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)

车辆的传统摩擦制动是将车辆的制动能量转化为摩擦热能耗散掉，这将造成大量动能的浪费，加剧了能源损耗和环境污染。因此，探索制动能量的高效存储和利用是节能环保的重要途径。现有能量回收方法主要有飞轮蓄能法、液压蓄能法和蓄电池蓄能法［1］。由于飞轮质量很大，飞轮蓄能法应用于小型车辆具有局限性;液压蓄能法由于其蓄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，采用以弹簧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，利用涡卷弹簧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回收的能量立即释放。因此，本文提出采用涡卷弹簧方式研究车辆制动能量回收。

1 制动能量回收装置设计

本文研究制动能量回收装置(以下称回收装置)应用于电动汽车等微型车辆上，预计车人质量为200kg。在不改变车辆整体布局和不影响驾驶的情况下，将回收装置融合于车辆原有传动机构上。回收装置的传动机构与车辆其他机构互不干涉，在实现制动能量回收、释放和便捷控制的同时传动级数应尽量少，从而减少齿轮摩擦引起的能量损耗。回收装置主要由传动控制机构和弹簧储能单元组成，其工作原理图如图1所示。

图1 制动能量回收装置工作原理图

其中，A是由惰轮、转动盘、外端齿轮和推杆组成的离合机构，其作用是将回收装置与驱动轮制动传动机构连接或断开，如图2所示。B是由棘轮、棘爪和推杆组成的卡锁机构，其作用是在回收装置中储存有能量而没有使用的情况下防止涡簧轴反转，如图3所示。

图2 离合机构

图3 卡锁机构

在回收装置工作之前，惰轮和输入齿轮没有啮合，由于单向轴承的作用，输出齿轮b处于空转状态。当车辆开始制动时，离合机构推杆推动摆臂下压，使得惰轮与输入齿轮啮合，驱动轮轴的扭矩经齿轮传动到涡簧轴，开始回收能量。经过持续或间断输入扭矩将较大的弹性势能存储于弹簧储能机构中。当车辆制动停止时，离合机构推杆收缩，此时惰轮和输入齿轮不啮合，弹簧储能单元停止储能。由于涡卷弹簧里存储了能量，因而有反转的趋势，但因棘爪卡在棘轮上，防止了涡簧轴反转。当车辆启动或加速时，卡锁机构推杆下压，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下开始回转，机构释放能量，扭矩由输出齿轮b和输出齿轮a传递到驱动轮轴上，实现回收能量的助力功能。

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，可以为后续深入研究回收装置应用于电动自行车、小型汽车等车辆上奠定技术基础。试验装置如图4所示。

图4 制动能量回收试验装置

2 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。由涡卷弹簧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:

式中:jm为飞轮转动惯量，kg·m2;jc为传动机构的等效转动惯量，kg·m2;Tz为飞轮受到的力矩，N·m;Tf为摩擦力矩，N·m;ω为角速度，rad/s;t为时间，s。

由于传动机构的转动惯量远小于飞轮的转动惯量，在此可以忽略。因此可以对式(1)进行简化:

式中:i为传动比;TL为涡簧扭矩，N·m;Ff为飞轮受到的等效摩擦力，N;R为摩擦力作用半径，m;φ为角位移，rad。在制动回收和启动释放两个状态中，涡簧扭矩为:摩擦力矩为:

其中θ(t)为涡簧旋转的角位移函数:

K为涡卷弹簧的刚度系数:

式中:T2为涡卷弹簧最大输出扭矩，N·m;Δn 为涡卷弹簧的有效工作圈数;nh为涡卷弹簧回收过程转动的圈数;k3为涡卷弹簧固定系数。

3 仿真分析

本研究以飞轮为载体进行台架试验，确定回收装置零件及系统参数，对式(2)～式(8)进行联立组成方程组，利用MATLAB/Simulink建模和仿真，仿真模型如图5所示。

图5 制动能量回收系统仿真模型

根据如图5所示的仿真模型和计算得到仿真参数，对飞轮制动进行仿真。分别以160，200和240r/min为初转速n0对回收装置进行测试，得到储能模式下的制动特性曲线，并与纯摩擦制动特性曲线进行对比，仿真目的是验证回收装置的可行性，结果如图6所示。

图6 不同初速度的制动特性曲线对比

从图6中可以看出，在制动初期，储能制动特性曲线与摩擦制动曲线近乎重合，而在制动末期两曲线出现偏移。原因是当飞轮速度较低时，储能制动的制动加速度比摩擦制动加速度要大。储能制动比摩擦制动的距离稍远些，说明储能制动的过程比较舒适。在不同的制动初速度下，储能制动特性曲线与摩擦制动时的特性曲线非常接近且变化趋势相同，说明此回收装置的制动特性可以满足传统制动习惯要求。

选择不同输出扭矩的涡卷弹簧对相同初速度飞轮进行制动能量回收和释放，仿真目的是研究涡卷弹簧的选型对回收装置回收效率的影响。涡卷弹簧的最大输出扭矩选择 1 600，2 000，2 400 N·mm时，飞轮的转速变化情况如图7所示。

图7 不同类型涡簧的制动能量回收装置飞轮转速

由图7可知，飞轮的转速受到涡卷弹簧最大输出扭矩的影响，飞轮最终转速随着输出扭矩的增大而增大。由飞轮的转速变化可以得到回收装置存储能量的大小，根据飞轮的初动能可以得到回收装置的回收效率，其结果见表1。

第二组选择涡卷弹簧最大输出转矩为2 000 N·mm，飞轮由电机驱动到 160，200，240r/min，并对仿真结果进行比较，仿真结果如图8所示，回收装置的回收效率见表1。

通过分析表1可知，当回收装置使用不同型号弹簧对相同初始转速的飞轮进行能量回收时，涡卷弹簧的最大输出扭矩越大，回收装置的能量回收效率越高。原因是涡簧的输出扭矩越大，飞轮转速变化越快，制动能量回收装置阻力和涡卷弹簧内部摩擦力做功都越小，回收效率越高。使用相同弹簧进行能量回收时，飞轮的转速越高即能量越大，回收装置的阻力因素对系统的影响越小，回收效率越高。因此，涡卷弹簧式制动能量回收装置主要元件的参数要进行良好的匹配才能获得较好的能量回收效果。

表1 不同状态制动能量回收装置的回收效率

图8 不同初始转速的制动能量回收装置飞轮转速

4 结束语

本技术可将飞轮的制动能量转化为涡卷弹簧的弹性势能存储起来，并通过能量释放驱动飞轮转动。回收装置的制动特性曲线与纯摩擦制动的特性曲线非常接近且变化趋势相同，说明其制动特性满足传统习惯要求。涡卷弹簧的选型和飞轮初速度对回收装置的效率都有影响，因此要根据飞轮初始能量大小选择合适的涡卷弹簧才能获得较好的回收效果。本回收装置结构简单，制作成本低，控制简单，能量利用效率高。

［1］ 许强，张云宁，郭建民，等.汽车制动能量回收方案及比较［J］.交通科技与经济，2008(3):59－60.

［2］ 肖鸿博.一种自行车储能刹车装置:中国，CN101774415A［P］.2010 －07 －11.

［3］ 金国鑫.机动车瞬间动能收放装置:中国，CN102431451A［P］.2012 －05 －12.