叉車制動能量再生系統初探

摘 要：叉車作業時，需反復制動控制前進或后退的距離，達到合適的位置后進行取放貨物的操作，能量消耗較大，燃油消耗率較高。為提高叉車的節能、減排、降耗的效果，文章就如何有效利用叉車制動能量進行分析研究。

關鍵詞：制動能量；傳動系統；制動系統；能量存儲；強制動；弱制動

1 國內目前技術狀況

叉車整機在倉庫內作業時，其前進次數與后退次數基本相當，需頻繁的反復進行制動，以控制前進或后退的距離，達到合適的位置后進行取放貨物的操作。因此，能量消耗較大，燃油消耗率較高。制動能量全部轉化為熱能，造成能源浪費。

2 問題提出

叉車起步需要利用發動機提供力矩完成，因此，所需匹配的發動機功率則必須較大，以滿足起步需要。即便如此，叉車的起步仍然較為緩慢。另外，反復制動導致制動蹄片磨損較快，更換頻繁。

如能將叉車制動前期整機所包含的動能全部或部分存儲起來，用于起步或加速動作，則能節約發動機功率，降低發動機的怠速扭矩，減少排放，降低油品消耗，減少制動系統的磨損。

因此有必要研究，如何將叉車的制動能量有效存儲并應用于叉車起步或舉升貨物使用。

3 分析

3.1 叉車分類及制動制動類型劃分

（1）叉車分類：根據其傳動方式可分為機械叉車、液力叉車；根據驅動動力源，可分為燃油叉車、電動叉車、液化氣叉車等。（2）制動類型劃分：當叉車處于滿載全速前進貨后退狀態下，緊急制動至叉車停止運動，稱為強制動；其他工況的制動，如車輛利用制動器進行減速；或叉車低速運行時，利用制動器使其停止，則稱為弱制動。叉車在作業時，大部分工況的制動均為弱制動。

3.2 叉車傳動系統和制動系統的組成及其動力傳遞路徑

3.2.1 燃油叉車或液化氣叉車

（1）傳動系統：來自發動機的動力，經變速箱、主減速器減速增扭后 ，通過差速器、經半軸分別傳遞至兩邊的輪轂或傳遞至輪邊減速器，再由輪邊減速器驅動輪轂旋轉，從而驅動車輪旋轉。（2）常規制動系統：制動踏板力經制動杠桿傳遞至制動總泵的頂桿，將總泵殼體內的制動液擠出，并通過管路分別傳送到左右制動器的制動分泵，由制動分泵推動制動蹄片，使得蹄片壓緊于制動轂上，形成制動力。（3）動力制動系統：發動機工作時，帶動制動液壓泵旋轉，常態制動液壓泵的出口經制動閥直接流回油箱。初次制動踏下制動踏板，制動閥頂桿在制動杠桿的作用下，推動閥芯，將制動液壓泵的出口與制動分泵、蓄能器接通，由分泵推動蹄片，形成制動力；同時蓄能器內部充入壓力油。再次制動時，蓄能器與制動液壓泵同時將壓力油傳遞給制動分泵，實現緊急制動或熄火制動。（4）真空助力行車制動系統：發動機進氣口的負壓通過管路作用于真空罐并連接至真空助力器，真空助力器的隔板在負壓的作用下產生彈性變形。制動時，真空助力器內部的真空被破壞，隔板回彈，推動制動總泵頂桿；同時制動踏板力經制動杠桿、真空助力器也傳遞至制動總泵的頂桿上，將總泵殼體內的制動液擠壓至制動分泵，制動蹄片在制動分泵的作用下，緊貼于制動轂上，阻止車輪旋轉。

3.2.2 電動叉車

（1）傳動系統：電機的動力經減速箱、主減速器、差速器、半軸、輪轂傳遞至車輪，驅動車輪旋轉。（2）制動系統：與常規行車制動系統相同，不再贅述。

3.3 制動時各零部件的工作狀態

制動前：制動系統不工作，制動轂、輪轂、輪邊減速器、半軸、主減速器、傳動軸、變速箱輸出軸，均處于運轉狀態，且越靠近發動機飛輪端轉速越高、扭矩越小。

制動：踏下離合器踏板，切斷發動機的動力輸入，傳動系統在整車動能的作用下，仍然維持運轉；踏下制動踏板，制動器阻止車輪旋轉，達到減速或停車效果。

3.4 制動能量消耗方式

（1）制動過程中，制動器蹄片與制動轂處于壓緊的狀態下仍產生滑動，將整車動能轉化成熱能消耗掉。（2）緊急制動時，輪胎與地面之間產生滑動摩擦，消耗大量的整車動能，并轉化為熱能，通過輪胎、地面傳遞至大氣中。

上述兩種方式為制動能量的主要消耗方式。因此叉車的制動，僅僅是將整車動能快速地將其轉化成熱能并消耗，造成能源浪費，增加了制動系統的磨損速度。

4 解決方案探討

若能將制動能量快速吸收、存儲與轉化，則可以實現制動能量再生利用。

4.1 制動能量吸收

可以在制動轂到變速箱輸出軸之間的合適的環節進行，加裝相應的能量吸收、存儲、轉化裝置，實現能量的重復利用，達到節能、降耗、減排，降低使用成本的效果。

4.2 制動能量的轉化利用

對于已吸收存儲的能量，當車輛起步時，可以通過傳動系統的合適的環節進行釋放，從而降低驅動車輛起步或降低車輛起步、加速所需的輸入功率。

4.3 制動能量存儲的方式

（1）采用機械方式，以位能形式存儲：利用叉車地平衡重，當整車制動時，能量吸收存儲系統迅速與傳動系統或制動系統的某一旋轉部件相結合，利用制動能量，提升平衡重，改變其位能狀態，存儲能量。當整車起步或加速時，重塊下降，位能減少，能量通過傳動系統驅動車輪運轉，減少發動機的阻力。釋放完成，能量吸收存儲系統與旋轉的傳動系統或制動系統部件分離。（2）采用機械方式，以彈性勢能形式存儲：采用一組彈性元件，當踏下制動踏板時，彈性元件在制動能量的作用下被壓縮，制動能量轉化為彈性元件的彈性勢能。當車輛起步或加速時，將存儲于彈性元件內的彈性勢能，通過轉換裝置，釋放于傳動鏈的合適環節，從而驅動整車起步或加速。（3）采用機械方式，以液壓能方式存儲：選取傳動系統功率傳遞路徑的合適部件。通過一臺液壓泵-馬達進行能量吸收與轉換。制動時，泵-馬達與傳動系統迅速結合，并隨之運轉，從油箱內吸取油液并充入蓄能器，利用蓄能器存儲制動能量。車輛起步時，蓄能器內存儲的液壓能通過泵-馬達，轉化為機械能，并通過傳動系統驅動整車起步或加速。達到能量再生的目的。制動踏板釋放，能量吸收系統與傳動系統迅速分離；反之，當踏下制動踏板，則立即與能量吸收系統結合，進行能量存儲，同時達到緩速或制動的目的。（4）采用電磁轉換方式，以電能方式存儲：采用一臺發電機，其動力輸入部分傳動系統的高速旋轉部件相結合。當制動踏板踏下時，制動系統開始工作。發電機的勵磁電壓取自蓄電池，且隨著踏板行程增加而增加。當且僅當踏板處于踏下狀態時，方接通勵磁電壓，發電機處于工作狀態，對外輸出電能，通過逆變回路，將電能存儲于蓄電池中。

4.4 四種方式優缺點分析

（1）位能方式存儲：能量利用率高；但因平衡重質量較大，制動沖擊大，安全要求較高，所以機械結構較為復雜。（2）彈性勢能方式存儲：采用此種方式，結構簡單，能量利用率高；缺點是能量載體選擇、設計、加工比較困難。（3）液壓能方式存儲：制動平穩，沖擊小。但所存儲的能量如應用于驅動叉車起步、加速，則不論液壓油路及機械結構都相對較為復雜；若直接作用于電動叉車的起升泵吸口，供叉車起升貨物使用則相對較為簡單，也容易實現。（4）電能方式存儲：結構簡單，容易實現，可以廣泛應用于各種類型的叉車，這也是油電類混合動力車被廣泛使用的原因。缺點是發電機自身的效率、功率，以及蓄電池能夠接收電能的容量、功率等因素的影響，對于系統能夠吸收多少制動能量并加以利用，以及其變化規律，難以量化。

5 結論

上述四種制動能量吸收、存儲、轉化再利用的方式，均可以實現制動能量再生利用。

6 結束語

文章僅對叉車制動能量如何再利用從原理上進行了初步分析，至于如何將其轉化為具體應用，仍然需要進行大量的深入研究。

作者簡介：王軍（1971，11-），男，籍貫：安徽省肥東縣長臨鎮，現職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：叉車技術。