自行車液壓能量再生系統的研究

張文亭

(陜西工業職業技術學院機械工程學院，陜西咸陽 712000)

當今世界，各個國家都充分地認識到環境保護的重要性，有些地方通過立法來限制二氧化碳的排放，目的就是保護和提高城市的環境質量，并且大力推廣綠色出行。自行車作為一種傳統的交通工具，目前在城市越來越受到人們的重視與喜愛，因為自行車騎行安全、方便，特別是在城市和人口稠密的地方，它有時候比開車還要快。為了增加自行車的騎行方便性、節省體力，可以在自行車上增加一個小型液壓系統進行能量回收，把制動過程中產生的能量儲存起來，然后再重復使用。

傳統的自行車在制動的時候，車身所具有的動能以熱量的形式散發到環境中去，在每次停車或者減速時，都會發生這種情況。而在需要加速或者啟動時，不得不再次投入很大的體力去驅動自行車。尤其在城市中心行駛時，需要頻繁的啟停，這種情況下能量損失是相當大的。

液壓混合動力自行車，不是用鏈條來驅動，而是利用液壓回路來驅動自行車后輪。在正常運行時，人驅動腳踏帶動液壓泵轉動，油泵將壓力油輸送到液壓馬達，帶動液壓馬達旋轉，馬達再驅動后輪運動。在制動的時候，液壓馬達短時間作為液壓泵來使用，消耗自行車的動力把液壓油加壓儲存在蓄能器里，可以在加速模式時對液壓馬達進行輸入。

研究表明:在自卸型重卡中采用液壓能量回收系統，回收效率可以達到66%，通過使用推薦油路與配置能量回收效率可以高達73%，一般整體效率在32%～66%之間。這表明采用液壓系統進行能量回收相對其他能量回收系統而言，效率還是比較高的。

文中提出了一種新的液壓能量回收系統，主要由齒輪泵、齒輪馬達、電磁閥、儲油桶、蓄能器、軟管等原件組成，并完成對系統的分析與研究。

1 液壓能量回收系統的分析

圖1顯示了自行車車架上主要元件的布局。

圖1 自行車實物圖

油箱安裝在自行車立管上，油泵通過齒輪連接到鏈輪上，蓄能器水平固定在上管上，液壓馬達通過齒輪裝置和后輪連接在一起。為了方便分析，圖1中未示出液壓閥和電子控制系統。

1.1 系統描述

在圖2所示液壓回路中，油箱用以儲存足夠量的液壓油，過濾器用以防止金屬或灰塵顆粒進入液壓系統，液壓泵將機械能轉化成液壓能，傳輸給液壓馬達。4個電磁閥用于控制自行車實現4種運動模式，這4種模式分別是:人力騎行，慣性滑行，制動，能量再生運行。在人力騎行和能量再生運行這兩階段，通過液壓齒輪馬達來驅動自行車后輪，而在制動時，齒輪馬達 (短時間作為泵來使用)把機械能轉化成液壓能儲存在蓄能器中，并在啟動過程中釋放。溢流閥作為安全閥來使用，在制動過程中，如果蓄能器充滿了，那么多余的油液就通過溢流閥流回液壓缸。換向閥1和換向閥2是2個兩位兩通電磁換向閥 (開關閥)，換向閥3是兩位三通電磁換向閥，換向閥4是兩位四通電磁換向閥，各換向閥電磁鐵所用的電源都是直流電源。選用的齒輪泵和齒輪馬達結構簡單，體積小，價格便宜，效率高，而且可以互逆使用。蓄能器采用相對比較輕巧的氣囊式蓄能器，可以根據系統壓力的需要事先充氣;溢流閥與蓄能器相連保證了在蓄能器充滿后能及將油液溢回油箱。各個液壓元件之間采用柔軟的液壓細管相連。

圖2 再生制動系統的液壓回路

1.2 系統分析

自行車的4種運行模式分別是:人力騎行，慣性滑行，制動，能量再生運行。在人力騎行模式時，是由人提供功率直接驅動自行車運動;在慣性滑行模式時，自行車因慣性而保持繼續運動;在制動模式下，自行車的動力用于驅動液壓齒輪馬達，反過來向蓄能器中充油;在能量再生運行模式下，儲存在蓄能器中的液壓能被釋放出來驅動自行車運行，這時可以沒有人力的作用。在液壓回路中，通過4個電磁閥不同的帶電情況可以實現剛才所述自行車的4種基本模式，如表1所示。

表1 不同模式下液壓閥電磁鐵的帶電情況

在人力騎行模式下，騎行人直接給齒輪泵提供功率，可以通過齒輪、鏈條或者皮帶把動力傳遞給齒輪泵，它們之間的傳動比取決于泵所要求的運行轉速的范圍。進油路:油箱→過濾器→齒輪泵→換向閥2的左位→換向閥4的左位→齒輪馬達的進油腔;回油路:齒輪馬達的回油腔→換向閥4的左位→換向閥3的左位→油箱。

在慣性滑行模式下，由于自行車和騎行人的慣性使車輛保持其運動。進油路:油箱→過濾器→換向閥1的左位→換向閥4的左位→齒輪馬達的進油腔;回油路:齒輪馬達的回油腔→換向閥4的左位→換向閥3的左位→油箱。這條回路是阻力最小的路徑，在滑行過程產生的能量將會發熱散去。

在制動過程中，不需要人力驅動了，因此齒輪泵是不起作用的。進油路:油箱→過濾器→齒輪泵→換向閥1的左位→換向閥4的左位→齒輪馬達 (泵)的吸油腔;回油路:齒輪馬達 (泵)的壓油腔→換向閥4的左位→換向閥3的右位→蓄能器。在制動的瞬間，液壓馬達作為一個泵來使用，用自行車的動能來驅動泵，從而減慢了自行車的速度，同時蓄能器中的高壓油液也得到了補充。在蓄能器完全充滿后，多余的油液通過溢流閥釋放到油箱中。

在能量再生運行期間，蓄能器把壓力油供給液壓馬達，實現壓力能到機械能的轉換。進油路:蓄能器→換向閥3的右位→換向閥4的右位→齒輪馬達的進油腔;回油路:齒輪馬達的回油腔→換向閥4的右位→換向閥1的左位→過濾器→油箱。

2 系統元件規格核算

以26山地車為例進行各元件規格核算。

自行車從速度v0到完全靜止所需要的制動能量:

式中:m是自行車和騎車人的總質量。

由于制動時間通常比較短，制動轉矩比較大，因此空氣阻力等忽略不計，這樣可以得出制動時的轉矩公式:

式中:Iw是車輪的轉動慣量的質量矩;m是總質量;Rw是車輪的半徑;a是使車輪停止運動的減速度。

由于自行車屬于移動設備，為了減輕車身質量，這里采用氣囊式蓄能器，其結構如圖3所示，它由充氣閥、殼體、氣囊和限位閥組成。這種蓄能器是在高壓容器內裝入一個耐油橡膠制成的氣囊，氣囊內一般充氮氣，氣囊外儲油，殼體下端有限位閥，它能使油液通過閥口進入蓄能器，又能防止當油液全部排出時氣囊膨脹出容器之外。

圖3 充氣式蓄能器

這里把氮氣當作理想氣體，忽視液壓油的可壓縮性，套用熱力學方程可得:

其中:pi、Vi分別為蓄能器氣囊中的初始壓力和體積;p、V分別為蓄能器氣囊中的最終壓力和容積;Vf是進入蓄能器的液體的體積;c是常數;γ為絕熱指數，取1.41。

假設當制動結束后，蓄能器中液體的壓力為p1，那么這時蓄能器中儲存的能量為:

其中:Vf是在制動過程中進入蓄能器的液壓。

從上式來看蓄能器的容積大小很重要，它確保自行車能啟動并且達到一定的速度。當然蓄能器的進口壓力一般不能超過系統的最大工作壓力，如果超過了，油液就會溢流回儲油桶中，造成能量損失。因此，蓄能器需要足夠的容積和流量來滿足系統的需要。

從式 (1)和 (4)可推出:

蓄能器容積公式可以從下面公式獲得:

整理以上可以得到:

蓄能器的最高工作壓力出現在制動過程中，p1和p2都小于此值，假定蓄能器在充壓和釋放過程中是絕熱的。在制動時，液壓馬達短時間作為液壓泵來工作，驅動液壓馬達 (泵)的轉矩公式:

其中:Δp是液壓馬達 (泵)進出口壓差;VM是液壓馬達的排量;ηt是油液馬達 (泵)的機械效率。由于自行車的液壓系統不需要太復雜的，因此選擇比較簡單的定量齒輪馬達。液壓馬達的進出口壓差公式:

其中:p2是儲油桶口的壓力，通常取一個大氣壓;f是液體的摩擦因數;L是油箱和馬達之間軟管的有效長度;ρ是油液的密度;A是軟管的內部橫截面積。

在制動過程中蓄能器所充氣體的壓力:

其中:Qa為在制動過程中，液壓馬達中實際通過的流量，其公式:

其中:VP是液壓馬達的排量;ηv是其容積效率。

在能量再生運行模式下，儲存在蓄能器中的能量來驅動液壓馬達，在此過程中，實現了液壓能到機械能的轉變。

液壓馬達產生的實際驅動轉矩:

其中:ηt為液壓馬達的機械效率。

跟上面類似，通過液壓馬達的壓力計算公式:

實際要求通過馬達的流量:

液壓能量再生制動系統的實際能量回收率等于蓄能器中儲存的能量與自行車動能之比:

其中:Δt是制動過程的時間。

再生制動能量:

自行車速度從v0減少到vΔt所帶的動能:

3 總結

設計了一個簡單的液壓回路，在控制電路的配合下可以在自行車上實現能量的回收再利用。這樣人們在騎車時，尤其是在啟動、爬坡或者需要加速時就可以少消耗自身的體力。體能消耗的減少將鼓勵更多人選擇騎車。由于該系統通過實驗選擇了質量輕的標準元件，因此，車身質量沒有大的增加，系統出現問題時，元件方便更換。

當然該系統也有缺點，它的價格相對比較貴，通常是普通自行車的兩到三倍，但是作者相信通過進一步的開發和研究，一定可以降低其經濟成本。

［1］李芝.液壓傳動［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［2］王成福.電器及PLC控制技術［M］.杭州:浙江大學出版社，2008.

［3］謝正寬.自行車騎行寶典:單車學校教你的52堂課［M］.北京:中國輕工出版社，2012.

［4］CLEGG S J.A Review of Regenerative Braking Systems［R］.The University of Leeds，1996.

［5］VU Tri Vien，CHEN Chih Keng，HUNG Chi Wei.Study of Hydraulic Regenerative Braking System in Hydraulic Hybrid Vehicles［J］.Journal of Science and Engineering Technology，2011，7(4):9-18.