頻繁正反轉運動的儲能

洪雯 孫靜怡 劉東冉 李美琳

摘 要：汽車要減速時可以將余下的動能轉變成重力勢能儲存起來，比如在還有一定速度的時候將車停到高處。而對于有頻繁正反轉動的機器，比如說洗衣機，也可以將這部分能量利用起來。本方案提出的節能裝置主要采用渦卷彈簧，及棘輪式超越離合器、新型減速離合器等部件，利用發動機正（反）向旋轉制動、減速等產生的機械能用渦卷彈簧儲存起來，而在發動機反（正）向啟動、加速時發出能量得以應用，從而達到節能減排的效果。該方案具有低能耗、低排放、高效率等優點，較普通洗衣機節能效果顯著，具有很大的市場空間和推廣價值。

關鍵詞：渦卷彈簧；減速離合器；電路控制系統

全自動洗衣機主要由箱體、洗滌脫水桶、傳動和控制系統等組成，有的還裝有加熱裝置。機械力、洗滌液、水是洗衣機洗滌過程中的三要素。洗衣機運動部件產生的機械力和洗滌液的作用使污垢與衣物纖維脫離。加熱洗滌液，可增強去污效果。滾筒洗衣機洗滌功率一般在200瓦左右，如果水溫加到60攝氏度，一般洗一次衣服都要100分鐘以上，耗電在1.5度左右。洗衣機在洗衣服的時候需要不斷的啟動、制動、變速，利用渦卷彈簧儲存電動機正向制動、減速過程中產生的機械能并在洗衣機反向加速時釋放，就可以達到節省能源的作用。

我們設計的這種裝置，是將渦卷彈簧安裝在洗衣機的減速離合器（控制洗衣機輪軸處于正轉還是反轉的核心部件）上，通過將洗衣機洗滌模式正向減速的浪費的機械能經彈簧儲能轉變成可以做功的彈性勢能，再在其反向加速時將彈簧內存儲的彈性勢能釋放出去做功，使洗衣機反向加速旋轉，從而起到節能減排的作用。

1 全自動洗衣機的工作原理

波輪式洗衣機工作原理：依靠裝在洗衣桶底部的波輪正、反旋轉，帶動衣物上、下、左、右不停地翻轉，使衣物之間、衣物與桶壁之間，在水中進行柔和地磨擦，在洗滌劑的作用下實現去污清洗。其工作時分洗滌模式和脫水模式。

2 采用的結構

2.1 棘輪式超越離合器

棘輪式超越離合器是由棘輪機構和離合機構組成。

棘輪機構主要有搖桿、棘爪、棘輪、制動爪和機架組成。彈簧使制動爪和棘輪保持接觸。

工作過程：搖桿逆時針擺動——棘爪插入齒槽——棘輪轉過角度——制動爪劃過齒背

搖桿順時針擺動——棘爪劃過脊背——制動爪組織棘輪作順時針轉動——棘輪靜止不動

因此當搖桿作連續的往復擺動時，棘輪將作單向間歇轉動。

離合機構由方絲離合彈簧和離合套組成。

實現彈簧旋松的機構是棘輪棘爪裝置，圖1是其工作原理簡圖。方絲離合彈簧下端的彈簧卡2卡在棘輪3的內槽中，通過棘爪5的擺動使棘輪3轉動，從而帶動方絲離合彈簧向旋松方向轉動，通過渦卷彈簧的壓縮和釋放實現能量的重新利用與節能過程。

2.2渦卷彈簧

圖2 渦簧結構 圖3 CAD示意圖

渦卷彈簧具有雙向儲能的功能，它無論是正轉還是反轉都可以將動能變成彈性勢能存儲起來，而它最廣泛的應用是用于旋轉運動中。將它的中心端固定在軸上，最外端與旋轉物固定在一起，即可與旋轉物一起轉動；如果可以控制渦卷彈簧在旋轉停止時，剛好處于沒有形變的時候，在慣性下，渦卷彈簧會以形變的形式將動能轉變成彈性勢能，這就是儲能過程。但是由于儲存的能量不能長久的保持，就需要很快的將這部分能量利用起來。于是，設定在發動機開始反向加速時，將這部分能量釋放出來。為了減少對渦卷彈簧的磨損，引入新型減速離合器，并編程控制在發動機正轉結束的一刻，將渦卷彈簧接入使其儲存動能，儲存能量完畢之后渦卷彈簧張到最大，并在發動機開始反向轉動前一刻釋放完能量，而到發動機正要反向加速運動時，將渦卷彈簧接出。

而我們采用的新型離合器：棘輪式超越離合器恰好能滿足我們的要求，它的齒輪結構方便渦卷彈簧的接入與接出，而棘爪剛好可以與渦卷彈簧的最外端相連接，滿足上述的要求；此外它可以接到洗衣機的中軸上并很好的固定住。

3 傳動部分

洗滌時防止內桶出現跟轉是設計中一個非常重要的問題。洗滌時，波輪將傳動力矩傳遞給水和洗滌物，而轉動的水和洗滌物又將轉矩傳遞給內桶。因此，內桶如果不固定或固定不可靠，就要隨之轉動，這就是跟轉現象。洗滌時，內桶跟轉現象將減弱洗滌效果并對洗衣機不利，所以要防止山桶出現跟轉。因為內桶和脫水軸是連成一體的，所以只要將脫水軸可靠固定，就可使內桶不跟轉。為此，除了剎車裝置外，在脫水軸上還安裝有單向滾針軸承，其工作原理如圖4所示。

當波輪逆時針方向旋轉時，內桶有逆時針方向跟轉的傾向，這時與內桶成一體的脫水軸被單向滾針軸承卡住，不能轉動，所以內桶也就不能轉動。但在波輪順時針力向轉動時，單向滾針軸承允許轉動的方向與之一致，所以對脫水桶沒有制動作用。

當波輪順時針方向轉動時，內桶有順時針方向跟轉的傾向，這時自然狀態的剎車扭簧將被旋緊，緊緊抱住剎車裝置外罩的軸端，相互之間產生足夠的摩擦力使兩者成為一整體。剎車裝置外罩的順時針旋轉摩擦力將剎車帶拉緊，剎車帶對剎車盤轉動產生摩擦阻力，這樣就阻止了內銅內桶跟轉。

綜合所述，當波輪逆時針轉動時，依靠單向滾針軸承來防止內桶跟轉；當波輪順時針方向轉動時，依靠剎車裝置來防止內桶跟轉。

脫水過程中突然打開洗衣機上蓋，排水電磁鐵失電，方絲離合彈簧恢復到洗滌狀態，由于脫水是順時針旋轉，剎車扭簧將抱緊，剎車裝置起作用，剎車帶將使內桶迅速制動。

4 電路控制部分

在電路控制方面，我們選用以單片機為核心的邏輯電路來控制洗衣機的轉停時間和彈簧的接入，實現了全自動控制的洗衣機電路控制。交流部分是利用單片機控制繼電器實現電動機的正反轉，直流部分利用整流橋將220VAC降壓得到5VDC給單片機和繼電器控制電路供電。繼電器通過單片機信號控制通斷。其中單片機是一種集成芯片，采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器。而整流橋就是將整流管封在一個殼內了，分全橋和半橋。可以起到把交流變直流的作用。

其中，如何控制在恰當的時機控制減速離合器接入渦卷彈簧是關鍵，這就要通過電路控制系統。而具體的數據是要通過觀察、測量、編程、再測量等一系列的實驗得到的。首先，觀察洗衣機的運轉，再測量正、反向旋轉運動的時間，電機停止工作后多少秒滾筒完全停止，完全停止多少秒后電機開始工作。并將這些實驗得到的數據編入控制單片機的程序，從而控制渦卷彈簧在恰當的時間接入。編程后，啟動洗衣機，再觀察該程序是否能有效的完成預期目的，如果能的話則采用此編程，如果不能則再觀察測量得到新的數據，重復上述步驟直至得到正確的數據為止。

5 與傳統洗衣機相比較的優勢（見下表）

參考文獻

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