基于涡卷弹簧的汽车制动能量再利用装置研究

摘要：随着社会发展，汽车已经成为许多家庭不可或缺的交通工具，汽车能耗也已成为人们日常生活能耗的主要组成部分之一。本说明书从汽车起步细节出发，利用涡卷弹簧回收汽车制动时的机械能，再利用回收的机械能辅助汽车起动，从而减少了发动机出力和废气排放，达到了节能减排的目的。该方案具有低能耗、低排放、高效率等优点，较普通汽车节能减排效果显著，具有很大的市场空间和推广价值。

关键词：汽车，制动与起动，涡卷弹簧，锥齿轮，液压缸，节能降耗

一、研制背景及意义

随着生活水平的提高，汽车已成为许多家庭的必备品。至2013年底，全国机动车数量突破2.5亿辆，且以10年增加亿辆的速度保持增长，汽车在给人们带来方便的同时，也加剧了能源的消耗，是雾霾天气的罪魁祸首。因此，国家越来越关注汽车方面的节能减排。

降低汽车油耗，也是人们越来越关心的问题，一般小汽车的运行动力几乎完全由汽油发动机提供，在起动瞬间，油耗量竟可达到惊人的30L-40L/100km，能量浪费严重；此时汽油不充分燃烧的可能性也大大提高，排放废气更多；这种工作模式下，不仅不节能，还增加了废气排放，实在不是一种好的方案[1]。如果能在汽车结构上做一些改动，哪怕仅仅降低一点的油耗，减少看似微不足道的排放，由于汽车数量基数巨大，也将会对能源节省、空气污染的治理做出巨大贡献。

二、设计方案

频繁的制动和起动是汽车耗油的主要原因。汽车制动时，动能以热能的形式损失掉，起动时耗油量比正常行驶耗油量大，因此本文设计了一个装置，把汽车制动时的动能储存起来，用于辅助汽车起动。

整个装置由液压控制部分，机械储能部分，电路控制部分，驱动轮轮轴带动锥齿轮部分组成。其中驱动轮轮轴部分的原理就是在汽车的驱动轮轮轴上固定安装两个锥齿轮，利用锥齿轮的变向作用，把涡卷弹簧在汽车制动过程中储存回收的能量在汽车启动或加速的时候再次进行利用，从而达到实现节能减排的目的。本装置整体设计简图如图2-1所示：

图2-1 装置结构简图

1、控制部分

我们从传统的汽车制动原理中得到启发，将整个装置的控制部分进行了改进，采用液压传动原理，让装置与汽车制动踏板连接起来，实现对能量回收与利用的控制。控制系统设计了一个由三个液压缸组成的装置，其中一个液压缸体的传动装置连接在安装有涡卷弹簧的能量盒上。液压缸1中的活塞需特殊设计，活塞的两面分别通过弹簧与端盖相连接，活塞处于中位时，左右两个弹簧都处于原长状态。

2、 机械储能部分

1）驱动轮上锥齿轮：在汽车的驱动轮的轮轴上，固定两枚小端相对放置的锥齿轮，如图2-6中的锥齿轮A和B，A和B之间留出一定的间隙用于给第三枚锥齿轮C在两锥齿轮间来回移动，当汽车制动时，锥齿轮B和锥齿轮C形成制动啮合，完成储能动作，当汽车加速时，锥齿轮A和锥齿轮C形成加速啮合，完成释能动作。同时保证储能和释能过程中后轮车轴同向转动。2）集能盒：本装置设计一个弹簧储能器，由多个齿轮连动以辅助能量收集与释放。弹簧储能器安放在一个特制盒子当中，通过一个传动轴（轴的另外一端安装一个锥齿轮）与驱动轮上的锥齿轮相作用。

三、理论设计计算

1、一般汽车起动所需牵引力的计算

本文以排量2.0、质量1.5吨的汽车作为研究对象，若起动瞬间只考虑摩擦力f的阻碍的作用，那么牵引力F和摩擦力的关系为：

而摩擦力的计算公式为：

其中为附着系数，是附着力与车轮法向（与路面垂直的方向）压力的比值，它可以看成是轮胎和路面之间的静摩擦系数。这个系数越大，可利用的附着力就越大，汽车就越不容易打滑[2]。

附着系数的大小，主要取决于路面的种类和干燥状况，并且和轮胎的结构、胎面花纹以及行驶速度都有关系。一般来说，干燥、良好的沥青或混凝土路面的附着系数最大，可达0.7一0.8，路面有水时附着系数会降低，而冰雪路面的附着系数最小，最容易打滑。车轮制动力和侧向力附着系数如图3-1所示。

这里，本文以干燥、良好的沥青或混凝土路面为汽车行驶路面进行计算，附着系数取0.75，易得：

综上，汽车起动所需最小牵引力大小是11025N。

3、从节能角度

通过查找文献不同驾驶操作方法下的汽车运行燃料消耗量分析，汽车在平路起步时，驾驶员反复多次不同程度地操控加速踏板并连续换挡，使车辆从静止状态加速，由以上文献摘要可见，一般汽车在起动时都会比较耗油。如果装上汽车制动能量再利用装置，每一辆车每起步一次就可以近百毫升的汽油。这对于现如今上亿辆的车来说，将为节约能源，减少排放做出巨大贡献[3]。

四、工作原理及其性能分析

1、传统汽车起步原理

传统汽车起步工作原理：钥匙点火，电池带动起动电机，起动电机带动压缩缸运动压缩。被压缩的雾化汽油点燃爆炸，爆炸产生动力，并提供下次循环的动力，发动机自己开始进入运作。

2、节能减排原理

本装置将涡卷弹簧安装在一根轴上，轴的另外一端装有锥齿轮，另外本装置将在汽车的驱动轮的轴上装上两个相对的锥齿轮。当汽车制动的时候，装有涡卷弹簧的轴上的锥齿轮与驱动轮轴上的一颗锥齿轮啮合，将汽车制动的能量存储到涡卷弹簧中。当汽车起动的时候由于涡卷弹簧释放能量将让轴向相反方向转动，所以我们让涡卷弹簧轴上的锥齿轮与驱动轮轴上的另外一个锥齿轮啮合，释放涡卷弹簧的能量从而驱动汽车起动。由于汽车起动瞬间需要较大动力，并且汽油燃烧不充分，所以该装置不仅降低了油耗，还减少了尾气排放。

3、结构原理

液压控制部分为装置动作提供动力，机械储能部分实现装置能量的储存和释放，电路控制部分实现动作的选择操作，驱动轮轮轴带动锥齿轮部分实现能量盒与车轴的可靠啮合，最终实现制动时节能而加速时释能的过程。能量盒的输出轴固定连接一锥齿轮，后轮车轴固定一对面对面放置的锥齿轮，能量盒位于双轨滑行轨道内，相对轨道中位的位置放置输出端连接有固定卡盘的液压缸，防止能量的自由释放，所有的动力来源于液压传动，控制回路控制电磁换向阀选择动作，最终完成整个装置的设计。

五、结论

本文介绍了基于涡卷弹簧的汽车制动能量再利用装置的设计思路及工作原理，以及如何实现节能减排的效果。具体有以下几点结论：1、整个装置由液压控制部分，机械储能部分，电路控制部分，驱动轮轮轴带动锥齿轮部分组成。2、整个装置利用涡卷弹簧进行储能和释能，利用锥齿轮的密切配合实现汽车制动和加速时能量的转化，利用液压控制部分为装置动作提供动力，利用电路控制部分实现动作的选择操作。3、整个装置带有速度选择控制回路，保证装置动作安全可靠。4、整个装置把涡卷弹簧在汽车制动过程中储存回收的能量在汽车启动或加速的时候再次进行利用，不仅减少了起动瞬间发动机的出力，还减少了因为汽油不充分燃烧引起的废气排放，既节能又减排。

参考文献

[1] 宋飞.降低汽油机油耗[M].现代企业文化，2009：362.

[2] 王奎洋， 袁传义， 李国庆， 等. 基于线控制动的轮胎与地面附着系数实时检测[J]. 科学技术与工程， 2013 （1）： 253-257.

[3] 曾诚， 蔡凤田， 刘莉， 等. 不同驾驶操作方法下的汽车运行燃料消耗量分析[J]. 交通节能与环保， 2011 （1）： 31-34.