基于SolidWorks的互动式车辆振动能量回收体验器设计*

陈若明，胡 辰

（扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225000）

1 设计背景及概况

随着能源节约方面意识的提升，社会公众开始关注原本浪费的能源该如何有效收集利用。近年来，公众对风能、太阳能等能源的回收有了较普遍的认识，但是对振动能量的回收还没有形成普遍的关注和认知[1]。

本作品以汽车行驶时振动能量回收的互动体验为目标，设计出互动式车辆能量回收体验器，让公众直接体验振动能量回收的过程，从而加深公众对振动能量回收的认识[2-3]。

本文设计的互动式车辆振动能量回收体验器有两种模式。第一种模式是通过演示大屏的能量回收进度条，体验者可以体验自己弹跳引起车辆振动时振动能量的产生过程。第二种模式是两位体验者依次跳跃后，根据能量回收显示大屏的振动能量回收值进行比较。

2 互动式车辆振动能量回收体验器设计原理

2.1 振动能量回收的措施

汽车的振动能量回收主要有以下两种方式。

2.1.1 油管驱动叶轮式

将旋转的叶轮安置在油管道中，车辆振动的能量推动油管中的油驱动叶轮带动发电机发电，实现振动能量的有效回收利用[4]。

2.1.2 压电效应式

通过馈能悬架的能量回收机构，将车辆振动产生的能量通过压电效应变成可回收利用的电能[5-6]。

此外还有将振动能量转变为液压能等回收利用的方式，因为应用较少，回收效果不明显，所以这里不多做相关介绍[7-8]。

2.2 互动式车辆振动能量回收体验器的概述

互动式车辆振动能量回收体验器是利用振动能量回收执行机构的悬架。在带有钢板弹簧悬架车辆的基础上，融入振动能量回收的执行机构，设计了可显示回收振动能量值的显示大屏。能量回收主体机构由压电片及控制电路组成。

互动式车辆振动能量回收体验器的设计结构包括：车架、馈能型汽车悬架、显示屏等。

2.2.1 能量回收功能的实现

压电片在受压后，上表面和下表面形成正负电极，正负电极通过传输线路传给电压采集模块，电压采集模块就会形成6～22 V的波动电压，波动电压传到boost升降压模块，同时也传递给单片机，单片机接收到波动电压后，通过脉冲宽度调制（Pulse width modulation，PWM）调节电压的脉宽大小以及boost的基极电压，boost升降压模块接收到脉宽后，将6～22 V的波动电压转换成14 V的恒定电压，从而为汽车电池充电。

2.2.2 能量回收的显示

压电产生的正负电荷，通过电压采集模块输出6～22 V波动电压，通过电流采集模块输出采集的电流值。

电压模块输出电压信号，电流模块输出电流信号，信号汇集到串行通信模块，通过串行通信模块内部计算电压和电流的乘积得到能量值。

这个能量数值通过USB线接到电脑端口，电脑就能够通过LabVIEW编程软件显示能量值的大小。

3 互动式车辆振动能量回收体验器结构设计及建模

3.1 基于SolidWorks的结构设计

运用SolidWorks软件的建模功能对互动式车辆振动能量回收体验器的子部件进行三维建模，如车架、馈能型悬架、显示屏等，组装互动式车辆振动能量回收体验器的三维模型。

图1为互动式车辆振动能量回收体验器车架的三维模型，该机构起到了支撑汽车总体、连接汽车各部件并保证其正确安装位置的作用。

图1 互动式车辆振动能量回收体验器车架模型

图2为馈能型汽车悬架模型的三维模型。该机构的作用是将汽车在行驶过程中振动带来的机械能通过压电效应转换为可利用的电能。上下连接车桥和车架的馈能型汽车悬架，当两端距离在行驶振动带来的机械能作用下发生变化时，通过压电效应使振动的能量经过能量采集装置回收后产生电能，可作为车辆信号灯能源或储存在汽车蓄电池内。

图2 馈能型汽车悬架模型

图3为能量回收显示屏的三维模型。该部件的作用是使车辆振动过程中馈能悬架回收的能量经处理后，其数值能在能量回收显示屏上显示。

图3 能量回收显示屏

最后运用软件SolidWorks的装配功能，将设计的互动式车辆振动能量回收体验器的三维零部件进行装配，产品总成结构见图4。

图4 互动式车辆振动能量回收体验器总成

3.2 互动式车辆振动能量回收体验器的工作过程

当互动式车辆振动能量回收体验器开始工作时，车辆在人向下的压力冲击下，钢板弹簧在压力冲击下趋向于水平，钢板弹簧和上钢板之间距离减小，活塞推杆带动活动活塞向下运动，液压缸内产生液压力，受到液压力的压力活塞压动压电片产生压电效应，最后外部压电能量采集装置自动回收能量，见图5。

图5 能量回收示意图

该产品通过馈能型悬架将人站在车架上上下跳动产生的能量收集起来，经过处理后，所回收的振动能量在大屏上显示。该产品便于科技馆展示振动能量回收的过程，加深社会公众对振动能量回收的认识。