弹簧储能式发电系统设计与分析

发布时间：2020-03-24 14:45

【摘要】：电动自行车中的蓄电池废弃之后对环境存在极大地威胁,将储能弹簧与发电机结合从而应用到电动自行车上,可以较大程度上消除废弃蓄电池对环境的污染。本文设计了一种应用于电动自行车上的弹簧储能式发电系统,其能量来源于加能系统和制动能量回收两个方面。分别对制动能量回收系统、加能系统、储能系统、调速系统、传动系统进行了详细的结构设计。分析确定出在加能系统中采用速度均匀、空间尺寸小且传动效率高的无急回特性曲柄摇杆加能机构。分析了弹簧储能式发电系统中传动—调速系统运行过程中的能量流动特点,采用功率表征能量在传输过程中的瞬时值。建立了传动—调速系统能量传输理论模型以及整体系统能量传输理论模型。对弹簧储能式发电系统中的储能弹簧进行了详细设计与分析。分别对三种储能弹簧(单一扭转弹簧、组合扭转弹簧及平面涡卷弹簧)进行了设计研究,结果表明:在弹簧直径和工作圈数相同的情况下,平面涡卷弹簧质量和径向尺寸最小、储能密度较高并且安装简便。对平面涡卷弹簧收紧过程中的簧片位置分布、应力分布进行了仿真分析,获得了整体应力变化规律以及收紧后各层簧片上应力集中区域的最大应力分布规律。基于分析结果对平面涡卷弹簧外端固定处的接头结构进行了改进设计与仿真分析,结果表明:采用反向弯头固定的连接方式有利于减小连接处的最大应力。研究了弹簧材料性能、截面形状对储能密度的影响,结果表明:弹簧材料选用弹簧钢比较合理,在截面壁厚相同的情况下,工字截面异型弹簧的储能密度最高。对弹簧储能式发电系统中增速齿轮传动系统的传动效率进行分析与仿真研究。考虑齿轮啮合时载荷分布不均匀的影响,建立了增速齿轮传动系统的最小油膜厚度理论模型,获得了最小油膜厚度随啮合点位置的变化规律。基于膜厚比确定弹簧储能式发电系统中传动系统的润滑状态为边界润滑状态。建立了增速齿轮传动系统啮合效率理论模型。利用MATLAB分析得出传动比、摩擦系数、压力角、主动轮齿数、中心距等因素对啮合效率的影响规律。利用ABAQUS建立增速齿轮模型,研究了啮合过程中主动轮和从动轮沿齿面方向接触应力的分布规律、从动轮Mises等效应力的分布规律。建立了增速齿轮传动系统中轴承摩擦功率损失理论模型。在此基础上建立了增速齿轮传动系统整体传动效率理论模型。制作了弹簧储能式发电系统样机,实验获得输出电压随时间的变化关系。实验结果表明:弹簧储能式发电系统样机的发电性能稳定,验证了弹簧储能式发电系统设计的合理性。
【图文】：

储能式,发电系统,弹簧,储能弹簧

１一脚瞪；２—连杆；３＿储能弹簧轴Ｉ邋；邋４一车轮主轴；５—前箱体；６—后箱体；７—套筒；逡逑８—支撑板；９—发电机逡逑图２－２弹簧储能式发电系统行驶加能逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｓｐｒｉｎｇ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｄｒｉｖｉｎｇ邋ｌｏａｄｉｎｇ邋ｅｎｅｒｇｙ逡逑这部应用到电动自行车上的弹簧储能式发电系统在使用加能系统储存能量逡逑时，分为停车和行驶两种加能状态。如图２－１所示，在停车时，通过外部加能逡逑电机驱动曲柄摇杆机构使储能弹簧变形，从而完成能量储存。如图２－２所示，逡逑在行驶过程中，通过脚蹬踏板的方式使储能弹簧变形，从而不断补充储能弹簧逡逑中的能量。在刹车时，为了提高能量利用率，最大程度地利用输入到弹簧储能逡逑式发电系统中的能量，在整体系统上增加制动能量回收装置。该装置不但可以逡逑１０逡逑

储能式,发电系统,弹簧,储能弹簧

１一加能电机；２—加能曲柄；３—连杆；４—摇杆；５—储能弹簧轴Ｉ邋；邋６—车轮主轴；７—前逡逑箱体；８—后箱体；９—套筒；１０—支撑板；１１—发电机逡逑图２－１弹簧储能式发电系统停车加能逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｓｐｒｉｎｇ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｐａｒｋｉｎｇ邋ｌｏａｄｉｎｇ邋ｅｎｅｒｇｙ逡逑２逡逑１一脚瞪；２—连杆；３＿储能弹簧轴Ｉ邋；邋４一车轮主轴；５—前箱体；６—后箱体；７—套筒；逡逑８—支撑板；９—发电机逡逑图２－２弹簧储能式发电系统行驶加能逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｓｐｒｉｎｇ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｄｒｉｖｉｎｇ邋ｌｏａｄｉｎｇ邋ｅｎｅｒｇｙ逡逑这部应用到电动自行车上的弹簧储能式发电系统在使用加能系统储存能量逡逑时，分为停车和行驶两种加能状态。如图２－１所示，在停车时，，通过外部加能逡逑电机驱动曲柄摇杆机构使储能弹簧变形，从而完成能量储存。如图２－２所示，逡逑在行驶过程中，通过脚蹬踏板的方式使储能弹簧变形，从而不断补充储能弹簧逡逑中的能量。在刹车时，为了提高能量利用率，最大程度地利用输入到弹簧储能逡逑式发电系统中的能量，在整体系统上增加制动能量回收装置。该装置不但可以逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U484

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