叉车制动能量再生系统初探

摘 要：叉车作业时，需反复制动控制前进或后退的距离，达到合适的位置后进行取放货物的操作，能量消耗较大，燃油消耗率较高。为提高叉车的节能、减排、降耗的效果，文章就如何有效利用叉车制动能量进行分析研究。

关键词：制动能量；传动系统；制动系统；能量存储；强制动；弱制动

1 国内目前技术状况

叉车整机在仓库内作业时，其前进次数与后退次数基本相当，需频繁的反复进行制动，以控制前进或后退的距离，达到合适的位置后进行取放货物的操作。因此，能量消耗较大，燃油消耗率较高。制动能量全部转化为热能，造成能源浪费。

2 问题提出

叉车起步需要利用发动机提供力矩完成，因此，所需匹配的发动机功率则必须较大，以满足起步需要。即便如此，叉车的起步仍然较为缓慢。另外，反复制动导致制动蹄片磨损较快，更换频繁。

如能将叉车制动前期整机所包含的动能全部或部分存储起来，用于起步或加速动作，则能节约发动机功率，降低发动机的怠速扭矩，减少排放，降低油品消耗，减少制动系统的磨损。

因此有必要研究，如何将叉车的制动能量有效存储并应用于叉车起步或举升货物使用。

3 分析

3.1 叉车分类及制动制动类型划分

（1）叉车分类：根据其传动方式可分为机械叉车、液力叉车；根据驱动动力源，可分为燃油叉车、电动叉车、液化气叉车等。（2）制动类型划分：当叉车处于满载全速前进货后退状态下，紧急制动至叉车停止运动，称为强制动；其他工况的制动，如车辆利用制动器进行减速；或叉车低速运行时，利用制动器使其停止，则称为弱制动。叉车在作业时，大部分工况的制动均为弱制动。

3.2 叉车传动系统和制动系统的组成及其动力传递路径

3.2.1 燃油叉车或液化气叉车

（1）传动系统：来自发动机的动力，经变速箱、主减速器减速增扭后 ，通过差速器、经半轴分别传递至两边的轮毂或传递至轮边减速器，再由轮边减速器驱动轮毂旋转，从而驱动车轮旋转。（2）常规制动系统：制动踏板力经制动杠杆传递至制动总泵的顶杆，将总泵壳体内的制动液挤出，并通过管路分别传送到左右制动器的制动分泵，由制动分泵推动制动蹄片，使得蹄片压紧于制动毂上，形成制动力。（3）动力制动系统：发动机工作时，带动制动液压泵旋转，常态制动液压泵的出口经制动阀直接流回油箱。初次制动踏下制动踏板，制动阀顶杆在制动杠杆的作用下，推动阀芯，将制动液压泵的出口与制动分泵、蓄能器接通，由分泵推动蹄片，形成制动力；同时蓄能器内部充入压力油。再次制动时，蓄能器与制动液压泵同时将压力油传递给制动分泵，实现紧急制动或熄火制动。（4）真空助力行车制动系统：发动机进气口的负压通过管路作用于真空罐并连接至真空助力器，真空助力器的隔板在负压的作用下产生弹性变形。制动时，真空助力器内部的真空被破坏，隔板回弹，推动制动总泵顶杆；同时制动踏板力经制动杠杆、真空助力器也传递至制动总泵的顶杆上，将总泵壳体内的制动液挤压至制动分泵，制动蹄片在制动分泵的作用下，紧贴于制动毂上，阻止车轮旋转。

3.2.2 电动叉车

（1）传动系统：电机的动力经减速箱、主减速器、差速器、半轴、轮毂传递至车轮，驱动车轮旋转。（2）制动系统：与常规行车制动系统相同，不再赘述。

3.3 制动时各零部件的工作状态

制动前：制动系统不工作，制动毂、轮毂、轮边减速器、半轴、主减速器、传动轴、变速箱输出轴，均处于运转状态，且越靠近发动机飞轮端转速越高、扭矩越小。

制动：踏下离合器踏板，切断发动机的动力输入，传动系统在整车动能的作用下，仍然维持运转；踏下制动踏板，制动器阻止车轮旋转，达到减速或停车效果。

3.4 制动能量消耗方式

（1）制动过程中，制动器蹄片与制动毂处于压緊的状态下仍产生滑动，将整车动能转化成热能消耗掉。（2）紧急制动时，轮胎与地面之间产生滑动摩擦，消耗大量的整车动能，并转化为热能，通过轮胎、地面传递至大气中。

上述两种方式为制动能量的主要消耗方式。因此叉车的制动，仅仅是将整车动能快速地将其转化成热能并消耗，造成能源浪费，增加了制动系统的磨损速度。

4 解决方案探讨

若能将制动能量快速吸收、存储与转化，则可以实现制动能量再生利用。

4.1 制动能量吸收

可以在制动毂到变速箱输出轴之间的合适的环节进行，加装相应的能量吸收、存储、转化装置，实现能量的重复利用，达到节能、降耗、减排，降低使用成本的效果。

4.2 制动能量的转化利用

对于已吸收存储的能量，当车辆起步时，可以通过传动系统的合适的环节进行释放，从而降低驱动车辆起步或降低车辆起步、加速所需的输入功率。

4.3 制动能量存储的方式

（1）采用机械方式，以位能形式存储：利用叉车地平衡重，当整车制动时，能量吸收存储系统迅速与传动系统或制动系统的某一旋转部件相结合，利用制动能量，提升平衡重，改变其位能状态，存储能量。当整车起步或加速时，重块下降，位能减少，能量通过传动系统驱动车轮运转，减少发动机的阻力。释放完成，能量吸收存储系统与旋转的传动系统或制动系统部件分离。（2）采用机械方式，以弹性势能形式存储：采用一组弹性元件，当踏下制动踏板时，弹性元件在制动能量的作用下被压缩，制动能量转化为弹性元件的弹性势能。当车辆起步或加速时，将存储于弹性元件内的弹性势能，通过转换装置，释放于传动链的合适环节，从而驱动整车起步或加速。（3）采用机械方式，以液压能方式存储：选取传动系统功率传递路径的合适部件。通过一台液压泵-马达进行能量吸收与转换。制动时，泵-马达与传动系统迅速结合，并随之运转，从油箱内吸取油液并充入蓄能器，利用蓄能器存储制动能量。车辆起步时，蓄能器内存储的液压能通过泵-马达，转化为机械能，并通过传动系统驱动整车起步或加速。达到能量再生的目的。制动踏板释放，能量吸收系统与传动系统迅速分离；反之，当踏下制动踏板，则立即与能量吸收系统结合，进行能量存储，同时达到缓速或制动的目的。（4）采用电磁转换方式，以电能方式存储：采用一台发电机，其动力输入部分传动系统的高速旋转部件相结合。当制动踏板踏下时，制动系统开始工作。发电机的励磁电压取自蓄电池，且随着踏板行程增加而增加。当且仅当踏板处于踏下状态时，方接通励磁电压，发电机处于工作状态，对外输出电能，通过逆变回路，将电能存储于蓄电池中。

4.4 四种方式优缺点分析

（1）位能方式存储：能量利用率高；但因平衡重质量较大，制动冲击大，安全要求较高，所以机械结构较为复杂。（2）弹性势能方式存储：采用此种方式，结构简单，能量利用率高；缺点是能量载体选择、设计、加工比较困难。（3）液压能方式存储：制动平稳，冲击小。但所存储的能量如应用于驱动叉车起步、加速，则不论液压油路及机械结构都相对较为复杂；若直接作用于电动叉车的起升泵吸口，供叉车起升货物使用则相对较为简单，也容易实现。（4）电能方式存储：结构简单，容易实现，可以广泛应用于各种类型的叉车，这也是油电类混合动力车被广泛使用的原因。缺点是发电机自身的效率、功率，以及蓄电池能够接收电能的容量、功率等因素的影响，对于系统能够吸收多少制动能量并加以利用，以及其变化规律，难以量化。

5 结论

上述四种制动能量吸收、存储、转化再利用的方式，均可以实现制动能量再生利用。

6 结束语

文章仅对叉车制动能量如何再利用从原理上进行了初步分析，至于如何将其转化为具体应用，仍然需要进行大量的深入研究。

作者简介：王军（1971，11-），男，籍贯：安徽省肥东县长临镇，现职称：工程师，学历：本科，研究方向：叉车技术。