频繁起停车辆刹车能量再利用系统研究*

姜忠爱，牛春亮，李秀辰

(大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023)

0 引言

随着经济与城市化进程的发展，城市车辆的保有量飞速增长。以柴油机或汽油机为动力的客运车辆，特别是城市公交车处于频繁刹车及起步的工作状态，在起步过程中，由于内燃机进气效果欠佳、启动扭矩大等特点，油料消耗大且燃油燃烧不充分，造成城市空气环境污染。针对这一情况，结合相关研究成果，设计了一套能够在公交车进站前将车辆的惯性能转化为液压蓄能器的压缩能的装置，并将此部分能量用于辅助公交汽车起步，达到节能减排、减少浪费的目的。

目前车辆惯性能存储再利用方面主要有液压蓄能器、电池储能、超导储能、超级电容储能、飞轮储能等几种形式[1]，液压蓄能器储能以功率密度大、成本低、寿命长等优点被作为首选储能方式[2]。早在20世纪80年代末,瑞典Volvo汽车公司就展开了串联式液压节能驱动系统研究，由于当时液压技术水平较低,因而该技术应用具有局限性，后来日本著名学者Hiroshi Nakazawa、Yasuo Kita等开始研究定压源液压驱动系统,并取得了较大进展。国内对此方面的研究从2003年开始起步，北京理工大学苑士华、西南交通大学万里翔、南京理工大学的韩文等人均进行了相关基础性研究[3-5]。本研究旨在基于前人的研究成果，从特定公交车实际工作出发，设计一种能够将公交汽车的惯性能转化为液压蓄能器的压缩能的装置并实现能量再利用，经过详尽的计算与校核，对系统的元器件选型、能实现的刹车距离、助力效果能方面进行了定量分析，充分验证了系统的可行性和实用性。

1 系统总体设计

刹车蓄能器的设计思路是：当公交车在进站前减速开始时,液压系统启动工作，通过车辆后桥转轴带动液压泵,将油液从油箱泵入蓄能器，随着蓄能器中压力的逐渐升高，蓄能器中的压力能逐渐增加，即实现将动能转化为压力能储存起来，液压泵泵油的动力来自于变速箱的二轴，产生反作用力会降低后桥传动轴转速，从而实现车辆减速，等效于实现刹车；当车辆起步开始时,蓄能器中的高压油液经过换向阀驱动液压马达,再通过传动机构将扭矩传递给变速箱二轴,实现辅助车辆启动加速，从而减少发动机启动负载，减少油量消耗，达到省油的目的。其系统结构简图如图1所示。

为满足后期市场的应用需求，选用常见的公交车作为研究对象，本研究选用黄海DD6129S23非空调型城市客车，其相关性能指标如表1所示，其底盘空间大，适合后期刹车蓄能器的安装使用。

2 系统主要零部件设计与选型

本文根据实际应用需求，进行了动力传输部分设计、液压系统设计及元器件选型与校核方面的研究。

2.1 蓄能器选型

蓄能器的选型主要考虑其工作压力和容积，气囊式蓄能器相对于重力式和弹簧式蓄能器，具有工作压力大、单位体积存储能力大等特点[6]，根据实际应用特点，该系统采用气囊式蓄能器，初定其额定压力为31.5 MPa，最大工作压力为P1=28 MPa，充气压力P0=7 MPa，最低工作压力P2=8.5 MPa。为保证最大程度吸收公交车的惯性能，现计算蓄能器容积。

对于波纹型气囊式蓄能器，P0～P2过程为系统工作准备过程，因此气囊中气体为等温工作过程。由气体状态方程P0V0=P2V2(V0为蓄能器容积)，可得最低工作压力下气囊内气体体积V2为:

V2=0.82V0.

(1)

(2)

将式(1)和相关参数代入式(2)得出：

E1=7 079.5V0.

(3)

为保证蓄能器能够充分吸收公交车的惯性能，需核算蓄能器最大储能值与公交车惯性能之间的关系。首先核算公交车进站前总动能E2：

(4)

其中：m为载客后车体总质量，取值为16 200 kg；v1为进站前车速，取值8.33m/s；v2为系统工作过程中公交车最小车速，取值2.78 m/s。

考虑公交车进站过程中空气阻力、自身机械摩擦阻力及路面阻力等综合固定消耗，根据文献资料，该部分消耗约为整车动能的20%，则要保证蓄能器最大限度地存储汽车的动能，需满足：

E1≥0.8E2.

(5)

由式(3)、式(4)、式(5)可得V0≥56.44 L，最终选取蓄能器型号为NXQ-60/31.5-L(F)-Y，系统配合的溢流阀为DBD型直动式溢流阀，并设定系统溢流阀开启压力为28 MPa，系统实际最高压力为26.25 MPa。

2.2 传动系统设计

根据系统需求，选用齿轮液压泵3APF51F11。根据所选的液压元件和该车的动能进行理论分析，保证公交车既定距离内完成减速进站，需计算确定系统机械结构传动比N1：

(6)

其中：ΔV为蓄能器内压缩气体的体积变化量，取值27.33 L；q为液压泵的排量，取值0.051 L/r；D为车轮直径，取值1 m；N0为后桥差速器传动比，取值4∶1；S为蓄能器实现的刹车距离，取值30 m。

通过式(6)确定传动系统的传动比为N1=14，研究采用齿轮传动方式实现动力的传递，配合相应的离合器实现动力的连接与切断。

经过上述研究与计算，实现公交车在30 m距离内通过蓄能器储能将车速从8.33 m/s降低至2.78 m/s，之后将通过传统的刹车系统，将公交车停靠进站。这一过程完全符合实际公交车运行要求，系统存储的能量将用于公交车起步助力。

2.3 车辆起步过程中助力扭矩计算

公交车起步瞬间，蓄能器油液释放，压力为26.25 MPa的液压油推动液压马达旋转，马达通过齿轮旋转带动二轴旋转辅助车辆起步，在起步初期能够提供的扭矩为[7]：

式中：P为系统实际最高压力，取值26.25 MPa；V为液压马达排量，取值为51 mL/r。经计算可得扭矩T=208.99 N·m，目前公交车最大扭矩一般在660 N·m～710 N·m之间，可见蓄能器提供的扭矩约占最大扭矩的29.4%～31.7%，这个比例将大大减少发动机的启动负载，减少车辆起动加速时间，对车辆减少油耗、节能减排起到显著作用。

3 结论与建议

本文主要介绍了一种将车辆惯性能转换为压力能，并将此能量用于辅助车辆起步的液压系统，该系统结构简单、工作可靠，适应当前节能环保发展理念，对减少车辆油量消耗，特别是车辆起步阶段油量消耗大且燃料燃烧不充分对环境造成的污染起到显著的改善作用。

研究从理论层面上进行了相关机械结构和液压系统的设计与校核，充分证明了系统工作的可靠性与实用性，为后续实物产品设计奠定了理论基础，是一项富有应用价值和社会影响力的创新型的研究。

参考文献：

[1] 李欣,王佳.节能汽车制动能量回收与再利用[J].机械设计与制造，2016(4):91-93,97.

[2] 管志宏.公交汽车节能环保驱动技术的研究[D].成都：西南交通大学,2003:9-10.

[3] 周奉香,苑士华,李辉.公交车辆制动能量回收与再利用系统研究[J].能源研究与信息,2003,19(2):91-94.

[4] 万里翔.汽车制动能量回收系统的研究[D].成都:西南交通大学,2008:19-20.

[5] 韩文，常思勤.液压技术在车辆制动能量回收的研究[J].机床与液压,2003(6):247-248.

[6] 机械设计手册编委会.液压传动与控制[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7] 毛谦德，李振清.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2007.