基于曲柄连杆运动的汽车减速带能量回收装置设计*

徐妍彦，邓援超

(1.湖北工业大学 底特律绿色工业学院，湖北 武汉 430068； 2.湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068)

0 引 言

中国是能源消耗大国，能源消耗约占世界的1/3，但同时我国也是一个能源缺乏的国家，在刚刚过去的2021 年下半年，全国范围内多个省份出现了拉闸限电，所以节能对我国的意义重大。 我国是汽车拥有量大国，截至2021 年底，全国机动车保有量达3.95 亿辆。 汽车给人们交通出行带来便利的同时，也给城市交通安全管理带来了巨大压力。 为确保交通安全，限制机动车行驶速度成为交通安全化的主要策略之一[1]，在高速公路收费站、大型商场地下车库入口及车流较大的学校周边道路等场所大都安装了汽车减速带。 汽车通过减速带时都会出现上下抖动、颠簸，使人体产生不适，汽车的动能转化为制动摩擦热能而消失。 基于这一状况，郭艳等[2]利用液压减振原理，回收汽车制动减速能量并将其转化发电；杜华钊等[3]研究了通过链条啮合棘轮齿的方式进行发电的方法，张蕉蕉等[4]研究了扇形轮齿传递驱动发电，崔孝冬等[5]研究了悬臂梁式压电片发电，朱子豪[6]开展了汽车—减速带—压电耦合动力学模型仿真理论研究。 研究表明，液压减振发电效率低，成本较高，链条啮合棘轮齿及扇形轮齿传递驱动等方式存在啮合间隙过大、能耗损失较大等问题，压电片发电存在疲劳破坏、单次发电量小等问题。

笔者在上述研究成果的基础上，提出了一种利用曲柄连杆机构将减速带上下的往复运动转为圆周运动并直接驱动发电机发电的设计方案。 改装后的汽车减速带装置可以将汽车通过减速带时的重量势能和部分动能直接转化为电能，并进行回收。 这一能量回收装置的能量转化过程中机械能损失小、结构简单、发电效率高，特别是这一方案在发电的同时，借助减速板底部弹簧的缓冲作用，有效减少减速板对车辆的冲击，避免了车内人员较大的震动，大大增强了车内人员的舒适感，有利于行车安全，延长车辆的使用寿命，有效保护了车辆的性能，研究成果具有较大的经济价值和社会价值。

1 运动模型建立及分析

1.1 减速板发电装置驱动模型

汽车减速带发电能量回收装置的关键技术是将汽车通过减速带时对减速带的压缩冲击动能和重力势能进行转化。 基于机械原理中曲柄连杆机构的往复运动可转化为圆周运动的特点，在减速带底部设置一个基坑，并安装一组弹簧支撑减速板，在减速带板正下方设计一个如图1 所示的曲柄连杆机构。 在汽车压缩减速带的过程中，给曲柄连杆机构一个驱动力F，在弹簧作用下迫使曲柄连杆上端做垂直方向的往复运动，连杆机构的下端带动钢质圆盘做圆周运动，为发电机提供驱动能量。

曲柄连杆机构如图1 所示。 为滑块提供往复运动空间。 驱动连杆与钢质圆盘连接处至钢质圆盘中心长度为R，定义为曲柄连杆结构的摇杆。 以钢质圆盘的圆心为原点，建立坐标系，α为摇杆与y轴的夹角，β为驱动连杆与y轴的夹角，ω为钢质圆盘运动角速度。

图1 曲柄连杆运动模型图

1.钢质飞轮 2.驱动连杆 3.滑块 4.导槽

1.2 曲柄滑块机构运动分析

如图1 所示，以飞轮的中心为原点建立坐标系，滑块沿y轴方向运动。 令曲柄连杆机构初始时连杆与摇杆共线，总长度为R＋L。 当滑块运动位移为S时，摇杆与初始位置产生夹角α，连杆与初始位置产生夹角β。 由图1 几何关系可知:

由正弦定理可得Lsinβ＝Rsinα，令摇杆与连杆长度之比为k＝R/L， sinβ＝ksinα，故:

因为:cos 2α＝1-2sin2α，sin2α＝(1-cos 2α)，故:

将(3)代入(1)可得曲柄连杆机构滑块往复运动位移S与摇杆圆周运动转角α之间的关系式为:

取S对时间的导数，即可得到滑块的速度v:

式中:dα/dt＝ω，ω为摇杆的角速度。

得到曲柄连杆机构滑块往复运动速度v与摇杆圆周运动转角α之间的关系式为:

同样，取v对时间的导数，即可得到滑块的加速度a与摇杆圆周运动转角α之间的关系式为:

2 能量回收装置设计

2.1 构件组成及特点

文中设计的能量回收装置主要由发电装置、蓄电装置及附属土建工程组成。 利用SoildWorks 三维技术对能量回收装置建模，并转化为CAD 以便于表述结构关系，结构设计图如图2 所示。

图2 汽车减速发电装置结构设计图

发电装置主要由减速带板、减震装置、连杆驱动装置、发电机等组成。 发电装置主要构件的特点是:构件1 和构件2 是刚接连接，构件4 与构件2 及构件5 是轴承连接，构件6 是发电机的转轴，与构件5 是刚接连接，构件5 起到带动发电机转子的飞轮作用。

蓄电装置主要由连接电缆、桥式整流器及蓄电池组成，蓄电装置尽量布置在距离减速带较近、防水、通风条件较好的空间。

满足上述装置的土建工程主要包括减速带坑、发电机坑及坑道排水设施等。

2.2 发电工作原理

汽车减速板发电的原理是将汽车压缩减速带板的冲击动能及部分重量势能转化为电能，即当汽车行驶通过减速带板时，汽车轮胎压住减速板→减速板及减速板驱动杆往下运动→驱动连杆带动飞轮(钢质圆盘)做圆周运动→钢质圆盘转轴驱动发电机转子发电。

由于汽车轮胎压住减速板使减震器弹簧受压，当汽车车轮离开减速带时，减震器弹簧恢复形变往上运动→减速板及减速带驱动杆往上运动→驱动连杆带动钢质圆盘做圆周运动→钢质圆盘转轴驱动发电机转子发电。

因此，汽车车轮通过减速带时使得减速带板(含减速带驱动杆)上下往复运动，从而带动驱动连杆及飞轮做运动，飞轮驱动发电机发电。

2.3 参数设计及运动关系

考虑汽车减速板厚度为50 mm 左右，为减小装置基坑的开挖深度，设计装置中构件4 驱动连杆的长度L＝600 mm，驱动圆盘5 的摇杆半径R＝150 mm，则k＝R/L＝0.25，参照公式(4)可得:

汽车单轴通过减速板完成一次往复运动位移S与驱动钢质圆盘做圆周运动的转动角度α之间的运动关系曲线如图3。 假设汽车单轴经过减速板的时间为0.5 s，减速板带动连杆往复运动的周期T＝1 s，则钢制圆盘的角速度ω＝2π/T＝2πrad/s，参照公式(6)可得:

图3 减速板运动位移与驱动圆盘转动角度的关系图

汽车单轴通过减速板往复运动速度v与驱动钢质圆盘做圆周运动的转动角度角度α之间的运动关系曲线如图4。

图4 减速板运动速度与驱动圆盘转动角度的关系图

2.4 技术特点及相关要求

(1) 汽车通过减速带板发电的同时，汽车通行更加平稳，增加了人体的舒适度。 这是由于汽车通过减速带时，减速带板受到整个发电装置的阻尼作用，减速带板会缓慢下降，减速带板完全进入减速带坑后，减速带区域路面平整，汽车行驶平稳。 其次，为减少汽车通过减速板的冲击感，将减速板的截面设计成月牙板半圆形[7]。

(2) 减速带板发电装置位置依据车道分布情况布置，尽量使车轮居中行驶在减速带板上，对车流密集区的多个减速带板可以布置多个发电装置实现同时发电，同时发电时，对单个装置进行并网发电后外输，接入附近的蓄电池，蓄电池等装置尽量布置在室内。

(3) 文中设计装置土建工程需要做好坑道内积水的收集和排放工作，需要做好地下电缆的绝缘和保护工作，尽量将整流装置及蓄电池安装在室内。

3 电路设计

由于汽车通过减速带时曲柄连杆机构所产生的圆周运动有可能是顺时针运动，有可能逆时针运动，因此，上述设计的发电装置产生的是交替变化的电流。 利用二极管单向导通特性[8]，可以将四个二极管两两对接，形成桥式整流器，如图5 所示。

图5 桥式整流器电路图

假定某一时刻汽车压缩减速带板带动发电线圈顺时针转动时，产生如图5 所示电压u，设输入端a为正、b为负，此时二极管D1和D3处于通导状态，D2和D4处于断开状态，输出端上获取的电压是上正下负。 假定另一时刻汽车压缩减速带板带动发电线圈逆时针转动时，得到的是相反结果，即二极管D2和D4处于通导状态，D1和D3处于断开状态，但输出端的电压依然是上正下负。 将发电线圈输出电流的正、负极与蓄电池的正、负极对应连接，蓄电池可以获得稳定的单向脉动电压，从而达到稳定充电状态。 如图6。

图6 单相桥式整流电路工作波形图

设u为输入电压，R为蓄电池电阻，整流电压平均值U0和整流电流平均值I0计算如下[9]:

4 发电量计算

以某大型商场一个入口为例，统计一天内普通轿车通过单个能量回收装置的发电量。 普通轿车质量2 000 kg，减速带板质量10 kg，减震弹簧刚度为20 kg/mm，汽车通过减速带板下行位移为100 mm，参考文献[10]，依据牛顿第二定义，计算汽车压缩减速板的下行速度v下＝1 m/s，汽车离开时减速带板上行速度为v上＝14 m/s，飞轮转速n＝100 r/min，单次减速带板往复运动时间t＝0.20 s，汽车前后轮通过减速带板的时间约4 s。 发电机的输出电压为E0:

式中:N为砸数(取200，电阻R 约8 Ω)；K为常系数(约为1.1～1.25)；f为频率；p为极对数(取2 对)；n为转速；Φ为磁通量，20Wb。

计算发电机E0＝74 V，E有效＝0.707E0＝52.3 V。发电机有效功率P发电机＝/R＝0.034 W。 一辆汽车通过发电量W＝p发电t＝0.024 kW·h。

采用“TS-NN 模型”法[11]预测道路某一出入口的交通车流量，按每小时通过商场某一个出入口的车流量为3 600 辆，同一出入口部位前后平行设置两条减速带板，计算发电量W＝172.8 kW·h。 一年的发电量约为6.3 kW·h。

5 结 论

(1) 基于曲柄连杆机械运动用于汽车通过减速板直线往复运动转化为飞轮的圆周运动直接驱动发电机发电，能量转化损失小、发电效率高。 这一方案克服了链条或齿轮传递发电能量损失大的缺陷，也克服了传统压电板发电容易出现疲劳破坏且单次发电量小的问题。

(2) 减速带板底部设置的减震弹簧能起到较好的减振作用，将传统的汽车减速刚性冲击转化为柔性压缩，提高了汽车通过减速带时人体的舒适度，减少了汽车轮胎磨损。

(3) 设计的能量回收装置主要由发电装置和电能储存装置组成，机械原理及构造简单，配套土建安装工程简便易行，便于推广。

(4) 采用单相桥式电路，对汽车间歇式压缩减速带板产生的正弦电流进行整流后形成单向脉动直流电，便于蓄电池充电存储，电能采集率高，结构简单。

(5) 单组减速带板一年的发电量约6.3 kW·h，能量回收经济效益可观，为我国新能源发展提供了新的技术途径。