频繁正反转运动的储能

洪雯 孙静怡 刘东冉 李美琳

摘 要：汽车要减速时可以将余下的动能转变成重力势能储存起来，比如在还有一定速度的时候将车停到高处。而对于有频繁正反转动的机器，比如说洗衣机，也可以将这部分能量利用起来。本方案提出的节能装置主要采用涡卷弹簧，及棘轮式超越离合器、新型减速离合器等部件，利用发动机正（反）向旋转制动、减速等产生的机械能用涡卷弹簧储存起来，而在发动机反（正）向启动、加速时发出能量得以应用，从而达到节能减排的效果。该方案具有低能耗、低排放、高效率等优点，较普通洗衣机节能效果显著，具有很大的市场空间和推广价值。

关键词：涡卷弹簧；减速离合器；电路控制系统

全自动洗衣机主要由箱体、洗涤脱水桶、传动和控制系统等组成，有的还装有加热装置。机械力、洗涤液、水是洗衣机洗涤过程中的三要素。洗衣机运动部件产生的机械力和洗涤液的作用使污垢与衣物纤维脱离。加热洗涤液，可增强去污效果。滚筒洗衣机洗涤功率一般在200瓦左右，如果水温加到60摄氏度，一般洗一次衣服都要100分钟以上，耗电在1.5度左右。洗衣机在洗衣服的时候需要不断的启动、制动、变速，利用涡卷弹簧储存电动机正向制动、减速过程中产生的机械能并在洗衣机反向加速时释放，就可以达到节省能源的作用。

我们设计的这种装置，是将涡卷弹簧安装在洗衣机的减速离合器（控制洗衣机轮轴处于正转还是反转的核心部件）上，通过将洗衣机洗涤模式正向减速的浪费的机械能经弹簧储能转变成可以做功的弹性势能，再在其反向加速時将弹簧内存储的弹性势能释放出去做功，使洗衣机反向加速旋转，从而起到节能减排的作用。

1 全自动洗衣机的工作原理

波轮式洗衣机工作原理：依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地磨擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。其工作时分洗涤模式和脱水模式。

2 采用的结构

2.1 棘轮式超越离合器

棘轮式超越离合器是由棘轮机构和离合机构组成。

棘轮机构主要有摇杆、棘爪、棘轮、制动爪和机架组成。弹簧使制动爪和棘轮保持接触。

工作过程：摇杆逆时针摆动——棘爪插入齿槽——棘轮转过角度——制动爪划过齿背

摇杆顺时针摆动——棘爪划过脊背——制动爪组织棘轮作顺时针转动——棘轮静止不动

因此当摇杆作连续的往复摆动时，棘轮将作单向间歇转动。

离合机构由方丝离合弹簧和离合套组成。

实现弹簧旋松的机构是棘轮棘爪装置，图1是其工作原理简图。方丝离合弹簧下端的弹簧卡2卡在棘轮3的内槽中，通过棘爪5的摆动使棘轮3转动，从而带动方丝离合弹簧向旋松方向转动，通过涡卷弹簧的压缩和释放实现能量的重新利用与节能过程。

2.2涡卷弹簧

图2 涡簧结构 图3 CAD示意图

涡卷弹簧具有双向储能的功能，它无论是正转还是反转都可以将动能变成弹性势能存储起来，而它最广泛的应用是用于旋转运动中。将它的中心端固定在轴上，最外端与旋转物固定在一起，即可与旋转物一起转动；如果可以控制涡卷弹簧在旋转停止时，刚好处于没有形变的时候，在惯性下，涡卷弹簧会以形变的形式将动能转变成弹性势能，这就是储能过程。但是由于储存的能量不能长久的保持，就需要很快的将这部分能量利用起来。于是，设定在发动机开始反向加速时，将这部分能量释放出来。为了减少对涡卷弹簧的磨损，引入新型减速离合器，并编程控制在发动机正转结束的一刻，将涡卷弹簧接入使其储存动能，储存能量完毕之后涡卷弹簧张到最大，并在发动机开始反向转动前一刻释放完能量，而到发动机正要反向加速运动时，将涡卷弹簧接出。

而我们采用的新型离合器：棘轮式超越离合器恰好能满足我们的要求，它的齿轮结构方便涡卷弹簧的接入与接出，而棘爪刚好可以与涡卷弹簧的最外端相连接，满足上述的要求；此外它可以接到洗衣机的中轴上并很好的固定住。

3 传动部分

洗涤时防止内桶出现跟转是设计中一个非常重要的问题。洗涤时，波轮将传动力矩传递给水和洗涤物，而转动的水和洗涤物又将转矩传递给内桶。因此，内桶如果不固定或固定不可靠，就要随之转动，这就是跟转现象。洗涤时，内桶跟转现象将减弱洗涤效果并对洗衣机不利，所以要防止山桶出现跟转。因为内桶和脱水轴是连成一体的，所以只要将脱水轴可靠固定，就可使内桶不跟转。为此，除了刹车装置外，在脱水轴上还安装有单向滚针轴承，其工作原理如图4所示。

当波轮逆时针方向旋转时，内桶有逆时针方向跟转的倾向，这时与内桶成一体的脱水轴被单向滚针轴承卡住，不能转动，所以内桶也就不能转动。但在波轮顺时针力向转动时，单向滚针轴承允许转动的方向与之一致，所以对脱水桶没有制动作用。

当波轮顺时针方向转动时，内桶有顺时针方向跟转的倾向，这时自然状态的刹车扭簧将被旋紧，紧紧抱住刹车装置外罩的轴端，相互之间产生足够的摩擦力使两者成为一整体。刹车装置外罩的顺时针旋转摩擦力将刹车带拉紧，刹车带对刹车盘转动产生摩擦阻力，这样就阻止了内铜内桶跟转。

综合所述，当波轮逆时针转动时，依靠单向滚针轴承来防止内桶跟转；当波轮顺时针方向转动时，依靠刹车装置来防止内桶跟转。

脱水过程中突然打开洗衣机上盖，排水电磁铁失电，方丝离合弹簧恢复到洗涤状态，由于脱水是顺时针旋转，刹车扭簧将抱紧，刹车装置起作用，刹车带将使内桶迅速制动。

4 电路控制部分

在电路控制方面，我们选用以单片机为核心的逻辑电路来控制洗衣机的转停时间和弹簧的接入，实现了全自动控制的洗衣机电路控制。交流部分是利用单片机控制继电器实现电动机的正反转，直流部分利用整流桥将220VAC降压得到5VDC给单片机和继电器控制电路供电。继电器通过单片机信号控制通断。其中单片机是一种集成芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器。而整流桥就是将整流管封在一个壳内了，分全桥和半桥。可以起到把交流变直流的作用。

其中，如何控制在恰当的时机控制减速离合器接入涡卷弹簧是关键，这就要通过电路控制系统。而具体的数据是要通过观察、测量、编程、再测量等一系列的实验得到的。首先，观察洗衣机的运转，再测量正、反向旋转运动的时间，电机停止工作后多少秒滚筒完全停止，完全停止多少秒后电机开始工作。并将这些实验得到的数据编入控制单片机的程序，从而控制涡卷弹簧在恰当的时间接入。编程后，启动洗衣机，再观察该程序是否能有效的完成预期目的，如果能的话则采用此编程，如果不能则再观察测量得到新的数据，重复上述步骤直至得到正确的数据为止。

5 与传统洗衣机相比较的优势（见下表）

参考文献

[1]刘国荣.涡卷弹簧储能操作机构的设计及应用[J].机电工程技术，2004.

[2]中华人民共和国机械工业部.平面涡卷弹簧设计计算[J].北京：机械科学研究院出版，1995.

[3]孙立群，赵向东.洗衣机维修从入门到精通（第2版）/从入门到精通系列丛书[M].北京：人民邮电出版社， 2012.

[4]荣俊昌.全自动洗衣机原理与维修（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2012.