便携式能量回收运动车的设计与仿真测试*

罗文祥，周小淞，黄远翔，彭建兴，卢 春，郭贞景，蒋 萍

（贵州师范大学机械与电气工程学院，贵阳 550000）

0 引言

随着我国经济的高速发展，人们的出行方式越来越多样化。其中，最为普遍的是内燃式汽车出行，但大量内燃式汽车的使用不免造成了交通堵塞等问题[1]。以经济迅速发展的上海市为例[2]，机动车的数量每年以10%以上的速度递增。目前，上海全市机动车的保有量已达70.6万多量，特别是在城市核心地段的黄埔、卢湾等地区，交通堵塞非常严重。导致很多人不再愿意去乘坐交通工具，而是更偏向于各类小型代步工具，如电动车以及刚刚崭露头角的共享自行车等。此类代步工具的缺点是受地域限制、电动类车型充电时间过长，续航不久、维修困难、能量不能回收利用等。此外，随着人们生活工作节奏的快速化，大多数的年轻人都没法满足日常的身体锻炼，导致身体状况变差，很多老年疾病年轻化，严重影响年轻人的日常生活与工作。为解决“最后一公里”的难题、现有代步工具以及快节奏生活方式下日常锻炼的问题，目前有许多对现有代步工具的改进设计。

荷兰的机械工程师Bruin[3]发明了一款履带式"走路自行车"——Lopifit。Lopifit通过在20英寸的后轮上加载250 W的无刷马达提供动力，当人站在履带上并与车身发生位移时，即可触发电机，带动履带工作。其原理与跑步机基本相同，只是不需要跑起来，走着就行了。该设计可以让人们在骑自行车的时候起到跑步、走路的效果。在文献[4]中，自行车行驶产生气流带动扇叶转动，从而带动电机转动，电机另一端通过切割电磁铁进行发电，时速在8 km/h以上就可以发出有效的电流，通过稳压器稳压之后，在整流桥的作用下，将交流电转化为直流电输入存储到储电装置中，用电时通过输出端USB插排口导出。这个设计可以很好地将自行车的机械能转换成电能储存在锂电池中。文献[5]中设计的自行车主要分为四大模块：发电模块、整流稳压模块、蓄电模块、电能应用模块。通过骑行使发电花鼓内部转子旋转产生电压，经稳压整流模块传送至蓄电池，进而为相关设备提供电能。该设计可以有效地实现自行车骑行中能量的回收，可随时随地实现对电子产品的供电，必要时也可通过手摇脚踏板发电。此外，文献[6]中，将自行车动力当作能源，依靠能量转化完成电能集中存储与利用，而多出部分保存于充电电池内，有利于解决特殊场合发电供电问题。该自行车健身制动发电系统的设计可以解决城市环境污染的问题，同时避免了高额发电所耗费能源的成本，提高发电利用率。

综合现有对代步车的改进设计，部分可以实现跑步与代步的结合，但是无法实现跑步与代步的随时分离，并且也没能很好地利用跑步与代步时的能量转换；部分可以实现代步车的能量回收，但没能将代步与跑步相结合。因此，本文在现有设计的基础上，创造性地设计了一款能量自回收运动车，不仅兼具跑步机和代步车的功能，还能将使用过程中产生的动能、机械能等其他形式的能量转换成电能储存在电池里，储存的电能可以为其他设备提供电源，实现能量的再利用，实现了保护环境和绿色可持续发展的目的。

1 设计原理

本作品设计整体模型（图1），它是由运动车（图2）和平衡支架（图3）两个部分组成。当小车居家用作跑步锻炼时，考虑到安全性、平衡性和产生的噪声，专门设计了平衡支架，该支架主要由4个液压减震器2和外围扶手1构成。

图1 整体模型

图2 运动车

图3 平衡支架

当在小车上面跑步时，手握扶手保证平衡，4个液压减震器[7]减少运动中产生的噪声。为了迎合人们日常需求，设计运动车分为两用，一是户外代步，相当于生活中常见的小电瓶，二是居家跑步锻炼，相当于健身房的跑步机。为了实现这两种模式的切换，专门设计了转轴器（图4），参考生活中自行车传动轴设计思路[8]，逆时针受力带动轮子转动前进，顺时针不受力。在代步模式下，转轴器顺时针转动，运动车的传送履带不受力，作为普通支撑装置，而在跑步模式下，转轴器逆时针转动，带动后轮转动；后轮选择现在最先进安装有能量回收装置的轮毂电机，能实现在轮子转动就能产生电能，电能经过处理后直接给小车锂电池充电，实现能源的转换利用，还能提高运动车的续航能力。

图4 跑步车内部线框

2 功能设计

2.1 运动车代步功能设计

为实现代步功能，采用轮毂电机作为电力源，锂电池[9]进行电能的充放，重要支撑结构采用高强度低合金钢等高强度材料。运行方面，采用轮毂电机[10]，轮毂电机将动力、传动和制动系统高度集成装于轮毂内部，可使搭载车辆减省离合器、变速器、传动轴等驱动部件，从而降低质量、提高效率、简化底盘结构、提升小车内可以利用的空间[11]。此外，为了防止轮毂电机振动产生噪声影响人们正常生活，采用了从轮毂电机内部结构改进的措施[12]，有效减少轮毂电机运行时噪声的产生。储放电能方面选用锂电池，将轮毂电机与锂电池相结合，锂电池有容量大、体积小的优点，可以实现小车的轻量化，并与轮毂电机相结合组成能量切换装置。代步时，锂电池可以为轮毂电机提供能量；跑步时，轮毂电机可以将回收的能量储存在锂电池中。此外，在关键连接部分采用高强度、低合金钢等高强度材料，在轻量化的同时又确保了运动车运行的安全性。

2.2 运动车跑步功能的设计

为实现跑步功能，采用了与发电式跑步机[13]类似的设计。当人在小车上跑步时，通过脚底的摩擦力，跑步者通过蹬踏带动小车的跑步带做平板运动，跑步带通过摩擦力带动两端的轴旋转，这时增速箱将驱动轴上输入的低速旋转机械能转化为高速旋转机械能输出到轮毂电机的转轴上，带动轮毂电机高速旋转，轮毂电机发出三相交流电，通过整流器和逆变器变换后，输出电压和频率都稳定的交流电供给外部负载。当外部负载较小时，整流器输出的直流电有一部分会给储能装置充电，当外部负载较大而发电机输出的电能无法满足需要时，储能装置会输出直流电，经逆变器逆变后供给给负载。跑步功能原理如图5所示。

图5 跑步功能原理

2.3 基于飞轮的运动车功能切换

结合自行车飞轮[14]的设计特点——逆时针转着力，顺时针不着力，运用到小车两种模式的切换上。在家里通过调节飞轮，使人在跑带上跑步带动轮毂电机转动，模拟跑步机的功能，再把产生的动能转化成电能储存起来。在户外，调节飞轮，卡死跑带，起代步作用。能量回收运动车工作模式切换如图6所示。

图6 工作模式切换原理

3 运动车储能系统的设计

能量回收运动车发出的电能，除直接供给负载外，剩余的电能还能被储存起来应急使用。但由于健身者的性别、年龄、体质等因素差异，每个个体的运动强度都有所不同，不可能全部按同种方式将电能有效地收集和储存。因此，针对不同的跑步对象、不同时间段内跑步速度的不同导致发电机输出电能的电压、频率变化较大以及输出零散电流的情况，本文提出了相关的解决方案：首先对发电机输出电压进行整流滤波[15]，然后通过二极管连接到锂电池，为防止电流回流造成电路混乱，锂电池的充电回路采用单向导通；同时，锂电池与逆变器之间也采用单向导通电路相连，当外部负载超过发电机的输出能力时，该电路导通，放出直流电给逆变器，经逆变器整流后供给负载。锂电池充电回路和放电回路的导通需根据主回路中电压大小进行判断，选通相应的开关，进行放电或充电。运动小车储能系统的具体电路设计如图7所示。

图7 基本电路组成

4 仿真测试分析

4.1 设置运动参数

调用运动车设计的参数化模型在运动界面生成仿真模型，把需要运动的部件添加到对应层面上，在UG/Motion模块中进行运动分析模块预处理设置。

4.2 仿真测试分析方案

通过对该装置结构和运动特征的分析，进行飞轮对运动车工作模式切换的仿真测试，拟分析解决运动车在飞轮切换工作模式时产生的问题。

模式一共创建了7个连杆，连杆1由运动车跑步履带构成，连杆2、连杆3由两个齿轮构成，连杆4、连杆5由内部传动机构构成，连杆6为飞轮所在齿轮内部、连杆7为飞轮卡片。

为了使机构运动，需要为上述机构添加运动副。连杆1、连杆2、连杆3为滑动副，连杆2、连杆5构成旋转副，连杆3、连杆6构成旋转副，连杆6、连杆7构成旋转副。

图8 仿真示意图

4.3 仿真结果分析

通过仿真测试分析，得出以下结论：首先，通过飞轮可以较好地实现运动车工作模式的无缝切换；其次，飞轮在切换运动车工作模式时，运动车应处于停止状态，防止损坏飞轮卡片；最后，由于飞轮在运动车切换时使用频繁，飞轮材料应采用高强度材料。通过仿真测试情况分析，可以知道该装置的具体运动情况，并作出相关改进，利用其参数来搭建实物模型。

5 结束语

随着人们生活水平的提高，较多人们采用内燃式汽车出行，但大量内燃式汽车的使用会造成交通堵塞、环境污染等问题。此外，由于人们快节奏的生活方式，大多数年轻人无法满足基本的日常身体锻炼，导致老年疾病年轻化，严重影响的年轻人的日常生活与工作。本文结合现有的代步电动车与跑步机进行了改进设计，将二者结合，并把轮毂电机运用到代步电动车、跑步机上面，不仅具有驱动代步车的作用，还能把跑步时的机械能转换成电能储存到锂电池，再将电能运用到代步中，达到能量回收利用的目的。采用自行车飞轮结构运用到跑步机上面，实现了单方向驱动的效果，让跑步模式和代步模式实现无缝切换。该设计不仅具备传统的代步车与跑步机的功能，让广大市民可以绿色出行保护环境，还能在家进行健身锻炼，加强体格预防疾病。并且装置成本不高，具有良好的社会意义和发展前景。很好地体现出“绿色发展”的新发展理念，符合我国可持发展战略的需求。