便攜式能量回收運動車的設(shè)計與仿真測試*

羅文祥，周小淞，黃遠翔，彭建興，盧 春，郭貞景，蔣 萍

（貴州師范大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，貴陽 550000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們的出行方式越來越多樣化。其中，最為普遍的是內(nèi)燃式汽車出行，但大量內(nèi)燃式汽車的使用不免造成了交通堵塞等問題[1]。以經(jīng)濟迅速發(fā)展的上海市為例[2]，機動車的數(shù)量每年以10%以上的速度遞增。目前，上海全市機動車的保有量已達70.6萬多量，特別是在城市核心地段的黃埔、盧灣等地區(qū)，交通堵塞非常嚴重。導(dǎo)致很多人不再愿意去乘坐交通工具，而是更偏向于各類小型代步工具，如電動車以及剛剛嶄露頭角的共享自行車等。此類代步工具的缺點是受地域限制、電動類車型充電時間過長，續(xù)航不久、維修困難、能量不能回收利用等。此外，隨著人們生活工作節(jié)奏的快速化，大多數(shù)的年輕人都沒法滿足日常的身體鍛煉，導(dǎo)致身體狀況變差，很多老年疾病年輕化，嚴重影響年輕人的日常生活與工作。為解決“最后一公里”的難題、現(xiàn)有代步工具以及快節(jié)奏生活方式下日常鍛煉的問題，目前有許多對現(xiàn)有代步工具的改進設(shè)計。

荷蘭的機械工程師Bruin[3]發(fā)明了一款履帶式"走路自行車"——Lopifit。Lopifit通過在20英寸的后輪上加載250 W的無刷馬達提供動力，當(dāng)人站在履帶上并與車身發(fā)生位移時，即可觸發(fā)電機，帶動履帶工作。其原理與跑步機基本相同，只是不需要跑起來，走著就行了。該設(shè)計可以讓人們在騎自行車的時候起到跑步、走路的效果。在文獻[4]中，自行車行駛產(chǎn)生氣流帶動扇葉轉(zhuǎn)動，從而帶動電機轉(zhuǎn)動，電機另一端通過切割電磁鐵進行發(fā)電，時速在8 km/h以上就可以發(fā)出有效的電流，通過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓之后，在整流橋的作用下，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電輸入存儲到儲電裝置中，用電時通過輸出端USB插排口導(dǎo)出。這個設(shè)計可以很好地將自行車的機械能轉(zhuǎn)換成電能儲存在鋰電池中。文獻[5]中設(shè)計的自行車主要分為四大模塊：發(fā)電模塊、整流穩(wěn)壓模塊、蓄電模塊、電能應(yīng)用模塊。通過騎行使發(fā)電花鼓內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電壓，經(jīng)穩(wěn)壓整流模塊傳送至蓄電池，進而為相關(guān)設(shè)備提供電能。該設(shè)計可以有效地實現(xiàn)自行車騎行中能量的回收，可隨時隨地實現(xiàn)對電子產(chǎn)品的供電，必要時也可通過手搖腳踏板發(fā)電。此外，文獻[6]中，將自行車動力當(dāng)作能源，依靠能量轉(zhuǎn)化完成電能集中存儲與利用，而多出部分保存于充電電池內(nèi)，有利于解決特殊場合發(fā)電供電問題。該自行車健身制動發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計可以解決城市環(huán)境污染的問題，同時避免了高額發(fā)電所耗費能源的成本，提高發(fā)電利用率。

綜合現(xiàn)有對代步車的改進設(shè)計，部分可以實現(xiàn)跑步與代步的結(jié)合，但是無法實現(xiàn)跑步與代步的隨時分離，并且也沒能很好地利用跑步與代步時的能量轉(zhuǎn)換；部分可以實現(xiàn)代步車的能量回收，但沒能將代步與跑步相結(jié)合。因此，本文在現(xiàn)有設(shè)計的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地設(shè)計了一款能量自回收運動車，不僅兼具跑步機和代步車的功能，還能將使用過程中產(chǎn)生的動能、機械能等其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能儲存在電池里，儲存的電能可以為其他設(shè)備提供電源，實現(xiàn)能量的再利用，實現(xiàn)了保護環(huán)境和綠色可持續(xù)發(fā)展的目的。

1 設(shè)計原理

本作品設(shè)計整體模型（圖1），它是由運動車（圖2）和平衡支架（圖3）兩個部分組成。當(dāng)小車居家用作跑步鍛煉時，考慮到安全性、平衡性和產(chǎn)生的噪聲，專門設(shè)計了平衡支架，該支架主要由4個液壓減震器2和外圍扶手1構(gòu)成。

圖1 整體模型

圖2 運動車

圖3 平衡支架

當(dāng)在小車上面跑步時，手握扶手保證平衡，4個液壓減震器[7]減少運動中產(chǎn)生的噪聲。為了迎合人們?nèi)粘Ｐ枨螅O(shè)計運動車分為兩用，一是戶外代步，相當(dāng)于生活中常見的小電瓶，二是居家跑步鍛煉，相當(dāng)于健身房的跑步機。為了實現(xiàn)這兩種模式的切換，專門設(shè)計了轉(zhuǎn)軸器（圖4），參考生活中自行車傳動軸設(shè)計思路[8]，逆時針受力帶動輪子轉(zhuǎn)動前進，順時針不受力。在代步模式下，轉(zhuǎn)軸器順時針轉(zhuǎn)動，運動車的傳送履帶不受力，作為普通支撐裝置，而在跑步模式下，轉(zhuǎn)軸器逆時針轉(zhuǎn)動，帶動后輪轉(zhuǎn)動；后輪選擇現(xiàn)在最先進安裝有能量回收裝置的輪轂電機，能實現(xiàn)在輪子轉(zhuǎn)動就能產(chǎn)生電能，電能經(jīng)過處理后直接給小車鋰電池充電，實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)換利用，還能提高運動車的續(xù)航能力。

圖4 跑步車內(nèi)部線框

2 功能設(shè)計

2.1 運動車代步功能設(shè)計

為實現(xiàn)代步功能，采用輪轂電機作為電力源，鋰電池[9]進行電能的充放，重要支撐結(jié)構(gòu)采用高強度低合金鋼等高強度材料。運行方面，采用輪轂電機[10]，輪轂電機將動力、傳動和制動系統(tǒng)高度集成裝于輪轂內(nèi)部，可使搭載車輛減省離合器、變速器、傳動軸等驅(qū)動部件，從而降低質(zhì)量、提高效率、簡化底盤結(jié)構(gòu)、提升小車內(nèi)可以利用的空間[11]。此外，為了防止輪轂電機振動產(chǎn)生噪聲影響人們正常生活，采用了從輪轂電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進的措施[12]，有效減少輪轂電機運行時噪聲的產(chǎn)生。儲放電能方面選用鋰電池，將輪轂電機與鋰電池相結(jié)合，鋰電池有容量大、體積小的優(yōu)點，可以實現(xiàn)小車的輕量化，并與輪轂電機相結(jié)合組成能量切換裝置。代步時，鋰電池可以為輪轂電機提供能量；跑步時，輪轂電機可以將回收的能量儲存在鋰電池中。此外，在關(guān)鍵連接部分采用高強度、低合金鋼等高強度材料，在輕量化的同時又確保了運動車運行的安全性。

2.2 運動車跑步功能的設(shè)計

為實現(xiàn)跑步功能，采用了與發(fā)電式跑步機[13]類似的設(shè)計。當(dāng)人在小車上跑步時，通過腳底的摩擦力，跑步者通過蹬踏帶動小車的跑步帶做平板運動，跑步帶通過摩擦力帶動兩端的軸旋轉(zhuǎn)，這時增速箱將驅(qū)動軸上輸入的低速旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化為高速旋轉(zhuǎn)機械能輸出到輪轂電機的轉(zhuǎn)軸上，帶動輪轂電機高速旋轉(zhuǎn)，輪轂電機發(fā)出三相交流電，通過整流器和逆變器變換后，輸出電壓和頻率都穩(wěn)定的交流電供給外部負載。當(dāng)外部負載較小時，整流器輸出的直流電有一部分會給儲能裝置充電，當(dāng)外部負載較大而發(fā)電機輸出的電能無法滿足需要時，儲能裝置會輸出直流電，經(jīng)逆變器逆變后供給給負載。跑步功能原理如圖5所示。

圖5 跑步功能原理

2.3 基于飛輪的運動車功能切換

結(jié)合自行車飛輪[14]的設(shè)計特點——逆時針轉(zhuǎn)著力，順時針不著力，運用到小車兩種模式的切換上。在家里通過調(diào)節(jié)飛輪，使人在跑帶上跑步帶動輪轂電機轉(zhuǎn)動，模擬跑步機的功能，再把產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化成電能儲存起來。在戶外，調(diào)節(jié)飛輪，卡死跑帶，起代步作用。能量回收運動車工作模式切換如圖6所示。

圖6 工作模式切換原理

3 運動車儲能系統(tǒng)的設(shè)計

能量回收運動車發(fā)出的電能，除直接供給負載外，剩余的電能還能被儲存起來應(yīng)急使用。但由于健身者的性別、年齡、體質(zhì)等因素差異，每個個體的運動強度都有所不同，不可能全部按同種方式將電能有效地收集和儲存。因此，針對不同的跑步對象、不同時間段內(nèi)跑步速度的不同導(dǎo)致發(fā)電機輸出電能的電壓、頻率變化較大以及輸出零散電流的情況，本文提出了相關(guān)的解決方案：首先對發(fā)電機輸出電壓進行整流濾波[15]，然后通過二極管連接到鋰電池，為防止電流回流造成電路混亂，鋰電池的充電回路采用單向?qū)ǎ煌瑫r，鋰電池與逆變器之間也采用單向?qū)娐废噙B，當(dāng)外部負載超過發(fā)電機的輸出能力時，該電路導(dǎo)通，放出直流電給逆變器，經(jīng)逆變器整流后供給負載。鋰電池充電回路和放電回路的導(dǎo)通需根據(jù)主回路中電壓大小進行判斷，選通相應(yīng)的開關(guān)，進行放電或充電。運動小車儲能系統(tǒng)的具體電路設(shè)計如圖7所示。

圖7 基本電路組成

4 仿真測試分析

4.1 設(shè)置運動參數(shù)

調(diào)用運動車設(shè)計的參數(shù)化模型在運動界面生成仿真模型，把需要運動的部件添加到對應(yīng)層面上，在UG/Motion模塊中進行運動分析模塊預(yù)處理設(shè)置。

4.2 仿真測試分析方案

通過對該裝置結(jié)構(gòu)和運動特征的分析，進行飛輪對運動車工作模式切換的仿真測試，擬分析解決運動車在飛輪切換工作模式時產(chǎn)生的問題。

模式一共創(chuàng)建了7個連桿，連桿1由運動車跑步履帶構(gòu)成，連桿2、連桿3由兩個齒輪構(gòu)成，連桿4、連桿5由內(nèi)部傳動機構(gòu)構(gòu)成，連桿6為飛輪所在齒輪內(nèi)部、連桿7為飛輪卡片。

為了使機構(gòu)運動，需要為上述機構(gòu)添加運動副。連桿1、連桿2、連桿3為滑動副，連桿2、連桿5構(gòu)成旋轉(zhuǎn)副，連桿3、連桿6構(gòu)成旋轉(zhuǎn)副，連桿6、連桿7構(gòu)成旋轉(zhuǎn)副。

圖8 仿真示意圖

4.3 仿真結(jié)果分析

通過仿真測試分析，得出以下結(jié)論：首先，通過飛輪可以較好地實現(xiàn)運動車工作模式的無縫切換；其次，飛輪在切換運動車工作模式時，運動車應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)，防止損壞飛輪卡片；最后，由于飛輪在運動車切換時使用頻繁，飛輪材料應(yīng)采用高強度材料。通過仿真測試情況分析，可以知道該裝置的具體運動情況，并作出相關(guān)改進，利用其參數(shù)來搭建實物模型。

5 結(jié)束語

隨著人們生活水平的提高，較多人們采用內(nèi)燃式汽車出行，但大量內(nèi)燃式汽車的使用會造成交通堵塞、環(huán)境污染等問題。此外，由于人們快節(jié)奏的生活方式，大多數(shù)年輕人無法滿足基本的日常身體鍛煉，導(dǎo)致老年疾病年輕化，嚴重影響的年輕人的日常生活與工作。本文結(jié)合現(xiàn)有的代步電動車與跑步機進行了改進設(shè)計，將二者結(jié)合，并把輪轂電機運用到代步電動車、跑步機上面，不僅具有驅(qū)動代步車的作用，還能把跑步時的機械能轉(zhuǎn)換成電能儲存到鋰電池，再將電能運用到代步中，達到能量回收利用的目的。采用自行車飛輪結(jié)構(gòu)運用到跑步機上面，實現(xiàn)了單方向驅(qū)動的效果，讓跑步模式和代步模式實現(xiàn)無縫切換。該設(shè)計不僅具備傳統(tǒng)的代步車與跑步機的功能，讓廣大市民可以綠色出行保護環(huán)境，還能在家進行健身鍛煉，加強體格預(yù)防疾病。并且裝置成本不高，具有良好的社會意義和發(fā)展前景。很好地體現(xiàn)出“綠色發(fā)展”的新發(fā)展理念，符合我國可持發(fā)展戰(zhàn)略的需求。