涡卷弹簧式制动能量回收装置研究.pdf

2015年10月
机械设计与制造工程
oct.2015
第44卷第10期
Machine Design and Manufacturing Engineering
Vol 44 No 10
DOI:10.3969/j.isn.2095-509X.2015.10.017
涡卷弹簧式制动能量回收装置研究
单文泽,潘孝斌,陈元泰,易慎光
(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)
摘要:采用平面涡卷弹簧作为储能主元件,设计了一种制动能量回收装置,实现车辆制动能量的
存储及在启动或加速时释放。建立制动能量回收装置回收及释放过程的数学模型并进行仿真,
得到其制动特性曲线与传统摩制动特性曲线的关系,并验证其可行性。对比分析仿真结果,对
涡卷弹簧进行选型,得到飞轮初速度对制动回收裳置能量回收效率的影响,验证了采用涡卷弹簧
回收制动能量的方法具有高效率的特点,结果表明该技术路线可行,具有推广价值。
关键词:平面涡卷弹簧;制动能量回收;数学模型;制动特性
中图分类号:TYH132;TH135,1文献标志码;A文章编号:2095-509X(2015)10-0073-05
车辆的传统摩擦制动是将车辆的制动能量转为200kg。在不改变车辆整体布局和不影响驾驶
化为摩擦热能耗散掉,这将造成大量动能的浪费,的情况下,将回收装置融合于车辆原有传动机构
加剧了能源损耗和环境污染。因此,探索制动能量上。回收装置的传动机构与车辆其他机构互不干
的高效存储和利用是节能环保的重要途径。现有涉,在实现制动能量回收、释放和便捷控制的同时
能量回收方法主要有飞轮蓄能法、液压蓄能法和蓄传动级数应尽量少,从而减少齿轮摩擦引起的能量
电池蓄能法リ。由于飞轮质量很大,飞轮蓄能法损耗。回收装置主要由传动控制机构和弹簧储能
应用于小型车辆具有局限性;液压蓄能法由于其蓄单元组成,其工作原理图如图1所示。
能器空间较大且能量转换较慢,所以应用也不广
泛;蓄电池蓄能技术相对较成熟,但蓄电池的储能
效率较低,充发电频率小,有待改善。目前,采用以
弹贅为储能元件的蓄能器对车辆制动能量进行回
收已有人探索研究。文献[2]设计了一种自行车
制动装置,利用涡卷弹簣将制动能量进行存储,并
在启动时将能量释放。文献[3]利用圆柱弹簧设
计了一种能够将机动车的动能储存并在启动时助
力的装置,达到节能目的。
在城市频繁制动路况下,采用涡卷弹簧回收车
辆制动能量和再利用,避免了其他储能方式存储能
量时间较长和效率低的缺点,在车辆启动时能够将1一驱动轮:2一输出齿轮a:3一单向轴承4一输出齿轮b;5一弹簧
回收的能量立即释放。因此,本文提出采用涡卷弾储能单元6一バ瓜7ー轮:8外端第齿轮,9-援臂:0情轮
簧方式研究车辆制动能量回收。
11一输人齿轮
图1制动能量回收装置工作原理图
制动能量回收装置设计
其中,A是由惰轮、转动盘、外端齿轮和推杄组
本文研究制动能量回收装置(以下称回收装成的离合机构,其作用是将回收装置与驱动轮制动
置)应用于电动汽车等微型车辆上,预计车人质量传动机构连接或断开,如图2所示。B是由棘轮、
收日期:2015-07-21
甚金项目:博士后基金资助项目(2013M531359
作者简介:单文泽(1990-),男,江苏泰州人,南京理工大学硕土研究生,主要研究方向为机械设计及理论。
2015年第44卷
机械设计与制造工程
棘爪和推杅组成的卡锁机构,其作用是在回收装置深人入研究回收装置应用于电动自行车、小型汽车等
中储存有能量而没有使用的情况下防止涡簧轴反车辆上奠定技术基础。试验装置如图4所示。
转,如图3所示。
ミO象O、O
飞轮;2一输出齿轮b;3一涡卷弹貸;4一离合机构;5一卡锁机构
图4削动能回收试验霆
1一惰轮;2一推杆;3一摆臂;4一外端齿轮;5一输入齿抡
图2离合机构
数学模型
本文回收试验装置的载体是飞轮,对飞轮的制
动初动能进行计算与评估,按照制动初动能与弹簧
弹性势能相匹配的准则对涡卷弹簧的参数进行设
计。由涡卷弹簣的结构参数可以建立飞轮的制动
特性数学模型。
由牛顿第二定律可以得到回收装置工作过程
的平衡方程
T, T's
推杆;2一棘爪3一棘轮
图3卡锁机构
式中:。为飞轮转动惯量,kg?m2;为传动机构
的等效转动惯量,kg?m2;7,为飞轮受到的力矩
在回收装置工作之前,惰轮和输入齿轮没有啮N?m;T,为摩擦力矩,N?m;a为角速度,rai/e;t
合,由于单向轴承的作用,输出齿轮b处于空转状
为时间,s。
态。当车辆开始制动时,离合机构推杆推动摆臂下
由于传动机构的转动惯量远小于飞轮的转动
压,使得惰轮与输入齿轮啮合,驱动轮轴的扭矩经
断输人扭矩将较大的弹性势能存備于弹簧储能そ.,在此可以忽略。因此可以对式(1)进行简
惯量
齿轮传动到涡簧轴,开始回收能量。经过持续或间
构中。当车辆制动停止时,离合机构推杄收缩,此
do
时惰轮和输人齿轮不啮合,弹簧储能单元停止储
能。由于涡卷弹簧里存储了能量,因而有反转的趋
(3
势,但因棘爪卡在棘轮上,防止了涡簧轴反转。当
7i +PRR
车辆启动或加速时,卡锁机构推杄下压,迫使棘爪
脱离棘轮,此时涡簧轴在涡卷弹簧储存的扭矩作用式中:为传动比;Z为涡簧扭矩,N?m;F为飞轮
下开始回转,机构释放能量,扭矩由输出齿轮b和受到的等效摩擦力,N;R为摩擦力作用半径,m:9
输出齿轮传递到驱动轮轴上,实现回收能量的助为角位移,rad。在制动回收和启动释放两个状态
力功能。
中,涡簧扭矩为:
在研究初期,首先以飞轮为载体进行回收装置
的试验设计与分析,然后对这种装置的机械传动便
2k3
(回收)
5
捷控制、能量存储与释放过程的高效转化等技术特
性进行研究,在验证技术路线可行后,可以为后续
2(释放