自行车液压能量再生系统的研究.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 1 6 期 机床与液压 MAC HI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 6 ． 0 3 5 自行车液压能量再生系统的研究 张文 亭 陕西工业职业技术学院机械 工程学院，陕西成阳 7 1 2 0 0 0 摘要主要研究液压能量再生系统在自行车中的应用，设计了系统整体布局框架及液压油路 ，分析了液压能量再生系 统的运行过程及系统元件的规格核算方法。通过试验选择合适的元件 ，可以充分利用 自行车在制动中产生的能量，减少人 在骑车时的体能消耗。 关键词自行车；液压系统 ；能量再生 ；制动 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 61 0 9 3 Re s e a r c h o n t h e Hy dr a u l i c En e r g y Re g e n e r a t i o n S y s t e m f o r Bi c y c l e ZHANG W e n t i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ，X i a n y a n g S h a a n x i 7 1 2 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c e n e r g y r e g e n e r a t i o n s y s t e m f o r a p p l i c a t i o n i n b i c y c l e s wa s f o c u s e d o n ． T h e o v e r a l l l a y o u t o f t h e s y s t e m a me wo r k a n d h y d r a u l i c c i r c u i t w e r e d e s i g n e d ．T h e o p e r a t i o n p r o c e s s o f t h e h y d r a u l i c e n e r gy r e g e n e r a t i o n s y s t e m a n d s y s t e m c o mp o n e n t s s p e c i fi c a t i o n s a c c o u n t i n g me t h o d s w e r e a n a l y z e d ．T h e a p p r o p r i a t e c o mp o n e n t s we r e s e l e c t e d b y t e s t i n g ． T h e e n e r gy g e n e r a t e d i n b r a k i n g p r o c e s s c a n b e u s e d f u l l y，S O p h y s i c a l e x e r t i o n i n c y c l i n g i s mi n i mi z e d ． Ke y wo r d s Bi c y c l e； Hy d r a u l i c s y s t e m ； E n e r gy r e g e n e r a t i o n； B r a k i n g 当今世界 ，各个 国家都充 分地认 识到环境保护 的 重要性 ，有些地方通过立法来限制二氧化碳 的排放， 目的就是保护 和提高城 市的环境质量 ，并且大力推广 绿色出行。自行车作为一种传统的交通工具，目前在 城市越来越受到人们的重视与喜爱，因为 自行车骑行 安全、方便 ，特别是在城市和人口稠密的地方，它有 时候 比开 车还要 快 。为 了增加 自行 车的骑 行方便 性 、 节省体力 ，可以在自行车上增加一个小型液压系统进 行能量 回收 ，把 制动过程 中产生 的能量储存起来 ，然 后再重复使用。 传统 的 自行 车在制动 的时候 ，车身所具有 的动能 以热量的形式散发到环境中去，在每次停车或者减速 时 ，都会发生这种情况。而在需要加速或者启动时 ， 不得不再次投入很大的体力去驱动 自行车。尤其在城 市中心行驶时，需要频繁的启停 ，这种情况下能量损 失是相 当大的 。 液压混合动力 自行车 ，不是用链条来驱动 ，而是 利用液压回路来驱动 自行车后轮。在正常运行时，人 驱动脚踏带动液压泵转动 ，油泵将压力油输送到液压 马达 ，带动液压马达旋转 ，马达再驱动后 轮运 动。在 制动的时候，液压马达短时间作为液压泵来使用，消 耗 自行车的动力把液压油加压储存在蓄能器里，可以 在加速模式时对液压马达进行输入。 研究 表明 在 自卸型重卡中采用液压能量 回收系 统，回收效率可 以达到 6 6 ％，通过使用推荐油路与 配置能量回收效率可以高达 7 3 ％，一般整体效率在 3 2 ％ ～ 6 6 ％之 间。这表明采用液压系统进行能量 回收 相对其他能量回收系统而言，效率还是 比较高的。 文 中提 出了一种新的液压能量 回收系统 ，主要 由 齿轮泵、齿轮马达、电磁阀、储油桶、蓄能器、软管 等原件组成，并完成对系统的分析与研究。 1 液压能量回收系统的分析 图 1 显 示了 自行车车架上主要元件 的布局 。 图 1 自行车实物图 油箱安装在 自行车立管上 ，油泵通过齿轮连接到 收稿 日期 2 0 1 3 0 71 5 作者简介张文亭 1 9 8 0 一 ，男，硕士，讲师，主要从事机电设备及控制技术方面的研究。Ema rlw e n t i n g 0 9 0 1 1 63 ．c o rn o 1 1 0 机床与液压 第 4 2卷 链轮上 ，蓄 能器 水平 固定 在上 管 上 ，液 压 马达通 过 齿轮装置和后轮连接在一起 。为了方便分析 ，图 1中 未示 出液压 阀和 电子控制系统。 1 ． 1 系统描 述 在图2所示液压回路中，油箱用以储存足够量的 液压油 ，过滤器用 以防止金属或灰尘 颗粒进入液压 系 统 ，液压泵将 机 械能 转化 成液 压 能 ，传输 给 液压 马 达 。4个 电磁 阀用 于控制 自行 车实 现 4种 运动模 式 ， 这 4种模式分别是人力骑行，惯性滑行，制动，能 量再生运行 。在人力骑行 和能量 再生运行 这两 阶段 ， 通过液压齿轮马达来 驱动 自行 车后 轮 ，而在制 动时 ， 齿轮马达 短时间作为泵来使用把机械能转化成 液压能储存在蓄能器中，并在启动过程中释放。溢流 阀作为安全阀来使用，在制动过程中，如果蓄能器充 满了，那么多余的油液就通过溢流阀流回液压缸。换 向阀 1和换向阀2是 2个两位两通电磁换向阀 开关 阀 ，换向阀 3 是两 位三通 电磁 换 向阀 ，换 向阀 4是 两位 四通电磁换 向阀 ，各换 向阀电磁铁所用 的电源都 是直流电源。选用的齿轮泵和齿轮马达结构简单，体 积小，价格便宜 ，效率高 ，而且可以互逆使用。蓄能 器采用相对 比较轻巧的气囊式 蓄能器 ，可 以根据系统 压力的需要事先充气 ；溢流阀与蓄能器相连保证了在 蓄能器充 满后 能及将油液溢 回油箱 。各个液压元件之 间采用柔 软的液压 细管相连 。 图 2 再生制动系统的液压回路 1 ． 2 系统分 析 自行车 的 4种运行模式分别是 人力骑行 ，惯性 滑行，制动，能量再生运行。在人力骑行模式时，是 由人提供功率直接驱动自行车运动；在惯性滑行模式 时 ，自行车 因惯性而保 持继 续运 动 ；在 制动模 式下 ， 自行车 的动力用于驱动液压齿轮马达 ，反过来 向蓄能 器中充油；在能量再生运行模式下，储存在蓄能器中 的液压能被释放出来驱动 自行车运行 ，这时可以没有 人力的作用。在液压回路中，通过 4个电磁阀不同的 带电情况可以实现刚才所述 自行车的4种基本模式， 如表 1 所示 。 表 1 不 同模式 下液压 阀电磁铁 的带 电情况 在人力骑行模式下 ，骑行人直接给齿 轮泵 提供 功 率 ，可以通过齿轮、链条或者皮带把动力传递给齿轮 泵 ，它们之间的传动比取决于泵所要求的运行转速的 范围。进油路 油箱一 过滤器一齿轮泵一换 向阀 2的 左位一换向阀4的左位一齿轮马达的进油腔 ；回油 路 齿轮马达的回油腔一换向阀4的左位一换向阀 3 的左位一油箱 。 在惯性滑行模式下，由于自行车和骑行人的惯性 使车辆保持其运动。进油路油箱一过滤器一换向阀 1的左位一换 向阀 4的左位一齿 轮马达 的进 油腔 回 油路 齿轮马达的回油腔一换向阀4的左位一换向阀 3的左位 油箱。这条回路是阻力最小的路径，在滑 行过程产生的能量将会发热散去。 在制动过程 中，不需要人力驱动 了 ，因此齿轮泵 是不起作用 的。进油路 油箱一过滤器一齿轮泵一换 向阀 1的左位 一换 向 阀 4的左 位一 齿 轮 马 达 泵 的吸油腔 ；回油路 齿 轮 马达 泵 的压 油腔 一 换 向阀4的左位一换向阀3的右位一蓄能器。在制动的 瞬间，液压马达作为一个泵来使用，用 自行车的动能 来驱动泵 ，从 而减慢 了 自行车 的速度 ，同时蓄能器 中 的高压油液也得 到了补充 。在蓄能器完全充满后 ，多 余的油液通过溢流阀释放到油箱中。 在能量再生运行期 间 ，蓄能器把压力油供给液压 马达 ，实现压 力 能 到机 械 能 的转 换。进 油路 蓄 能 器一换向阀 3的右位一换 向阀 4的右位一齿轮 马达的 进油腔；回油路 齿轮马达的回油腔一换向阀4的右 位一换向阀 1的左位一过滤器一油箱。 2 系统元件规格核算 以2 6山地车为例进行各元件规格核算。 自行 车从速度 到完全静止所需要 的制动能量 E 1 。2 1 式 中 m是 自行车和骑车人 的总质量 。 由于制动时间通常比较短，制动转矩 比较大，因 此 空气 阻力等忽 略不计 ，这样可以得出制动时的转矩 公 式 T b 2 ， wm 2 n 式中1 w 是车轮的转动惯量的质量矩；m是总质量； 第 1 6期 张文亭自行车液压能量再生系统的研究 1 1 1 尺 是车轮的半径；a 是使车轮停止运动的减速度。 由于自行车属于移动设备，为了减轻车身质量， 这里采用气囊式蓄能器，其结构如图3所示，它由充 气阀、壳体、气囊和限位阀组成。这种蓄能器是在高 压 容器内装入一个耐油橡胶制成 的气囊 ，气囊 内一般 充氮气，气囊外储油，壳体下端有限位阀，它能使油 液通过阀 口进入蓄能器 ，又能 防止 当油液全部排 出时 气囊膨胀 出容器之外 。 体 位 阀 图 3 充 气式蓄能器 这里把氮气当作理想气体 ，忽视液压油的可压缩 性，套用热力学方程可得 P i V p V P v i v f c 3 其中 P 、v i 分别为蓄能器气囊 中的初始压力和体 积 ；P 、V分别 为 蓄 能 器气 囊 中 的最 终压 力 和 容 积 ； 是进入蓄能器的液体的体积；c 是常数； 为绝热 指数 ，取 1 ． 4 1 。 假设当制动结束后 ，蓄能器中液体的压力为 P ， 那么这时蓄能器中储存的能量为 E P 4 其中 是在制动过程中进入蓄能器的液压。 从上式来看蓄能器的容积大小很重要 ，它确保 自 行车能启动并且达到一定的速度。当然蓄能器的进口 压力一般 不 能超 过 系统 的最 大 工作 压 力 ，如 果超 过 了 ，油液就 会溢 流 回储 油桶 中 ，造成 能 量 损 失 。因 此 ，蓄能器 需要 足 够 的容 积 和流 量来 满足 系统 的需 要 。 从 式 1 和 4 可推 出 ， n2 ， 2 5 , z pl 蓄能器容积公式可 以从下面公式获得 P i V P l V P 2 V； 整理以上可以得到 _ _ _面 6 一 蓄能器的最高工作压力 出现在制动过程中，P 。 和P 都小于此值，假定蓄能器在充压和释放过程中 是绝热的。在制动时，液压马达短时间作为液压泵来 工作，驱动液压马达 泵的转矩公式 垒 卵 7 其 中△ p 是液压 马达 泵 进 出 口压差 ；V M是液压 马达的排量； 是油液马达 泵 的机械效率。由 于 自行车 的液压系统不需要太复杂的 ，因此选择 比较 简单 的定量齿轮马达 。液压马达的进 出 口压差公式 △ p 十 筹 8 其中 P 是储油桶 口的压力，通常取一个大气压 ； f 是液体的摩擦因数； 是油箱和马达之间软管的有效 长度；p是油液的密度 ； A是软管的内部横截面积。 在制动过程中蓄能器所充气体的压力 f ， 、 p 1 。l J 其中Q 为在制动过程中，液压马达中实际通过的 流量 ，其公式 Q V p 叼 1 0 其中 是液压马达的排量 ；卵 是其容积效率。 在能量再生运行模式下 ，储存在蓄能器中的能量 来驱 动液压 马达 ，在此过程 中 ，实现 了液压能到机械 能的转变。 液压 马达产生 的实 际驱 动转矩 T m A p 叼 1 1 其中即 为液压马达的机械效率。 跟上面类似 ，通过液压马达的压力计算公式 f ， 、 。 j 2 实际要求通过马达的流量 Q 1 3 ， 7 液压能量再生制动系统的实际能量回收率等于蓄 能器 中储存的能量与 自行车动能之 比 ∑P ⋯Q A t _ J _一 1 4 1 m 2 一 2△ 其 中A t 是制动过程 的时间 。 再生制动能量 E ∑P i Q A t 自行车速度从 减少到 V 所带的动能 E b m 。2 一 2 下转第9 6页 9 6 机床与液压 第 4 2卷 宫式密封 的压力损失 卸 方程式为 A 譬 叼 2 式中A为阻力系数， 。 为间隙长度，h为间隙高度， P为液体密度， 为流速，叼为凹槽摩擦因数。摩擦因 数 越大，压力损失却 越大，则泄漏量越小。 迷宫式密封中凹槽宽度对 凹槽 的摩擦因数 叼的 影响如图7 所示 ，凹槽越多 值越大，但 叼值与凹槽 数不成正比，叼的峰值出现在 为3 0 h处。 凹槽深度对摩擦因数 的影响如图8 所示 ，凹槽 越多 值越大，但 叩值与凹槽数不成正比，叼的峰值 出现在凹槽深度为 5 处，此时防漏效果最佳。 8 7 6 5 4 3 2 1 O 图7 凹槽宽度对凹槽摩 图8 凹槽深度对凹槽摩 擦因数 的影响 擦因数 的影响 凹槽 问距对 ’ 7 值的影响如图 9所示 ，凹槽越 多 7 7 值越大 ，但 叩值与凹槽数不成正比， 值随着凹槽间 距增大而增大。 0 0 ． 5 1 1 ． 5 2 2 ． 5 3 3 ． 5 工 l 厄 E 图9 凹槽间距对凹槽摩擦因数 卵的影响 综上所述 凹槽摩擦因数 竹峰值出现在 凹槽宽 度和凹槽深度分别为 3 0 h和 5 ，表明此处迷宫引起 的压力损 失最 大 ，泄漏量最小 。同时图 9也表 明了凹 槽间隙越大迷宫引起的压力损失越大，泄漏量越小。 与泄漏量曲线给出的结果基本一致。 4结论 在液体为紊流状态下，迷宫密封中凹槽数越多， 泄漏量 越少 ；凹槽宽 度约 为间隙 的 2 0 3 O倍 ，凹槽 深度约为间隙的 3～5倍 ，凹槽 间距大于间隙的 5 0 倍 ，凹槽深度宽度 比为 0 ． 2 ，凹槽 间距宽度 比大于 2 ． 5 ，为最佳防漏效果的条件。 参考文献 [ 1 ]汤臣杭 ， 杨惠霞， 王玉 明． 直通式迷宫密封的数值分析 [ J ] ． 流体机械， 2 0 0 6 ， 3 4 1 2 2 1 2 4 ． [ 2 ]王松涛， 刘智勇， 王东林． 活塞速度对迷宫密封性能影响 的数值分析[ J ] ． 化工机械， 2 0 1 1 ， 3 8 1 9 1 9 3 ． [ 3 ]王福军． 计算流体动力学分析[ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]林丽， 刘卫华． 齿型夹角对迷宫密封性能影响的数值研 究[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 7 ， 3 2 3 4 75 0 ． [ 5 ]B R O WN E L L J B ， MI L L WA R D J A， P A R K E R R J ． N o n i n t r u s i v e I n v e s t i g a t i o n s i n t o L i f e s i z e L a b y rin t h S e a l F l o w F i e l d s [ J ] ． J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g f o r G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 1 9 8 9， 1 1 1 2 3 3 5 3 4 2 ． [ 6 ]MO R R I S O N G L ， J O H N S O N M C， T A T r E R S O N G B ． 3 - D L a s e r A n e m o m e t e r Me a s u r e me n t s i n a L a b y ri n t h S e a l l J 1 ． J o u r n a l o f En g i n e e rin g for G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 1 9 9 1 ， 1 1 3 1 1 1 91 2 5 ． [ 7 ]WI T r l G S ， D O R R L ， K I M S ． S c al i n g E f f e c t s o n L e a k a g e L o s s e s i n L a b y ri n t h S e al s [ J ] ． A S ME J o u rna l o f E n g i n e e r - i n g fo r P o w e r ， 1 9 8 3 ， 1 0 5 2 3 0 53 0 9 ． [ 8 ]N I K I T I N G A， I P A T O V A M． D e s i g n o f L a b y r i n t h S e a l s i n H y d r a u l i c E q u i p m e n t[ J ] ． R u s s i a n E n g i n e e ri n g J o u rna l ， 1 9 7 3 ， 5 3 1 0 2 6 3 1 ． 上接 第 1 1 1页 3 总结 设计了一个简单的液压回路 ，在控制电路的配合 下可以在自行车上实现能量的回收再利用。这样人们 在骑车时，尤其是在启动、爬坡或者需要加速时就可 以少消耗自身的体力。体能消耗的减少将鼓励更多人 选择骑车。由于该系统通过实验选择了质量轻的标准 元件，因此 ，车身质量没有大的增加，系统出现问题 时，元件方便更换。 当然该系统也有缺点 ，它的价格相对比较贵 ，通 常是普通自行车的两到三倍 ，但是作者相信通过进一 步的开发和研究，一定可以降低其经济成本。 参考文献 [ 1 ]李芝． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ]王成福． 电器及 P L C控制技术[ M] ． 杭州 浙江大学出 版社， 2 0 0 8 ． [ 3 ]谢正宽． 自行 车骑行宝典 单 车学校教你 的 5 2堂课 [ M] ． 北京 中国轻工出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 4]C L E G G S J ． A R e v i e w o f R e g e n e r a t i v e B r a k i n g S y s t e m s [ R] ． T h e U n i v e r s i t y o f L e e d s ， 1 9 9 6 ． [ 5 ]V u T r i V i e n ， C H E N C h i h K e n g ， HU N G C h i We i ． S t u d y o f Hy d r a u l i c R e g e n e r a t i v e B r a k i n g S y s t e m i n Hy d r a u l i c Hy - b r i d V e h i c l e s[ J ] ．J o u rnal of S c i e n c e a n d E n gin e e ri n g T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 7 4 9一l 8 ．