自行车液压能量再生系统的研究

张文亭

(陕西工业职业技术学院机械工程学院，陕西咸阳 712000)

当今世界，各个国家都充分地认识到环境保护的重要性，有些地方通过立法来限制二氧化碳的排放，目的就是保护和提高城市的环境质量，并且大力推广绿色出行。自行车作为一种传统的交通工具，目前在城市越来越受到人们的重视与喜爱，因为自行车骑行安全、方便，特别是在城市和人口稠密的地方，它有时候比开车还要快。为了增加自行车的骑行方便性、节省体力，可以在自行车上增加一个小型液压系统进行能量回收，把制动过程中产生的能量储存起来，然后再重复使用。

传统的自行车在制动的时候，车身所具有的动能以热量的形式散发到环境中去，在每次停车或者减速时，都会发生这种情况。而在需要加速或者启动时，不得不再次投入很大的体力去驱动自行车。尤其在城市中心行驶时，需要频繁的启停，这种情况下能量损失是相当大的。

液压混合动力自行车，不是用链条来驱动，而是利用液压回路来驱动自行车后轮。在正常运行时，人驱动脚踏带动液压泵转动，油泵将压力油输送到液压马达，带动液压马达旋转，马达再驱动后轮运动。在制动的时候，液压马达短时间作为液压泵来使用，消耗自行车的动力把液压油加压储存在蓄能器里，可以在加速模式时对液压马达进行输入。

研究表明:在自卸型重卡中采用液压能量回收系统，回收效率可以达到66%，通过使用推荐油路与配置能量回收效率可以高达73%，一般整体效率在32%～66%之间。这表明采用液压系统进行能量回收相对其他能量回收系统而言，效率还是比较高的。

文中提出了一种新的液压能量回收系统，主要由齿轮泵、齿轮马达、电磁阀、储油桶、蓄能器、软管等原件组成，并完成对系统的分析与研究。

1 液压能量回收系统的分析

图1显示了自行车车架上主要元件的布局。

图1 自行车实物图

油箱安装在自行车立管上，油泵通过齿轮连接到链轮上，蓄能器水平固定在上管上，液压马达通过齿轮装置和后轮连接在一起。为了方便分析，图1中未示出液压阀和电子控制系统。

1.1 系统描述

在图2所示液压回路中，油箱用以储存足够量的液压油，过滤器用以防止金属或灰尘颗粒进入液压系统，液压泵将机械能转化成液压能，传输给液压马达。4个电磁阀用于控制自行车实现4种运动模式，这4种模式分别是:人力骑行，惯性滑行，制动，能量再生运行。在人力骑行和能量再生运行这两阶段，通过液压齿轮马达来驱动自行车后轮，而在制动时，齿轮马达 (短时间作为泵来使用)把机械能转化成液压能储存在蓄能器中，并在启动过程中释放。溢流阀作为安全阀来使用，在制动过程中，如果蓄能器充满了，那么多余的油液就通过溢流阀流回液压缸。换向阀1和换向阀2是2个两位两通电磁换向阀 (开关阀)，换向阀3是两位三通电磁换向阀，换向阀4是两位四通电磁换向阀，各换向阀电磁铁所用的电源都是直流电源。选用的齿轮泵和齿轮马达结构简单，体积小，价格便宜，效率高，而且可以互逆使用。蓄能器采用相对比较轻巧的气囊式蓄能器，可以根据系统压力的需要事先充气;溢流阀与蓄能器相连保证了在蓄能器充满后能及将油液溢回油箱。各个液压元件之间采用柔软的液压细管相连。

图2 再生制动系统的液压回路

1.2 系统分析

自行车的4种运行模式分别是:人力骑行，惯性滑行，制动，能量再生运行。在人力骑行模式时，是由人提供功率直接驱动自行车运动;在惯性滑行模式时，自行车因惯性而保持继续运动;在制动模式下，自行车的动力用于驱动液压齿轮马达，反过来向蓄能器中充油;在能量再生运行模式下，储存在蓄能器中的液压能被释放出来驱动自行车运行，这时可以没有人力的作用。在液压回路中，通过4个电磁阀不同的带电情况可以实现刚才所述自行车的4种基本模式，如表1所示。

表1 不同模式下液压阀电磁铁的带电情况

在人力骑行模式下，骑行人直接给齿轮泵提供功率，可以通过齿轮、链条或者皮带把动力传递给齿轮泵，它们之间的传动比取决于泵所要求的运行转速的范围。进油路:油箱→过滤器→齿轮泵→换向阀2的左位→换向阀4的左位→齿轮马达的进油腔;回油路:齿轮马达的回油腔→换向阀4的左位→换向阀3的左位→油箱。

在惯性滑行模式下，由于自行车和骑行人的惯性使车辆保持其运动。进油路:油箱→过滤器→换向阀1的左位→换向阀4的左位→齿轮马达的进油腔;回油路:齿轮马达的回油腔→换向阀4的左位→换向阀3的左位→油箱。这条回路是阻力最小的路径，在滑行过程产生的能量将会发热散去。

在制动过程中，不需要人力驱动了，因此齿轮泵是不起作用的。进油路:油箱→过滤器→齿轮泵→换向阀1的左位→换向阀4的左位→齿轮马达 (泵)的吸油腔;回油路:齿轮马达 (泵)的压油腔→换向阀4的左位→换向阀3的右位→蓄能器。在制动的瞬间，液压马达作为一个泵来使用，用自行车的动能来驱动泵，从而减慢了自行车的速度，同时蓄能器中的高压油液也得到了补充。在蓄能器完全充满后，多余的油液通过溢流阀释放到油箱中。

在能量再生运行期间，蓄能器把压力油供给液压马达，实现压力能到机械能的转换。进油路:蓄能器→换向阀3的右位→换向阀4的右位→齿轮马达的进油腔;回油路:齿轮马达的回油腔→换向阀4的右位→换向阀1的左位→过滤器→油箱。

2 系统元件规格核算

以26山地车为例进行各元件规格核算。

自行车从速度v0到完全静止所需要的制动能量:

式中:m是自行车和骑车人的总质量。

由于制动时间通常比较短，制动转矩比较大，因此空气阻力等忽略不计，这样可以得出制动时的转矩公式:

式中:Iw是车轮的转动惯量的质量矩;m是总质量;Rw是车轮的半径;a是使车轮停止运动的减速度。

由于自行车属于移动设备，为了减轻车身质量，这里采用气囊式蓄能器，其结构如图3所示，它由充气阀、壳体、气囊和限位阀组成。这种蓄能器是在高压容器内装入一个耐油橡胶制成的气囊，气囊内一般充氮气，气囊外储油，壳体下端有限位阀，它能使油液通过阀口进入蓄能器，又能防止当油液全部排出时气囊膨胀出容器之外。

图3 充气式蓄能器

这里把氮气当作理想气体，忽视液压油的可压缩性，套用热力学方程可得:

其中:pi、Vi分别为蓄能器气囊中的初始压力和体积;p、V分别为蓄能器气囊中的最终压力和容积;Vf是进入蓄能器的液体的体积;c是常数;γ为绝热指数，取1.41。

假设当制动结束后，蓄能器中液体的压力为p1，那么这时蓄能器中储存的能量为:

其中:Vf是在制动过程中进入蓄能器的液压。

从上式来看蓄能器的容积大小很重要，它确保自行车能启动并且达到一定的速度。当然蓄能器的进口压力一般不能超过系统的最大工作压力，如果超过了，油液就会溢流回储油桶中，造成能量损失。因此，蓄能器需要足够的容积和流量来满足系统的需要。

从式 (1)和 (4)可推出:

蓄能器容积公式可以从下面公式获得:

整理以上可以得到:

蓄能器的最高工作压力出现在制动过程中，p1和p2都小于此值，假定蓄能器在充压和释放过程中是绝热的。在制动时，液压马达短时间作为液压泵来工作，驱动液压马达 (泵)的转矩公式:

其中:Δp是液压马达 (泵)进出口压差;VM是液压马达的排量;ηt是油液马达 (泵)的机械效率。由于自行车的液压系统不需要太复杂的，因此选择比较简单的定量齿轮马达。液压马达的进出口压差公式:

其中:p2是储油桶口的压力，通常取一个大气压;f是液体的摩擦因数;L是油箱和马达之间软管的有效长度;ρ是油液的密度;A是软管的内部横截面积。

在制动过程中蓄能器所充气体的压力:

其中:Qa为在制动过程中，液压马达中实际通过的流量，其公式:

其中:VP是液压马达的排量;ηv是其容积效率。

在能量再生运行模式下，储存在蓄能器中的能量来驱动液压马达，在此过程中，实现了液压能到机械能的转变。

液压马达产生的实际驱动转矩:

其中:ηt为液压马达的机械效率。

跟上面类似，通过液压马达的压力计算公式:

实际要求通过马达的流量:

液压能量再生制动系统的实际能量回收率等于蓄能器中储存的能量与自行车动能之比:

其中:Δt是制动过程的时间。

再生制动能量:

自行车速度从v0减少到vΔt所带的动能:

3 总结

设计了一个简单的液压回路，在控制电路的配合下可以在自行车上实现能量的回收再利用。这样人们在骑车时，尤其是在启动、爬坡或者需要加速时就可以少消耗自身的体力。体能消耗的减少将鼓励更多人选择骑车。由于该系统通过实验选择了质量轻的标准元件，因此，车身质量没有大的增加，系统出现问题时，元件方便更换。

当然该系统也有缺点，它的价格相对比较贵，通常是普通自行车的两到三倍，但是作者相信通过进一步的开发和研究，一定可以降低其经济成本。

［1］李芝.液压传动［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［2］王成福.电器及PLC控制技术［M］.杭州:浙江大学出版社，2008.

［3］谢正宽.自行车骑行宝典:单车学校教你的52堂课［M］.北京:中国轻工出版社，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.