基于SolidWorks的互動式車輛振動能量回收體驗器設計*

陳若明，胡 辰

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225000）

1 設計背景及概況

隨著能源節約方面意識的提升，社會公眾開始關注原本浪費的能源該如何有效收集利用。近年來，公眾對風能、太陽能等能源的回收有了較普遍的認識，但是對振動能量的回收還沒有形成普遍的關注和認知[1]。

本作品以汽車行駛時振動能量回收的互動體驗為目標，設計出互動式車輛能量回收體驗器，讓公眾直接體驗振動能量回收的過程，從而加深公眾對振動能量回收的認識[2-3]。

本文設計的互動式車輛振動能量回收體驗器有兩種模式。第一種模式是通過演示大屏的能量回收進度條，體驗者可以體驗自己彈跳引起車輛振動時振動能量的產生過程。第二種模式是兩位體驗者依次跳躍后，根據能量回收顯示大屏的振動能量回收值進行比較。

2 互動式車輛振動能量回收體驗器設計原理

2.1 振動能量回收的措施

汽車的振動能量回收主要有以下兩種方式。

2.1.1 油管驅動葉輪式

將旋轉的葉輪安置在油管道中，車輛振動的能量推動油管中的油驅動葉輪帶動發電機發電，實現振動能量的有效回收利用[4]。

2.1.2 壓電效應式

通過饋能懸架的能量回收機構，將車輛振動產生的能量通過壓電效應變成可回收利用的電能[5-6]。

此外還有將振動能量轉變為液壓能等回收利用的方式，因為應用較少，回收效果不明顯，所以這里不多做相關介紹[7-8]。

2.2 互動式車輛振動能量回收體驗器的概述

互動式車輛振動能量回收體驗器是利用振動能量回收執行機構的懸架。在帶有鋼板彈簧懸架車輛的基礎上，融入振動能量回收的執行機構，設計了可顯示回收振動能量值的顯示大屏。能量回收主體機構由壓電片及控制電路組成。

互動式車輛振動能量回收體驗器的設計結構包括：車架、饋能型汽車懸架、顯示屏等。

2.2.1 能量回收功能的實現

壓電片在受壓后，上表面和下表面形成正負電極，正負電極通過傳輸線路傳給電壓采集模塊，電壓采集模塊就會形成6～22 V的波動電壓，波動電壓傳到boost升降壓模塊，同時也傳遞給單片機，單片機接收到波動電壓后，通過脈沖寬度調制（Pulse width modulation，PWM）調節電壓的脈寬大小以及boost的基極電壓，boost升降壓模塊接收到脈寬后，將6～22 V的波動電壓轉換成14 V的恒定電壓，從而為汽車電池充電。

2.2.2 能量回收的顯示

壓電產生的正負電荷，通過電壓采集模塊輸出6～22 V波動電壓，通過電流采集模塊輸出采集的電流值。

電壓模塊輸出電壓信號，電流模塊輸出電流信號，信號匯集到串行通信模塊，通過串行通信模塊內部計算電壓和電流的乘積得到能量值。

這個能量數值通過USB線接到電腦端口，電腦就能夠通過LabVIEW編程軟件顯示能量值的大小。

3 互動式車輛振動能量回收體驗器結構設計及建模

3.1 基于SolidWorks的結構設計

運用SolidWorks軟件的建模功能對互動式車輛振動能量回收體驗器的子部件進行三維建模，如車架、饋能型懸架、顯示屏等，組裝互動式車輛振動能量回收體驗器的三維模型。

圖1為互動式車輛振動能量回收體驗器車架的三維模型，該機構起到了支撐汽車總體、連接汽車各部件并保證其正確安裝位置的作用。

圖1 互動式車輛振動能量回收體驗器車架模型

圖2為饋能型汽車懸架模型的三維模型。該機構的作用是將汽車在行駛過程中振動帶來的機械能通過壓電效應轉換為可利用的電能。上下連接車橋和車架的饋能型汽車懸架，當兩端距離在行駛振動帶來的機械能作用下發生變化時，通過壓電效應使振動的能量經過能量采集裝置回收后產生電能，可作為車輛信號燈能源或儲存在汽車蓄電池內。

圖2 饋能型汽車懸架模型

圖3為能量回收顯示屏的三維模型。該部件的作用是使車輛振動過程中饋能懸架回收的能量經處理后，其數值能在能量回收顯示屏上顯示。

圖3 能量回收顯示屏

最后運用軟件SolidWorks的裝配功能，將設計的互動式車輛振動能量回收體驗器的三維零部件進行裝配，產品總成結構見圖4。

圖4 互動式車輛振動能量回收體驗器總成

3.2 互動式車輛振動能量回收體驗器的工作過程

當互動式車輛振動能量回收體驗器開始工作時，車輛在人向下的壓力沖擊下，鋼板彈簧在壓力沖擊下趨向于水平，鋼板彈簧和上鋼板之間距離減小，活塞推桿帶動活動活塞向下運動，液壓缸內產生液壓力，受到液壓力的壓力活塞壓動壓電片產生壓電效應，最后外部壓電能量采集裝置自動回收能量，見圖5。

圖5 能量回收示意圖

該產品通過饋能型懸架將人站在車架上上下跳動產生的能量收集起來，經過處理后，所回收的振動能量在大屏上顯示。該產品便于科技館展示振動能量回收的過程，加深社會公眾對振動能量回收的認識。