接，構(gòu)件5 起到帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子的飛輪作用。

蓄電裝置主要由連接電纜、橋式整流器及蓄電池組成，蓄電裝置盡量布置在距離減速帶較近、防水、通風條件較好的空間。

滿足上述裝置的土建工程主要包括減速帶坑、發(fā)電機坑及坑道排水設(shè)施等。

2.2 發(fā)電工作原理

汽車減速板發(fā)電的原理是將汽車壓縮減速帶板的沖擊動能及部分重量勢能轉(zhuǎn)化為電能，即當汽車行駛通過減速帶板時，汽車輪胎壓住減速板→減速板及減速板驅(qū)動桿往下運動→驅(qū)動連桿帶動飛輪(鋼質(zhì)圓盤)做圓周運動→鋼質(zhì)圓盤轉(zhuǎn)軸驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)電。

由于汽車輪胎壓住減速板使減震器彈簧受壓，當汽車車輪離開減速帶時，減震器彈簧恢復形變往上運動→減速板及減速帶驅(qū)動桿往上運動→驅(qū)動連桿帶動鋼質(zhì)圓盤做圓周運動→鋼質(zhì)圓盤轉(zhuǎn)軸驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)電。

因此，汽車車輪通過減速帶時使得減速帶板(含減速帶驅(qū)動桿)上下往復運動，從而帶動驅(qū)動連桿及飛輪做運動，飛輪驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

2.3 參數(shù)設(shè)計及運動關(guān)系

考慮汽車減速板厚度為50 mm 左右，為減小裝置基坑的開挖深度，設(shè)計裝置中構(gòu)件4 驅(qū)動連桿的長度L＝600 mm，驅(qū)動圓盤5 的搖桿半徑R＝150 mm，則k＝R/L＝0.25，參照公式(4)可得:

汽車單軸通過減速板完成一次往復運動位移S與驅(qū)動鋼質(zhì)圓盤做圓周運動的轉(zhuǎn)動角度α之間的運動關(guān)系曲線如圖3。 假設(shè)汽車單軸經(jīng)過減速板的時間為0.5 s，減速板帶動連桿往復運動的周期T＝1 s，則鋼制圓盤的角速度ω＝2π/T＝2πrad/s，參照公式(6)可得:

圖3 減速板運動位移與驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系圖

汽車單軸通過減速板往復運動速度v與驅(qū)動鋼質(zhì)圓盤做圓周運動的轉(zhuǎn)動角度角度α之間的運動關(guān)系曲線如圖4。

圖4 減速板運動速度與驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系圖

2.4 技術(shù)特點及相關(guān)要求

(1) 汽車通過減速帶板發(fā)電的同時，汽車通行更加平穩(wěn)，增加了人體的舒適度。 這是由于汽車通過減速帶時，減速帶板受到整個發(fā)電裝置的阻尼作用，減速帶板會緩慢下降，減速帶板完全進入減速帶坑后，減速帶區(qū)域路面平整，汽車行駛平穩(wěn)。 其次，為減少汽車通過減速板的沖擊感，將減速板的截面設(shè)計成月牙板半圓形[7]。

(2) 減速帶板發(fā)電裝置位置依據(jù)車道分布情況布置，盡量使車輪居中行駛在減速帶板上，對車流密集區(qū)的多個減速帶板可以布置多個發(fā)電裝置實現(xiàn)同時發(fā)電，同時發(fā)電時，對單個裝置進行并網(wǎng)發(fā)電后外輸，接入附近的蓄電池，蓄電池等裝置盡量布置在室內(nèi)。

(3) 文中設(shè)計裝置土建工程需要做好坑道內(nèi)積水的收集和排放工作，需要做好地下電纜的絕緣和保護工作，盡量將整流裝置及蓄電池安裝在室內(nèi)。

3 電路設(shè)計

由于汽車通過減速帶時曲柄連桿機構(gòu)所產(chǎn)生的圓周運動有可能是順時針運動，有可能逆時針運動，因此，上述設(shè)計的發(fā)電裝置產(chǎn)生的是交替變化的電流。 利用二極管單向?qū)ㄌ匦訹8]，可以將四個二極管兩兩對接，形成橋式整流器，如圖5 所示。

圖5 橋式整流器電路圖

假定某一時刻汽車壓縮減速帶板帶動發(fā)電線圈順時針轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生如圖5 所示電壓u，設(shè)輸入端a為正、b為負，此時二極管D1和D3處于通導狀態(tài)，D2和D4處于斷開狀態(tài)，輸出端上獲取的電壓是上正下負。 假定另一時刻汽車壓縮減速帶板帶動發(fā)電線圈逆時針轉(zhuǎn)動時，得到的是相反結(jié)果，即二極管D2和D4處于通導狀態(tài)，D1和D3處于斷開狀態(tài)，但輸出端的電壓依然是上正下負。 將發(fā)電線圈輸出電流的正、負極與蓄電池的正、負極對應(yīng)連接，蓄電池可以獲得穩(wěn)定的單向脈動電壓，從而達到穩(wěn)定充電狀態(tài)。 如圖6。

圖6 單相橋式整流電路工作波形圖

設(shè)u為輸入電壓，R為蓄電池電阻，整流電壓平均值U0和整流電流平均值I0計算如下[9]:

4 發(fā)電量計算

以某大型商場一個入口為例，統(tǒng)計一天內(nèi)普通轎車通過單個能量回收裝置的發(fā)電量。 普通轎車質(zhì)量2 000 kg，減速帶板質(zhì)量10 kg，減震彈簧剛度為20 kg/mm，汽車通過減速帶板下行位移為100 mm，參考文獻[10]，依據(jù)牛頓第二定義，計算汽車壓縮減速板的下行速度v下＝1 m/s，汽車離開時減速帶板上行速度為v上＝14 m/s，飛輪轉(zhuǎn)速n＝100 r/min，單次減速帶板往復運動時間t＝0.20 s，汽車前后輪通過減速帶板的時間約4 s。 發(fā)電機的輸出電壓為E0:

式中:N為砸數(shù)(取200，電阻R 約8 Ω)；K為常系數(shù)(約為1.1～1.25)；f為頻率；p為極對數(shù)(取2 對)；n為轉(zhuǎn)速；Φ為磁通量，20Wb。

計算發(fā)電機E0＝74 V，E有效＝0.707E0＝52.3 V。發(fā)電機有效功率P發(fā)電機＝/R＝0.034 W。 一輛汽車通過發(fā)電量W＝p發(fā)電t＝0.024 kW·h。

采用“TS-NN 模型”法[11]預(yù)測道路某一出入口的交通車流量，按每小時通過商場某一個出入口的車流量為3 600 輛，同一出入口部位前后平行設(shè)置兩條減速帶板，計算發(fā)電量W＝172.8 kW·h。 一年的發(fā)電量約為6.3 kW·h。

5 結(jié) 論

(1) 基于曲柄連桿機械運動用于汽車通過減速板直線往復運動轉(zhuǎn)化為飛輪的圓周運動直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，能量轉(zhuǎn)化損失小、發(fā)電效率高。 這一方案克服了鏈條或齒輪傳遞發(fā)電能量損失大的缺陷，也克服了傳統(tǒng)壓電板發(fā)電容易出現(xiàn)疲勞破壞且單次發(fā)電量小的問題。

(2) 減速帶板底部設(shè)置的減震彈簧能起到較好的減振作用，將傳統(tǒng)的汽車減速剛性沖擊轉(zhuǎn)化為柔性壓縮，提高了汽車通過減速帶時人體的舒適度，減少了汽車輪胎磨損。

(3) 設(shè)計的能量回收裝置主要由發(fā)電裝置和電能儲存裝置組成，機械原理及構(gòu)造簡單，配套土建安裝工程簡便易行，便于推廣。

(4) 采用單相橋式電路，對汽車間歇式壓縮減速帶板產(chǎn)生的正弦電流進行整流后形成單向脈動直流電，便于蓄電池充電存儲，電能采集率高，結(jié)構(gòu)簡單。

(5) 單組減速帶板一年的發(fā)電量約6.3 kW·h，能量回收經(jīng)濟效益可觀，為我國新能源發(fā)展提供了新的技術(shù)途徑。