鲍鸿宇汽车振动能量再生减振器开发黑龙江工程学院大学生创新创业训练计划项目结题材料

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1、大学生创新创业训练计划项目结题材料项目名称：汽车振动能量再生减振器开发黑龙江工程学院2014年3月20日目 录1. 结题验收表.12. 总结报告43. 佐证材料.36 大学生创新创业训练计划学生项目结 题 验 收 表项目名称：汽车振动能量再生减振器开发 负 责 人：鲍鸿宇 院 系：汽车与交通工程学院 专业班级：车辆工程09-12 指导教师：王云龙 批准日期：2012年5月18日 验收日期：2014年3月25日 黑龙江工程学院一、项目基本情况计划完成时间2013年12月实际完成时间2014年3月项目研究人员序号姓名院系专业班级项目分工1战 宇汽车与交通工程学院车辆09-02减振器CAD装配设计2

2、梁海东汽车与交通工程学院车辆09-12减振器理论计算3王忠营汽车与交通工程学院汽服11-01国内外研究资料查询、翻译45指导教师姓名王云龙院系汽车与交通工程学院姓名齐晓杰院系汽车与交通工程学院二、项目研究摘要（概括介绍项目主要内容、主要结论及应用价值等）主要内容：设计车辆振动能量再生系统，主要包括再生系统整体框架设计、振动能量再生减振器设计、道路谱发生装置设计、电能吸收分配装置设计等内容。能量再生试验台的各个组成部分的指标、参数按照车辆实物进行设计，满足实际运行需要的指标、参数。在设计最初应先对不同车型的减震器布置形式和部件的选用进行资料收集与调查分析，从而确定自己的设计的布置形式和零件的选择

3、。总体结构确定下来开始进行齿轮和轴的尺寸进行设计计算，在进行绘制草图，并且通过试验产生的数据进行对比来进行数据的修正与优化。完成振动能量再生减震器的数据设计和相关零件的选取工作，开始进行CAD的零件图与装配图绘制，绘制完成平面图纸进行边框和标注进行细节修改。主要结论：本项目研究后，设计的振动能量再生减振器能够将车辆行驶过程中产生的振动进行回收利用，将汽车直线振动转换为发电机转子的旋转运动，从而产生电能，为汽车用电设备提供电能。应用价值：随着世界范围能源危机、温室效应的日益加剧，缓解能源紧张、减少温室气体成为社会各界普遍关注的问题。节能环保已成为汽车技术领域发展的一个重要趋势，新能源汽车、汽车节

4、能技术、汽车环保技术等成为研究的热点。本项目将汽车行驶过程中产生的振动能量进行有效回收、利用，变成汽车可以利用的电能，为车辆提供电力又起到节约能量的作用。因此，对节能环保汽车的推广、普及具有一定的促进作用，对落实国家倡导低碳交通、节能减排的政策具有十分重要的现实意义。三、结题验收结题条件：1创新创业训练项目实现创新性产品或服务，完成项目提出的任务、功能和目标参数等；2创新训练项目和创业训练项目的研究成果已经应用到创业实践项目中；3依托项目进行大学生科技竞赛，获得省三等奖（含）以上奖励；4在省级以上（含）期刊发表与本项目内容相关的学术论文；5研究成果取得国家专利或通过行业专家鉴定；6项目的实施已

5、经产生一定的经济价值或良好的社会影响。结题验收材料（附后）：1项目总结报告2授权国家专利345符合结题条件第（5）条。四、项目验收意见导师验收意见签字：年 月 日院（系、部）验收意见 签字： 盖章年 月 日学校验收意见 签字： 盖章 年 月 日 大学生创新创业训练计划学生项目总 结 报 告项目名称：汽车振动能量再生减振器开发 负 责 人：鲍鸿宇 院 系：汽车与交通工程学院 专业班级：车辆工程09-12 指导教师：王云龙、齐晓杰 批准日期：2012年5月18日 验收日期：2014年3月25日 黑龙江工程学院2014年3月第1章 绪 论汽车从它的出现到发展到现在承担了对我们发展的重要作用，从载人到

6、载货的变换，减震系统对乘坐人员的舒适性到保证货物安全运输的能力都起到至关重要的作用。减震器消耗能量占发动机输出能量的比重较大，而且路面越不平整、汽车车速越高，减震器消耗能量占发动机输出能量的比重就越大，而且路面不平度系数对减震器能耗百分比的影响更直接，可见汽车振动能量较大，具有一定回收的价值。减震器能耗是汽车能耗的重要组成部分，只是这部分振动能量一直未被利用，随着能源问题的日益突出，节能是当前汽车设计中的首要问题之一。回收汽车振动能量，越来越具有实际意义。因此，既节能，性能又好的悬架系统，必将成为一个具有实际意义的研究方向。1.1 意义和目的本课题研究的基本目的是利用汽车振动带动振动发电系统发

7、电，并对电能进行收集。通过振动能量发电系统吸收外部环境中的振动能量转化为电能，为用电设备供电。车辆振动能量再生系统从再生试验台整体框架构建、振动能量再生减振器设计、道路谱发生装置设计、电能回收与分配装置设计等方面入手，利用CAD绘图软件进行设计、开发，该系统要能模拟车辆在实际路面行驶时的振动特性，并将其振动能量进行再生转化为电能。本设计题目的完成对于全面提高学生工程设计能力和素质，能量转化、再生等问题具有重要的现实意义和良好的实用意义。一般来说车辆的振动能量转化成为机械能或弹性势能后以热能的形式散失掉了，这样无形中将这部分能量浪费掉了，现在一般最好的车辆所能着手的也只是选择将这部分能量以何种形

8、式给消耗掉，就目前来看现在最主流的几种处理的振动的悬挂系统像麦弗逊式、双叉臂悬挂、多连杆悬挂它们所做的也只是在于如何能将这部分能量更好更合理的散失掉。本课题是研究如何能讲这部分能量更好的回收并有效的利用起来。减振器是车辆行驶平顺、舒适性能的重要部件，传统的车辆减振器主要通过液体、气体等介质用来吸收路面传来的振动能量，使车辆能够平稳的行驶，使驾驶人和乘坐人不会产生不适的感觉。车辆的振动是不可避免的，同时又是无处不在的。振动能量再生减振器不但具有传统减振器的功能，更重要的是其可以有效的将路面传递的振动能量通过振动再生减振器转化为电能，用来给车辆用电装置供电，从而减少因发动机带动发电机所消耗的功率，

9、从而提高车辆的动力性、经济性。它是一种新型的能量回收、再利用的减振器，包括振动能量吸收装置、振动能量再生系统、能量输出系统等组成，主要由主副壳体、齿条、齿轮组、永磁铁、导向机构、发电机转子以及电流滤波装置等电能回收输出装置组成。该减振器结构简单、适用范围广、制造成本低、经济效应显著，适合于各类型车辆使用。这种能量回收系统还带来了一些值得关注的额外好处，例如在冷起动时为发动机或乘客舱供暖系统提供额外热量。热电式发电机还是高效动力制动能量回收系统的理想补充。制动系统在减速和停车时产生能量，而热电式发电机则在激情驾驶（也就是加速）时具有最佳功能性。研究人员预测，将来在实际日常驾驶条件下，这套节能系统

10、最多可使耗油量减少5%。1.2 研究现状 车辆行驶时，路面不平度会激起车辆的振动，当这种振动达到一定程度时，乘员会感到不舒适和疲劳，直接影响车辆的平顺性和乘坐舒适性以及承载系的可靠性和寿命。车轮与路面之间载荷的波动还影响到它们的附着效果，路面不平度使车辆在行驶中产生行驶阻力和振动，为了改善车辆的行驶质量，汽车传统减震器以摩擦的形式将这部分机械能转变为热能，从空气中耗散掉，从而衰减车辆的振动，使汽车获得良好的平顺性。如果能将这些能量加以回收利用，则可以降低汽车能耗，从而实现节约能源的目的，因此汽车振动能量回收得到了许多学者和企业的关注，但是现有相关研究文献表明，到目前为止只有少数研究机构在具体试

11、验上取得了实质性成果，现有技术的研究状况还不足以满足商业应用的要求。图1.1 车体振动能量回收示意图（一）机械能源再生的发展现状在机械式振动能量回收方面，再生泵装置，机械式可变线性传动装置以及再生振动器是较典型的例子，虽然在能量回收性能上，有些只适合某种特殊工况，但是在设计理念上突出了使用回收的能量来抑制振动或维持车身姿态的功能或为其他用电器供电。由于电机能量转换方面的优势，永磁电机被应用在汽车振动能量回收上，振动能量回收发电开始迅速发展起来。振动能量回收在实现途径上主要有液压式振动能量回收、电磁式振动能量回收及液电式振动能量回收等。液压式振动能量回收的原理是通过适当的机械传动结构将车轮和车身

12、的振动能量传递给液压或气压储能装置，以液压能或气压的形式进行存储，在适当的时候释放储能，减小能耗。电磁式振动能量回收的原理是用机械能与电能的转换装置替代传统的减振器，当车轮和车身相对运动时，电机的线圈切割磁力线，向外输出电流，将机械振动能量转化为电能，存储到储能装置中。液压式振动能量回收悬架的优点是：它可在现有液压或空气悬架上，增加液或气形式的振动能量回收装置，通过调整控制策略，减小能耗。但其缺点是响应频率较低，响应速度较慢，回收的能量应用范围受到限制。电磁式振动能量回收悬架根据能量转化装置结构的不同又分为直线电机式振动能量回收悬架和旋转电机式能量回收悬架。直线电机式传动效率不高，质量较大、磁

13、场强度不足，而旋转电机式则较好地弥补了前者的缺点。旋转电机式的振动能量回收效率明显超过直线电机式。液电回收装置式减震器采用机电液混合系统，通过单向阀组成的液压回路将由路面不平引起的车身与道路间的往复振动变成流动方向不变的液压油流动，由液压油驱动液压马达进而带动发电机发电，从而将振动机械能转化为电能，可为汽车空调以及其他电气系统提供电能。（二）震动能源再生在汽车上的发展现状自 20 世纪 70 年代末，学者们开始从理论上分析研究车辆振动能量和回收的可行性。理论分析了车辆被动悬架阻尼器的能量损失机理，揭示了悬架系统的能量耗散过程，指出振动能量回收悬架系统可减低整车驱动功率，对电动车辆尤为有利。加利

14、福尼亚大学戴维斯分校的 Karnopp 在车辆悬架系统能耗和主动悬架的研究中，理论分析了车辆被动悬架阻尼器的能量损失机理，揭示了悬架系统的能量耗散过程，指出振动能量回收悬架系统可减低整车驱动功率，对电动车辆尤为有利。Velinsky 基于四自由度后轴悬架模型，通过测量悬架阻尼器和轮胎之间的相对速度，分析了悬架系统的能量耗散。Segel 分析了悬架系统能量耗散对抑制不平路面振动的影响，计算得到某乘用车在颠簸路面上以 13.4 m/s 的速度行驶时，4 个被动阻尼器的能量耗散功率约为 200 W。Hsu以 GM Impact 为例，估算了某车辆在高速道路上以 16 m/s 的车速行驶时，平均每个车

15、轮可回收能量功率为 100 W，相当于车辆驱动功率的 5%。喻凡理论计算了汽车主动悬架的耗能情况和回收路面振动能量潜能。Browne 对某轿车阻尼器的能量耗散进行了定量测量，结果表明在典型城市道路上，4 个阻尼器的能量耗散功率为 4060 W。自 20 世纪 80 年代末，国内外许多学者就开始了对汽车振动能量回收悬架的研究，但到目前为止，该技术没有商业应用。振动能量回收悬架按能量回收装置分，主要有液压式振动能量回收装置和电磁式振动能量回收装置两种；按其工作方式分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。液压式振动能量回收悬架的响应频率较低，响应速度较慢，能量回收能力有限，而电磁式振动能量回收悬架能量转

16、换方便，且利于存储和再利用，因此正在成为振动能量回收悬架领域的研究热点。国内外学者和企业已围绕有效回收振动能量和保证足够的减振性能等核心问题进行了探索和尝试，获得了一些有价值的成果，并在样机试制和试验验证上取得了较大进展。随着电控系统的日趋成熟以及控制策略的日益完善，电磁式振动能量回收悬架，将会成为具有发展前景的研究方向。20世纪末期到21世纪初，美国德克萨斯大学在军用车改装项目中讲电磁式阻尼器安装在高机动多功能轮式车辆上进行实车试验。这一系统将振动能量的回收、储存电能的管理统一起来。提高了整车的操纵及动力性能，减小车辆在粗糙路面上行驶时的滚动阻力，因此提高车辆的行驶平顺性及行驶速度。但由于该

17、试验主要是改进军用车辆的性能，因此研究的重心在于提高动力性和行驶平顺性，而在节能方面还有待进一步的提高。2004年，Bose公司宣称，用直线电机取代弹簧与减震器，其内置缠绕电线的线圈与磁铁，线圈通电后，悬架系统根据车身和车轮的相对位置的不同而伸张或收缩，而当悬架收缩时，直线电机犹如一个发电机可以将产生的能量返送给功放器。Bose公司通过这项技术建立的电磁式悬架系统，在利用电磁力和直线电机抵消道路冲击的同时回收部分能量。2009年2月，麻省理工学院（MIT）声称气采用液压系统和发电系统成功研制了一种用于汽车悬架部位的能量回收装置。将此装置安装在一个6轮的卡车上，试验结果表明平均每个回收装置能够回

18、收1KW的能量。在国内，相关项目的研究大多仍然停留在仿真及初步试验的阶段，尽管也都对回收能量装置的结构及基本原理进行了详尽的阐述，但实际研究成果较少。其中，吉林大学与上海交通大学对振动能量回收悬架的可行性分析做了较为深入的探讨。1.3车辆振动能量再生系统应满足的设计要求1）设计图尺寸、参数等指标与实物一致；2） 实现模拟车辆实际道路行驶的振动特征；3） 振动能量有效地转化为电能。 1.4 车辆振动能量再生系统的设计内容及方法 1.4.1 设计内容设计车辆振动能量再生系统，主要包括再生系统整体框架设计、振动能量再生减振器设计、道路谱发生装置设计、电能吸收分配装置设计等内容。能量再生试验台的各个组

19、成部分的指标、参数按照车辆实物进行设计，满足实际运行需要的指标、参数的设计。具体步骤如下：（1）收集资料确定再生系统整体框架；（2）计算车辆的减震器所受冲力；（3）计算振动能量再生减震器各个部件的数据；（4）进行振动能量再生减震器平面零件的设计；（5）进行振动电能回收与分配装置设计（6）在CAD软件平台进行振动能量再生系统零件建模；（7）对CAD软件建模的模型进行装配。1.4.2 研究方法根据任务书的要求并通过查询相关资料制定出以下研究方法：图1.2设计路线图1.5 解决的主要问题1、对车辆振动能量再生系统整体结构的设计图的绘制；2、对振动能量再生减震器设计图的设计；3、对电能回收与分配装置的

20、设计。第2章 悬架系统的选择汽车悬架是车架(或车身) 与车桥(或车轮)之间弹性连接的部件。主要州弹性元件、导向机构及减振器三个基本部分组成。此外，还可包括一些特殊功能的部件，如缓冲块和稳定杆等。现代汽车还采用了控制机构，形成可控式悬架。汽车悬架把车身和车轮弹性地连接在一起。悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。汽车悬架的工作原理是: 当汽车轮胎受到冲击时，弹性元件对冲击进行缓冲，防止对汽车构件和人员造成损伤。但弹性件受到冲击时会产生长时间持续的

21、振动， 容易使驾驶员疲劳而发生车祸， 故减振元件必须快速衰减振动。当车轮受到冲击而跳动时， 使其运动轨迹符合一定的要求， 增加汽车的平顺性和稳定性。导向构件在传力的同时，对方向进行控制。悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，悬架系统必须能满足这些性能的要求：首先，悬架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性，对以载人为主要目的的轿车来讲，乘员在车中承受的振动加速度不能超过国标规定的界限值。其次，悬架要保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。再次，要能保证汽车有良好的操纵稳定性，一方面悬架要保证车轮跳动时，车轮定位参数不发生很大的变化，另一方面要减小车轮的动载荷和车轮跳动量。还有就是要保证车

22、身在制动、转弯、加速时稳定，减小车身的俯仰和侧倾。最后要保证悬架系统的可靠性，有足够的刚度、强度和寿命。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架作为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。 与非独立悬架相比，独立悬架具有许多优点：非悬挂质量小，悬架所受到并传给车身的冲击载荷小，有利于提高汽车的行驶平顺性及轮胎的接地性能；左右车轮的跳动没有直接的相互影响，可减少车身的倾斜和振动；占用横向空间少，便于发动机布置，可以降低发动机的安装位置，从而降低汽车质心位置，

23、有利于提高汽车的行驶稳定性；易于实现驱动转向等。所以此越野车前悬架采用独立悬架。随着高速公路网的快速发展，促使汽车速度不断提高，使得非独立悬架已不能满足行驶平顺性和操纵稳定性等方面提出的要求。因此，独立悬架获得了很大的发展空间。独立悬架的结构特点是，两侧的车轮各自独立地与车架或车身弹性连接，因而具有很多优点。独立悬架中尤其是双横臂独立悬架得到了广泛的应用。2.1独立悬架结构、类型和特点1.单横臂式这种悬架在车轮跳动时车轮倾角有显著的变化，侧滑量大、轮胎磨损严重，转向轮采用这种悬架对转向操纵有一定影响因此很少用于的前悬架。对后悬架来说汽车在小向心加速度行驶时车轮外倾角变化将增加汽车不足转向因素而

24、在大向心加速度时车身产生“举升”现象。单横臂式悬架结构简单、质量小、成本低，在早期轿车后悬架上采用得比较多，目前已很少使用。2.单纵臂式单纵臂式悬架在车轮跳动时，车轮外倾角和前束不变，但后倾角变化较大，因此多用于不转向的后轮。转弯行驶时，由于车轮随车身一起向外倾斜，后悬架采用这种悬架容易出现过多转向趋势。单纵臂式悬架结构简单、质量小，可以得到较大的室内空间，所以在前轮驱动汽车的后悬架上应用的比较多，目前被单斜臀式、麦弗逊式独立悬架所代替。3.单斜臂式介于单横臂式和单纵臂式之间的一种悬架结构。摆臂的转动轴线与汽车纵轴线所成角度在0-90之间。单斜臂式悬架自60年代初问世以来，在后轮驱动汽车的后悬

25、架上得到了广泛应用。目前由于对汽车干顺性和操纵稳定性提出了更高要求，有些汽车采用了结构更复杂的双横臂式或多杆式独立悬架。今后伴随着后轮驱动汽的减少，单斜臂式悬架应用会逐渐减少。4.纵臂扭转梁式这种悬架主要优点是，车轮运动特性比较好，左、右车轮在等幅正向或反向跳动时，车轮外倾角、前束及轮距无变化，汽车具有良好的操纵稳定性。但这种悬梁在侧向力作用时。呈过多转向趋势。另外，扭转梁因强度关系，允许承受的载荷受到限制。扭转梁式悬架结构简单、成本低、在一些前置前驱动汽车的后悬架上应用得比较多。5.双横臂式双横臂式独立悬架按其上、下横臂的长短又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种。等长双横臂式悬架在其车轮作

26、上、下跳动时，可保持主销倾角不变，但轮距却有较大的变化，会使轮胎磨损严重，故已很少采用，多为不等长双横臂式悬架所取代。后一种形式的悬架在其车轮上、下跳动时，只要适当地选择上、下横臂的长度，并合理布置，即可使轮距及车轮定位参数的变化量限定在允许的范围内。这种不大的轮距改变，不引起车轮沿路面的侧滑，而为轮胎的弹性变形所补偿。因此，不等长双横臂独立悬架能保证汽车有良好的行驶稳定性，已为中高级轿车的前悬架所广泛采用。6.多杆式多杆式悬架主要优点是，利用多杆控制车轮的空间运动轨迹，以便更好地控制车轮定位参数变化规律，得到更为满意的汽车顺从转向特性，最大限度满足汽车操纵性和平顺性要求。缺点是零件数量多、结

27、构复杂、要求精度高。多杆式悬架是目前最为先进的悬架结构。7.麦弗逊式它可看成是上摆臂等效无限长的双横臂式独立悬架。它的突出优点是简化了结构，减小了质量，节省了空间，有利于前部地板构造和发动机布置。它的缺点是：由于自由度少，悬架运动特性的可设计性不如双横臂悬架；振动通过上支点传递给汽车头部，需采取相应的措施隔离振动、噪声；减震器的活塞杆与导向套之间存在摩擦力，使得悬架的动刚度增加，弹性特性变差，小位移时这一影响更加显著；对轮胎的不平衡性更加敏感；减震器紧贴车轮布置，其空间很小，有些情况下不便于采用宽胎或加装防滑链。2.2导向机构的设计根据导向机构的结构特点，汽车悬架可以分为非独立悬架和独立悬架。

28、非独立悬架两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架连接。特点是当一侧的车轮遇到路面冲击而跳动时，必然导致另一侧车轮在汽车横向平面内摆动。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。独立悬架的车桥做成断开的，每一侧车轮可以单独通过弹性悬架与车架连接。 结构较非独立悬架复杂，但两侧的车轮单独跳动时互不影响，可以提高乘坐的舒适性和平顺性。独立悬架使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。在汽车通过

29、有凹坑的路面引起在车轮接地点产生纵向力时，此纵向力绕下控制臂球销和前衬套的轴线形成纵向力矩，通过设定 L 形下控制臂后衬套的刚度来控制该 力矩，缓和路面带来的冲击使车轮产生纵向柔性。可见L 型下控制臂的设计，使汽 车在侧向和纵向的受力分别通过前、后衬套进行控制,使需要的侧向刚度独立于纵向 柔性，使侧向力和纵向力同时作用时相互间不发生耦合，避免了悬架臂共振的发生， 从而提高了汽车行驶的平顺性。另外，L 形控制臂的前后连接衬套刚度一般都设定为 前硬后软，这有助于在转向时受到侧向力时前轮形成负前束，增加不足转向的趋势， 有利于提高汽车行驶的稳定性。2.3下横臂的设计为了提高汽车的制动稳定性和舒适性，

30、一般希望主销后倾角的变化规律是：在悬架弹簧压缩时后倾角增大；在弹簧压缩时后倾角减小，用以造成制动时因主销后倾角变大而在控制臂支架上产生的防止制动前俯的力矩。纵向平面内上、下横臂有六种布置方案，如图2.1所示。第1、2、6方案主销后倾角的变化规律比较好，在现代汽车设计中被广泛采用，这里我初选第2种方案，左右。2.3.1水平面内上、下横臂的布置方案水平面的布置方案有三种，如图2.2所示。初取；2.3.2上、下横臂长度的确定汽车悬架设计时，希望轮距变化更小，以减少轮胎磨损，提高其使用生命，因此应选择上、下横臂长度之比在0.6附近；为保证汽车具有更好的操纵稳定性，希望前轮定位角度的变化更小，这时应选择

31、上、下横臂长度之比在1.0附近。根据我国乘用车设计的经验，在初选尺寸时取上、下横臂长度之比为0.65为宜。因此本设计初选尺寸下摆臂长度，即上摆臂长度。2.4缸体油封设计油封设计：本文设计的油封，是指对箱体的密封。其主要功能是把箱体和外界隔离，对外封尘，适用介质：油、水及弱腐蚀性液体，寿命12000h10 。根据机械设计手册，我选择的密封材料是丁腈橡胶；型式是粘接结构，粘接结构是橡胶部分和金属骨架分别加工制造，再用胶粘接在一起成为外露骨架型。制造简单，价格便宜。 （a） （b） （c） （d） （e） （f）图2.1 纵向平面内上、下横臂轴布置方案 （a） （b） （c）图2.2 水平面内上、下

32、横臂轴的布置方案2.5橡胶密封圈O形橡胶密封圈具有良好的密封性，它是一种压缩性密封件，同时又具有自封能力。所以使用范围很宽，密封的压力范围从1.33Pa的真空到400Mpa的高压（动密封可达35Mpa）。如果材料选择适当，使用温度范围为-60+200。使用不同材料的O形圈，可以分别满足各种介质和运转条件的要求。同时，O形圈形状简单，制造容易，成本低廉，使用方便，用于动密封的O形圈的密封性不受运动方向的影响。因此，O形圈成了一种广泛的密封件。本项目是选用了代号：M45-B 材料：丁青橡胶（适用于：矿物质、汽油、苯，静止时温度范围：）。2.6锥形弹簧当受载后，特性线的OA段是直线，载荷继续增加时，

33、弹簧从大圈开始逐渐接触，有效圈数逐渐减少，刚度逐渐增大，到所有弹簧圈压并为止。特性线AB段是渐增型，有利于防止共振的发生。常用的圆锥螺旋压缩弹簧有等节距型和等螺旋角型两种10。选用了等节距型的圆锥螺旋压缩弹簧。图2.6圆锥螺旋压缩弹簧及其特性线 2.7 本章小结本章通过对多种形式的独立悬架的优缺点的比较，确定了选用不等长双横臂独立悬架作为该车的前悬架，并参考了有关资料初步取得了该车前悬架和整车的主要布置结构形式，来为后面设计数据的选取做为铺垫和主要部分的设计提供参考依据。第3章 车辆振动能量再生系统总体方案确定3.1汽车在不平整道路上行驶时的振动分析对于一般固定的机械，或者是机车车辆的振动情况

34、都是与汽车振动情况大不相同。通常为了便于分析，假设汽车是由底盘和车身、后桥、前桥这三部分组成的。汽车车声振动中心和重心通常是不重合的，所以作用于重心上的力，在引起纵向振动的同时也会引起垂直振动。如图3.1所示，在车轮受到冲击后会导致车身发生三种振动，如果将在B点的冲击力F（通过路面不平整激励）移到重心O上，便附加了一个力矩在车声上。将分成和，此时便作用了三种力在车声上：力F作用于车声重心上，引起车身的垂直振动；引起车身横向振动的力矩，引起车声纵向振动力矩。图3.1车体振动示意图我们可以这样认为，三种情况的振动可能发生在车身和底盘方面，分别为垂直振动沿zz方向、纵向振动绕横轴xx以及横向振动绕纵

35、轴yy的。两种较重的振动情况可能发生在轮轴方面（前桥和后桥），即在充气轮胎上的垂直振动，沿zz轴方向，以及横向振动绕纵轴yy。诚然，作为一个振动体系的汽车实质上是一个多质点的体系，通常认为其有18个自由度。所以如果按照汽车是实际情况来研究其振动，会是一个非常复杂的问题。然而一般在汽车的狗仔设计中，车辆的横向振动、横向和纵向位移已经通过构造要求被限制了。如此看来，沿zz轴的垂直振动则是研究最有意义。这就是以一个自由度研究汽车振动的基本依据。通过对不平整路面的大量调查出发，假定路面上的不平整符合正弦波的规律（即所谓搓板路面），本文主要研究汽车在这种不平整路面行驶时产生的振动情况，以及轮胎对路面附加

36、的作用力。基于上诉假设，后续章节主要对车体垂直方向振动能量进行分析并加以回收利用。通过对振动发电装置的国内外研究现状及国内外趋势的分析研究，提出一种利用感应线圈及永磁铁构成的电磁式振动发电系统，感应线圈围绕在永磁铁周围构成一种发电系统，将外界环境的振动能量转换为电能的振动式发电系统，原理模型如图3.2所示。图3.2 振动能量再生系统的原理模型电磁式车体振动能量发电系统的工作原理是：在外部激励下发电系统受迫振动，永磁体随之旋转运动，进而引起绕组交链磁链的改变，导致绕组中产生交变的感应电动势，实现对外部的供电。3.2车辆振动能量再生减震器结构原理本文所设计的车辆振动能量再生系统是利用电磁感应原理研

37、制车体振动能量发电系统，设计振动能量回收装置收集电路的硬件电路，研究汽车车体振动能量回收装置对储能装置进行充电的基本原理，实现对蓄电池充电并应用于车体用电设备。本设计中的悬架系统是由原始悬架系统中的减震器、导向装置、弹性元件、缓冲块和横向稳定器与振动能量再生减震器组成，振动能量再生减震器与原始减震器并联安装。如图3.3为振动能量再生减震器的基本结构。它包括壳体、转子、定子等部件。在转子钢轴处固定有感应线圈以及超强永磁铁，随着车辆振动引起齿条上下运动带动齿轮旋转，此处齿轮为单向旋转齿轮，带动永磁铁单向旋转反向不转使磁场发生变化，进而使线圈产生感应电动势。3.3振动能量发电系统的工艺设计通过对车体

38、振动能量发电系统的特性进行分析，可以从优化感应线圈结构及系统材料、增大系统固有频率和磁通量等方面提高发电机的输出电压和输出功率方面考虑。以此为依据确定系统的材料结构。本文研究的振动能量发电系统设计是在一定的振幅与频率范围内，用最少的用料，发出较高的电能，且发电系统能够稳定的工作。振动能量发电系统的结构确定以后，详细的设计步骤如图3.3所示：3.3.1 永久磁铁材料的选择在设计中要根据永磁体的综合性能及永磁体的工作环境，永磁体的价格、可靠性、寿命等，科学、合理地选择永磁体。同时亦应选择磁导率高、电阻率高的磁导体以减少功率损失。钕铁硼稀土永磁材料自问世以来，就以其优异的磁性能被越来越多地应用与各类

39、电机中。永磁磁场将铁磁体磁化后，去掉外磁场作用后铁磁体仍具有磁性，又称为恒磁性或硬磁性。凡是具有永磁性的材料都成为永磁材料或叫恒磁硬磁材料。钕铁硼是一种磁性非常强的材料，有很高的、，它的磁能积很高。它是一种近几十年发展起来的新型磁钢，现在看来，用量最大的地方是在电机中。稀土永磁材料与传统的铁氧体和铝镍钴永磁铁材料相比，它具有机械强度高、高磁能积、高矫顽力等优点。所以较小的磁钢就能产生强大的磁力，可以使电机相应做得小。用它制作的永磁零件具有体积小、重量轻、性能稳定等优点。故在选材时主要对钐钴、钕铁硼、稀土钴等永磁材料进行了调查对比。发现铷铁硼在矫顽力、剩余磁感应强度、图3.3 振动能量再生减震器

40、结构图图3.4 振动发电系统的设计步骤最大磁能积等方面都具有较大的优势，对于本文的振动能量电磁发电系统的永磁体材料采用铷铁硼作为永磁铁材料，主要参数如表3.1所示：表3.1 铷铁硼主要参数剩磁磁感矫顽力内禀矫顽力最大磁能积温度系数密度居里温度使用温度T1.08-1.12780-860955223-2390.67.3-7.5310803.3.2磁导体的选择磁导体是传导永磁体磁通的材料。在永磁发电机、永磁电动机中使用的永磁体是永磁体恒定的磁场在交变的磁场中工作，并且工作温度较高，因此，要求磁导体应有较高的磁导率和电阻率还要有较小的磁带，以尽量减小涡流损耗和磁滞损耗，同时还要尽量改善磁场与电流的线性

41、关系。还要求磁导体能在较低的外磁场作用下尽可能地产生较高的磁感应强度，并在外磁场强度增大的情况下，磁通不易饱和，也要求导体在外磁场撤去后，磁导体的磁性消失。磁导体的功能是有效地传递磁能或信息。磁导体主要有低碳钢、纯铁、热轧硅钢片、冷轧硅钢片、铁镍合金、铁钴合金、软磁铁氧体等。（1）低碳钢低碳钢适用做导体的最好为含碳量小于0.1%的碳钢。低碳钢具有良好的韧性和延展性，价格比纯铁便宜得多，硬度比硅铁低。其饱和磁感应强度，矫顽力低，电阻率但磁导率较高。低碳钢可做直流电机的磁轭和高速转子，永磁铁发电机的转子、小功率变压器的铁心，也适用于直流或工频的磁导体。（2）纯铁纯铁的主要特点是磁饱和强度高，其具有

42、高磁导率和低矫顽力，缺点是电阻率低，涡流损耗大，不适用于交流，主要应在直流或低频交流下工作。纯铁可做继电器铁心，直流电机导磁材料，如极靴等，可做磁屏蔽材料等。纯铁价格较贵，现在使用的不多，多种情况下低碳钢取代。（3）硅钢片硅钢片适合于交流变化磁场的磁导体。其主要特点是磁导率较高、电阻率较高、有较低的矫顽力，涡流损失小，是发电机、电动机的定子和转子的良好材料。硅钢片分高硅、低硅及热轧和冷轧硅钢片。冷轧硅钢片又分取向和无取向冷轧硅钢片。（4）铁镍合金铁镍合金的特点是起始磁导率和最大磁导率都非常高，低磁场状态下磁滞损失相当低，电阻率比硅钢片高，是良好的导磁材料。但是铁镍合金价格较贵，因此，常用于频率

43、较高的场合。如电源、电信、高频变压器等。（5）软磁铁氧体软磁铁氧体磁导率高，磁滞损耗小，磁饱和感应强度高。软磁铁氧体的电阻率高，涡流损耗小，其矫顽力低，化学成分稳定，适合频率宽。软磁铁氧体在无线电、微波、脉冲技术被广泛低用来制作电感，变压器的铁心等。不同材质的软磁铁氧体的响应频率从直到数，用途十分广泛。3.3.3 永磁体的磁路选择永磁体的磁路就是永磁体通过磁导体构成磁通的回路。磁路计算就是计算出沿磁导体的回路中的主磁通量及磁密。永磁体的磁路在实际应用中可分为：永磁体串联磁路；永磁体并联磁路；永磁体串联、并联的混合磁路；永磁体的拼接。永磁体的磁感应强度与永磁体的极面积及两级面之间的距离有关，在永

44、磁体的磁路中，磁感应强度又与磁导体的磁导率、电阻率的大小，磁导体的导磁面积，磁路的长短，气隙的长短，以及永磁体的串联、并联等诸多因素有关。所以磁路的设计十分重要。但永磁体磁极的磁路不论永磁体磁极如何布置，都可以归纳为串联磁路和并联磁路两种。永磁体轴向布置的永磁体两个极同时利用的永磁体磁极串联的典型结构利用最好的磁极串联磁路在永磁盘式发电机和永磁盘式电动机中得到很好的利用。永磁体磁极并联就是将永磁体同性磁极通过磁导率很高的磁导体连在一起共同组成一个磁极的联接方式。永磁体镶嵌在转子上称永磁体磁极切向布置，亦称隐极式；永磁体镶嵌在定子上，亦撑外磁式。前者用在永磁交流发电机和永磁无刷直流电动机上；后者

45、用在永磁有刷直流发电机和永磁有刷直流电动机上。永磁体磁极并联磁路在有非磁性材料进行有效隔磁并把作为公共磁极的磁导率很高的磁导体做成聚磁形状，这时磁极的磁感应强度大雨。这两种磁路各有优缺点，比较如下：1）永磁体磁极的串联即径向布置，亦称面极式的永磁体磁极串联磁路，它的优点是：永磁体的一个磁极直接面对气隙，漏磁小，磁通集中于气隙，磁极采取聚磁形状，磁感应强度比单个永磁体磁感应强度高。2）永磁体磁极并联布置，即永磁体磁极切向布置或隐极式所构成的磁路，永磁体磁极不直接面对气隙而是通过磁导体构成的磁极面对气隙。当两个同性磁极面积等于或大于磁导体构成的磁极面积，且有非磁性材料隔磁时，磁导体磁极的磁感应强度

46、比单个永磁体的磁感应强度高。3）永磁体磁极串联磁路易于实现对永磁体实施有效的冷却，保证永磁发电机或永磁电动机安全可靠地工作。而并联永磁体磁极的磁路，永磁体置于磁导体中，不易对永磁体实施有效的冷却，往往导致永磁体温度升高，致使永磁体综合性能下降，又导致永磁发电机或永磁电动机功率下降。永磁体磁极并联磁路应注意解决磁体冷却的问题，否则达不到预期效果。4）永磁体磁极并联磁路结构复杂，制造成本高。而永磁体磁极串联磁路结构较为简单，制造成本比并联磁路低。5）永磁体磁极并联安装困难，需要有专业工具。而串联磁路则安装容易，不用专用工具。6）永磁铁磁极并联必须有非磁性的材料隔磁，而串联磁路则安装容易，不用专业的

47、工具。7）永磁体磁极串联磁路可以实现多极低转速大功率，而并联则很难做到。3.3.4振动能量发电系统的线圈设计永磁发电机绕组与常规励磁发电机绕组有很多不同，更不同于交流电动机绕组。这是因为永磁发电机的磁极是永磁体，有它自己独特的性质。因此，不能用常规励磁发电机的理念更不能用交流电动机的理念去指导永磁发电机绕组的设计。对磁感应线圈的设计时主要考虑三方面的因素：一是选取内阻尽量小的线圈（即消耗的功率小）；二是选取电感尽量小的线圈以减小感应电流受自感的影响；三是应使线圈中的磁通量变化要尽量大。要提高线圈中的磁通量的变化量，需要从增大线圈的匝数以及在结构上考虑与磁铁的相互运动方向入手。给定了永磁铁运动方

48、向为垂直于线圈平面，因此要增大线圈的磁通量的变化量需要从增大线圈匝数入手。3.4电能回收与分配装置设计图振动能量发生装置发出的能量经过整流通过小型电子设备蓄电池进行回收，如图3.5。磁极转动是磁场发生变化，进而改变线圈中的电动势。在整个电路回收装置中需要加入相对较大的电容来起到稳压作用并且加入了二极管在电路回收装置之中，目的是为了达到使能源生成装置生成的电能能稳定的传送到能源储备装置中存储起来，而不至于出现回流的现象。图3.5能量回收示意图3.5本章小结本章对振动能量再生减震器内部结构形式进行了选取与设计，由于此设计为发明设计，因此由此内部构件都不是标准件，在选取或者自行加工的过程中都需要在不

49、断的试验中去确定其中拥有最优秀性能的部件进行设计使用。第4章 零部件数据设计与计算4.1 悬架的相关参数确定不等长双横臂式悬架可以通过合理选择上、下横臂的长度和布置方案，保证车辆有很好的行驶稳定性，而且结构不是很复杂，因此本设计选用不等长双横臂独立悬架，参考同类型车的整车参数，初步设定其整车参数为：前轮距1500mm；后轮距1500mm；满载质量2106kg；轴距2630mm；满载前轴荷848kg；前悬需弹簧刚度66.6N/mm；前悬非簧载质量87.2kg；轮胎规格为165R14C；质心高度400mm。4.1.1 导向机构数据确定双横臂式独立悬架的侧倾中心由图4.1所示方式得出。图4.1 双横

50、臂式独立悬架侧倾中心的确定初选；c=450mm；d=220mm；a=18mm；已知可计算出侧倾中心高度： （4.1）式中 ： （4.2） （4.3）所以侧倾中心高度符合在独立悬架中侧倾中心高度前悬架0120mm的要求。4.1.2 下横臂数据设计为了提高汽车的制动稳定性和舒适性，一般希望主销后倾角的变化规律是：在悬架弹簧压缩时后倾角增大；在弹簧压缩时后倾角减小，用以造成制动时因主销后倾角变大而在控制臂支架上产生的防止制动前俯的力矩。汽车悬架设计时，希望轮距变化更小，以减少轮胎磨损，提高其使用生命，因此应选择上、下横臂长度之比在0.6附近；为保证汽车具有更好的操纵稳定性，希望前轮定位角度的变化更小

51、，这时应选择上、下横臂长度之比在1.0附近。由于本设计是尺寸推理而得，根据我国乘用车设计的经验，在初选尺寸时取上、下横臂长度之比为0.65为宜。因此本设计初选尺寸下摆臂长度，即上摆臂长度。4.2车身振动模型 图4.2 车身单质量系统模型汽车是一个复杂的振动系统，为了分析问题的方便，将其简化成接近实际情况的单质量系统的自由振动，图4.2是分析车身振动的单质量系统模型，它是由车身质量和弹簧刚度K，减振器阻尼系数为的悬架组成。车身垂直位移坐标z的原点取在静力平衡位置，根据牛顿第二定律，得到描述系统运动的微分方程为: （4.4）式中：悬架质量或簧载质量；减振器阻尼系数；悬架质量垂直振动加速度；悬架质量

52、垂直振动速度；位移量；悬架刚度；由下式计算 （4.5）为了便于分析，可将此车车悬架结构简化为图4.3中：图4.3 前悬架振动示意图两减振器与驱动桥连接端距离,；两车轮轮距，；安装角；减振器中心线与铅垂线的夹角，；车辆满载时的悬架（簧载）载荷，；悬架静变形，12.05cm；车身（或悬架）振动固有频率。为了检验该系统的减振效果和分析弹簧的受力，则需计算弹簧振子系统的振幅。对于粘性阻尼，其振幅由下式计算 （4.6）式中：频率比；为避免车辆悬架产生共振现象，应符合下列规定阻尼比；由下式计算 （4.7）临界阻尼系数。由下式计算=30030.58NS/m （4.8）按图1、2和（4.5）式，悬架临界阻尼系

53、数为。按计算式（4.3），悬架质量M的振幅是阻尼比和频率的函数。减振器是悬架的主要阻尼元件。它与缓冲弹簧并联安装（参见图4-1），按阻尼匹配原则要求的阻尼比为 （4.9）对于越野车辆或战车，悬架结构为独立螺旋弹簧悬架，减振器复原行程阻尼系数一般为 （4.10）按式（4.9）式，此悬架复原（伸张）行程的阻尼系数现代车辆大部分均采用双向作用筒式减振器。一般把复原和压缩行程阻尼系数，经验地作如下分配： （4.11）按（4.11）式，悬架压缩行程阻尼系数为弹簧振子在震动平衡点处的悬架质量垂直振动速度,由下式计算 （4.12）式中：受迫振动的振幅。可按式（4.6）计算，悬架振幅为振动能量再生减震器振动能

54、量再生减震器的振幅即为悬架质量垂直振动速度为悬架垂直振动速度下的额定复原阻力为额定压缩阻力为选用减震器工作缸直径50mm，贮油筒直径壁厚取为2mm，材料可选20钢。根据所测减震器的实物测得的最外径为140mm，使其为振动能量再生减震器的缸径壁厚取为4mm，材料选用参照减震器材料缸材料20钢。根据缸体结构尺寸，可设计各齿轮参数为、（图4.4 a.b所示为其齿轮形式）。4.3根据工作状态选择电流密度确定导线的直径选取电流密度，则裸线直径为： （4.13）式中I为线圈中通入的额定电流。（a） （b）图4.4 齿轮形式从线规表上根据裸线直径，查得带皮导线，型号为油性漆包圆铜线，A级绝缘。单位厚度上的层

55、数及单位常熟上的匝数 （4.14） （4.15）式中和分别为叠绕系数和排绕系数，随导线直径不同而改变。估数线圈厚度 （4.16）线圈总匝数N （4.17）线圈外径 （4.18）核算线圈轴向磁场分布，如不满足则需要加大再计算，知道满足为止。计算线圈总电阻R （4.19）式中为电阻系数， 为导线的有效截面积。电感估值L近似用毕奥-沙伐定理来计算简单的直螺线管线圈的自感系数： （4.20）式中为线圈的长度、为真空磁导率、为线圈的体积。4.4 相关数据校核齿轮和齿条是整个系统的核心组成部分，因此这部分的数据设计与校核也整个设计中的重要部分。计算出相应的加速度 （4.21）通过加速度来进行素的的计算 （4.22） （4.23） （4.24）通过以上三式可以得出 （4.25） （4.26） （4.27） （4.28） （4.29）由第3强度理论可以得出 (4.30) (4.31) （4.32） (4.33)直齿圆柱齿轮上作用力 （4.34） （4.35） （4.36）