回收振動(dòng)能量發(fā)電的汽車減震器總體設(shè)計(jì)

1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學(xué)習(xí)與交流回收振動(dòng)能量發(fā)電的汽車減震器總體設(shè)計(jì).精品文檔.本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）( 2014屆 ) 題 目：回收振動(dòng)能量發(fā)電的汽車減振器總體設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 工學(xué)院、職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院 專 業(yè)： 汽車維修工程教育 學(xué)生姓名： 孫挺 學(xué)號(hào)： 10520129 指導(dǎo)教師： 曹振新 職稱： 副教授 合作導(dǎo)師： 職稱： 完成時(shí)間： 2014 年 月 日 成 績(jī)： 浙江師范大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)正文目 錄摘要1關(guān)鍵詞1英文摘要1英文關(guān)鍵詞11 引言 X2 汽車減振器的國(guó)內(nèi)外狀 X2.1 汽車減振器的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 X 2.2 汽車減振器的國(guó)外現(xiàn)狀 X3 理論基礎(chǔ) X3.1

2、 減振器的概述 X 3.2 減振器相對(duì)阻尼系數(shù)和阻尼系數(shù)的確定 X 3.2.1 懸架彈性特性的選擇 X 3.2.2 相對(duì)阻尼系數(shù)的選擇 X 3.2.3 減振器阻尼系數(shù)的確定 X回收振動(dòng)能量發(fā)電的汽車減振器總體設(shè)計(jì)工學(xué)院、職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院 汽車維修工程教育專業(yè) 孫挺（10520129）指導(dǎo)老師：曹振新（副教授）摘要：減振器是汽車懸架系統(tǒng)中的重要組成部件,工作過(guò)程中通過(guò)液壓油往返流經(jīng)閥體和間隙產(chǎn)生阻尼,吸收汽車在不平路面上行駛產(chǎn)生的振動(dòng)能量,從而衰減車輛的振動(dòng),并將這部分能量以熱的形式耗散掉。液電饋能式減振器采用機(jī)-電-液混合系統(tǒng),通過(guò)單向閥組成的液壓回路將由路面不平引起的車身與道路間的往復(fù)振動(dòng)變

3、成流動(dòng)方向不變的液壓油流動(dòng),由液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,從而將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,可為汽車空調(diào)以及其他電器系統(tǒng)提供電能。本項(xiàng)目通過(guò)建立機(jī)-電-液混合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及仿真,分析機(jī)械能、液能和電能的相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)特性,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展汽車振動(dòng)能量回收模型的研究,液電饋能式減振器的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理研究和原理樣機(jī)的研制。同時(shí)研究基于該種形式減振器所建立的懸架系統(tǒng),對(duì)能量回收利用的程度,以及通過(guò)相關(guān)控制算法實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)主動(dòng)或半主動(dòng)控制的可行性。  關(guān)鍵詞：汽車減振器；回收發(fā)電；振動(dòng)能量The vibration energy recycled for overall design of

4、 automobile shock absorberSun Ting Director:CAO Zhen-xin (Engineering College、Vocational and Technical Education College，Zhejiang Normal University， No.10520129)Abstract：Shock absorber is an important component of the automobile suspension system, in the process of working through the hydraulic oil

5、flows through the body back and forth and damping clearance, to absorb the vibration energy in driving on rough road surface cars, thus attenuation vibration of the vehicle, and this part of the energy in the form of heat dissipation. Liquid can feed type shock absorber using machine - electric - hy

6、draulic hybrid system, through the check valve of hydraulic circuit will be caused by surface uneven body between the road and reciprocating vibration into a flow of hydraulic oil flow direction, driven by hydraulic oil hydraulic motor to drive the generator power, thus the vibration of mechanical e

7、nergy into electrical energy, can provide electricity for automotive air conditioning and other electrical system. This project through the establishment of machine - electric - hydraulic hybrid system dynamics model and simulation, analysis of mechanical energy, fluid dynamic characteristics and po

8、wer transformation, on the basis of the research of automobile vibration energy recovery model, energy conversion mechanism of a liquid feed electricity to shock absorber research and the development of the principle prototype. At the same time, the research on this kind of form of shock absorber of

9、 suspension system, the degree of energy recycling, and suspension system was achieved by relevant control algorithm is active or semi-active control is feasible.Key Words：Automobile shock absorber;Recovery and power generation;The vibration energy1引言2 汽車減振器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀由于我國(guó)轎車減振器的發(fā)展時(shí)間短，起點(diǎn)低，技術(shù)水平落后，

10、因此在國(guó)產(chǎn)中、高級(jí)轎車上還大量使用進(jìn)口減振器。所以，提高我國(guó)懸架減振器的自主研制開(kāi)發(fā)水平，加速我國(guó)懸架減振器的發(fā)展，已經(jīng)成為車輛懸架系統(tǒng)一個(gè)極需解決的重大課題，懸架減振器已列為我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展規(guī)劃中優(yōu)先發(fā)展的重要項(xiàng)目之一。 我國(guó)減振器的發(fā)展同國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家相比還比較落后，大約只相當(dāng)于國(guó)外20世紀(jì)70年代末，80年代初的水平。我國(guó)液壓減振器經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，特別是最近十余年的發(fā)展，通過(guò)CKD（completelyknockdown）的組裝與技術(shù)及設(shè)備的引進(jìn)、消化和吸收獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，有了明顯的進(jìn)步與提高?，F(xiàn)在我國(guó)制定了減振器及其相關(guān)零部件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且許多生產(chǎn)制造企業(yè)也建立了各

11、自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為減振器的設(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)收提供了依據(jù)；為減振器制造各種專用設(shè)備（如在單、雙動(dòng)壽命試驗(yàn)臺(tái)，旋壓封口機(jī)，流量試驗(yàn)臺(tái)，專用焊接設(shè)備，氣密性檢測(cè)設(shè)備，注油機(jī)，清洗機(jī)等）的生產(chǎn)廠家也在不斷出現(xiàn)；同時(shí)為減振器提供各種配套零部件（如粉末冶金件、橡膠件、油封、彈簧、無(wú)油潤(rùn)滑軸承、閥片、減振器油、缸筒等）的生產(chǎn)廠家其設(shè)計(jì)制造水平也在不斷提高。這些都促進(jìn)了我國(guó)減振器行業(yè)整體水平的提高。自20世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)汽車振動(dòng)能量回收懸架進(jìn)行進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，研究從機(jī)械式振動(dòng)能量回收懸架逐步轉(zhuǎn)移到電磁式振動(dòng)能量回收懸架。在國(guó)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目的研究大多仍然停留在仿真及初步試驗(yàn)的階段，盡管也都對(duì)饋能懸架的

12、結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了詳盡的闡述，但實(shí)際研究成果較少。其中，吉林大學(xué)與上海交通人學(xué)對(duì)饋能懸架的可行性分析做了較為深入的探討。上海交通大學(xué)的喻凡、鄭雪春等提出了山滾珠絲桿結(jié)合永磁直流無(wú)刷力矩電機(jī)構(gòu)成的主動(dòng)懸架作動(dòng)器方案，并對(duì)電機(jī)的選用、電機(jī)作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理及具體的系統(tǒng)參數(shù)做了一定的設(shè)計(jì)和探索，試制了電機(jī)作動(dòng)器的功能樣機(jī)，并對(duì)電氣特性和被動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試分析，初步驗(yàn)證了該電機(jī)作動(dòng)器的可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)表明，滾珠絲桿式饋能減振器在低頻大振幅激勵(lì)的情況下表現(xiàn)出良好的懸架特性，但在高頻區(qū)域的表現(xiàn)卻不如被動(dòng)懸架。吉林大學(xué)的王偉華、于長(zhǎng)森等提出了由齒輪齒條機(jī)構(gòu)結(jié)合直流伺服電機(jī)構(gòu)成的主動(dòng)懸架作動(dòng)器方案，并

13、進(jìn)行了仿真分析。目前我國(guó)已經(jīng)能夠生產(chǎn)微型面包車用獨(dú)立懸掛減振器，并且己經(jīng)為部分國(guó)外引進(jìn)轎車配套生產(chǎn)獨(dú)立懸掛減振器；在減振器的基礎(chǔ)理論研究方面國(guó)內(nèi)同樣進(jìn)行了大量的研究工作，有關(guān)主動(dòng)液壓減振器的研究工作也取得了一定的進(jìn)展，已研制出主動(dòng)液壓減振器的試驗(yàn)樣機(jī)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者就開(kāi)始了對(duì)汽車振動(dòng)能量回收懸架的研究，但到目前為止，該技術(shù)沒(méi)有得到商業(yè)應(yīng)用。振動(dòng)能量回收懸架按能量回收裝置分，主要有液壓式振動(dòng)能量回收裝置和電磁式振動(dòng)能量回收裝置兩種；按其工作方式分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架。液壓式振動(dòng)能量回收懸架的響應(yīng)頻率較低，能量回收能力有限，而電磁式振動(dòng)能量回收懸架能量轉(zhuǎn)換方便，且利于存儲(chǔ)和再

14、利用，因此正在成為振動(dòng)能量回收懸架領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前存在的饋能式懸架形式方案中，并沒(méi)有真正能夠應(yīng)用于實(shí)際的有效方案，還處于在理論和試驗(yàn)研究的探索階段。為了能夠使汽車振動(dòng)能量回收的實(shí)際應(yīng)用成為可能，迫切需要一種新型的饋能式減振器系統(tǒng)解決方案。2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀自20世紀(jì)70年代末，學(xué)者們開(kāi)始從理論上分析研究車輛懸架的振動(dòng)能量和回收的可行性。日本公司Nissan開(kāi)發(fā)了一種蓄能式減振器，其性能接近半主動(dòng)懸架。它通過(guò)利用振動(dòng)能量抑制振動(dòng)，但由于具有蓄能功能，因而對(duì)功率的需求大大減少了。該減振器通過(guò)壓力控制閥同小型蓄能器和液壓油缸的結(jié)合，讓蓄能器吸收不平路面的振動(dòng)能量輸入，這樣系統(tǒng)所需流量相對(duì)減少，

15、液壓系統(tǒng)的主動(dòng)阻尼和被動(dòng)阻尼共同實(shí)現(xiàn)幾車身的減振，從而降低能耗。Nakano提出了一個(gè)新的自供電式主動(dòng)控制的概念，研究了載重汽車駕駛室懸架系統(tǒng)，其基本原理是由底盤(pán)前懸架上的電機(jī)作動(dòng)器回收振動(dòng)能量并儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)，以提供座艙后懸架電機(jī)作動(dòng)器進(jìn)行主動(dòng)控制。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，Nakano(2003)又提出僅含單個(gè)直線直流電機(jī)的自供電式主動(dòng)隔振控制系統(tǒng)，將電機(jī)電樞高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的再生能量用于電樞低速運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。Okada則通過(guò)一個(gè)直線直流電機(jī)和雙向電壓變換電路組成的電動(dòng)能量再生阻尼作動(dòng)器來(lái)吸收振動(dòng)。簡(jiǎn)單的臺(tái)架試驗(yàn)證明了該作動(dòng)器能在高速運(yùn)動(dòng)的清況下回收能量。但是該作動(dòng)器在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)并不產(chǎn)生阻尼力，也不再生能

16、量，這樣阻尼器的效率受到影響同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高頻共振干擾。Okada(2002)就針對(duì)這一問(wèn)題在雙向電壓變換電路中引入調(diào)定斬波器，通過(guò)電感的作用，將電流從低反電動(dòng)勢(shì)輸入電壓相對(duì)較高的電池，實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量再生。由于以往的試驗(yàn)僅局限于小質(zhì)量塊系統(tǒng)，Okada在2003年年改用直線交流電機(jī)以便將該類阻尼器用于車輛并實(shí)現(xiàn)車身高度調(diào)節(jié)。20世紀(jì)末期到21世紀(jì)初，美國(guó)德克薩斯大學(xué)在軍用車改裝項(xiàng)目中將電磁式阻尼器安裝在高機(jī)動(dòng)多功能輪式車輛上進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。這一系統(tǒng)將振動(dòng)能量的回收、儲(chǔ)存合電能的管理統(tǒng)一起來(lái)。提高了整車的操控及動(dòng)力性能，減小車輛在粗糙路面上行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力，由此提高車輛的行駛平順性及行駛速

17、度。盡管德克薩斯大學(xué)對(duì)試驗(yàn)所用懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制算法都做了周密的設(shè)計(jì)，但由于該試驗(yàn)主要是改進(jìn)軍用車輛的性能，因此研究得重心在于提高動(dòng)力性和行駛平順性上，而在節(jié)能方面還有有待進(jìn)一步的提高。2004年德國(guó)博士公司宣稱，用直線電機(jī)取代彈簧與減振器，其內(nèi)置纏繞電線的線圈與磁鐵，線圈通電后懸架系統(tǒng)根據(jù)車身和車輪的相對(duì)位置的不同而伸張或收縮，而當(dāng)懸架收縮時(shí)直線電機(jī)猶如一個(gè)發(fā)電機(jī)可以將產(chǎn)生的能量返送給功放器。公司通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)建立的電磁式懸架系統(tǒng)，在利用電磁力和直線電機(jī)抵消道路沖擊的同時(shí)回收部分能量。3 理論基礎(chǔ) 3.1 減振器的概述 為加速車架和車身振動(dòng)的衰減，以改善汽車的行駛

18、平順性，在大多數(shù)汽車的懸架系統(tǒng)內(nèi)都裝有減振器。減振器和彈性元件是并聯(lián)安裝的如圖2-1所示。圖2-1   減振器和彈性元件的安裝示意圖液力減振器的作用原理是：當(dāng)車架與車橋作往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)減振器中的活塞在缸筒內(nèi)也作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減振器殼體內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)一些窄小的孔隙流入另一內(nèi)腔?？妆谂c油液間的摩擦及液體分子內(nèi)的摩擦便形成對(duì)振動(dòng)的阻尼力，使車身和車架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，被油液和減振器殼體所吸收，并散到大氣中。減振器的阻尼力越大，振動(dòng)消除得越快，但卻使并聯(lián)的彈性元件的作用不能充分發(fā)揮，同時(shí)，過(guò)大的阻尼力還可能導(dǎo)致減振器連接零件及車架損壞。為解決彈性元件與

19、減振器之間的這一矛盾，對(duì)減振器提出如下要求： 1在懸架壓縮行程（車橋與車架相互移近的行程）內(nèi)，減振器阻尼力應(yīng)較小，以便充分利用彈性元件的彈性，以緩和沖擊。 2在懸架伸張行程（車橋與車架相對(duì)遠(yuǎn)離的行程）內(nèi)，減振器的阻尼力應(yīng)大，以求迅速減振。 3當(dāng)車橋與車架的相對(duì)速度過(guò)大時(shí)，減振器應(yīng)當(dāng)能自動(dòng)加大液流通道面積，使阻尼力始終保持在一定限度之內(nèi)，以避免承受過(guò)大的沖擊載荷。在壓縮和伸張兩行程內(nèi)均能起減振作用的減振器稱為雙向作用式減振器。另有一種減振器僅在伸張行程內(nèi)起作用，成為單向作用式減振器。3.2 減振器相對(duì)阻尼系數(shù)和阻尼系數(shù)的確定 3.2.1懸架彈性特性的選擇在

20、前輪或后輪上，把前、后輪接地點(diǎn)垂直方向的載荷變化和輪心在垂直方向的位置變化量關(guān)系稱為懸架系統(tǒng)的彈性特性。如圖2-1所示，在任一載荷狀態(tài)下，該點(diǎn)曲線的切線斜率，就是該載荷下的懸架剛度。在滿載狀態(tài)下，彈性特性曲線的切線斜率便是滿載懸架剛度。在滿載載荷下可以確定車輪上、下跳行程，兩者之和稱為車輪行程。圖21  懸架彈性特性設(shè)懸架剛度為k，簧上質(zhì)量為m，則根據(jù)下式可求系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率f： f =車輪上下跳動(dòng)行程的一般范圍是：上跳行程70120mm，下跳動(dòng)行程80120mm。懸架垂直剛度隨車輛參數(shù)而不同，換算成系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率為12Hz 。 由于我設(shè)計(jì)的是轎車減

21、振器，主要是用于城市一些比較好的路面上。所以，轎車在行駛時(shí)路面激起振動(dòng)頻率會(huì)相對(duì)比較高。所以取減振器系統(tǒng)固有頻率f1.5Hz，而m1200kg，則根據(jù)上式k1080023.2.2相對(duì)阻尼系數(shù)y的選擇減振器在卸荷閥打開(kāi)前，減振器中的阻力F與減振器振動(dòng)速度v之間有如下關(guān)系F=dv (2.1) 式中，d為減振器阻尼系數(shù)。圖21b示出減振器的阻力速度特性圖。該圖具有如下特點(diǎn)：阻力速度特性由四段近似直線線段組成，其中壓縮行程和伸張行程的阻力速度特性各占兩段；各段特性線的斜率是減振器的阻尼系數(shù)F/v=d，所以減振器有四個(gè)阻尼系數(shù)。在沒(méi)有特別指明時(shí)，減振器的阻尼系數(shù)是指卸荷閥開(kāi)啟前的阻尼

22、系數(shù)而言。通常壓縮行程的阻尼系數(shù)與伸張行程的阻尼系數(shù)不等。汽車懸架有阻尼以后，簧上質(zhì)量的振動(dòng)是周期衰減振動(dòng)，用相對(duì)阻尼系數(shù)y的大小來(lái)評(píng)定振動(dòng)衰減的快慢程度。y的表達(dá)式為 (2.2) 式中，c為懸架系統(tǒng)垂直剛度；sm為簧上質(zhì)量。 式(22)表明，相對(duì)阻尼系數(shù)y的物理意義是：減振器的阻尼作用在與不同剛度c和不同簧上質(zhì)量的懸架系統(tǒng)匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果。y值大，振動(dòng)能迅速衰減，同時(shí)又能將較大的路面沖擊力傳到車身；y值小則反之。通常情況下，將壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)取得小些，伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)取得大些。兩者之間保持(0.250.50) 的關(guān)系。設(shè)計(jì)時(shí)，先選取與的平均值y。對(duì)于無(wú)內(nèi)摩擦的彈性

23、元件懸架，取y0.250.35；對(duì)于有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，y值取小些。對(duì)于行駛路面條件較差的汽車，y值應(yīng)取大些，一般取0.3；為避免懸架碰撞車架，取0.5S。 根據(jù)以上所述：取0.36 y0.50.5×0.360.18 yy0.273.2.3減振器阻尼系數(shù)的確定 減振器阻尼系數(shù)=因懸架系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率=，所以理論上=。實(shí)際上應(yīng)根據(jù)減振器的布置特點(diǎn)確定減振器的阻尼系數(shù)。例如，當(dāng)減振器如圖22a、b、c三種安裝時(shí)，我選擇了如圖213b所示安裝。減振器阻尼系數(shù)用下式計(jì)算圖22 減振器安裝位置22b所示安裝時(shí)，減振器的阻尼系數(shù)占用下式計(jì)算 (2.3) 式中，a為減振器軸線與鉛垂線之間的夾角

24、。 然而， = yy0.27 阻尼系數(shù)：伸張阻尼系數(shù)：減振器作為懸架系統(tǒng)中的重要組成部分，其從原理設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用需要經(jīng)過(guò)大量的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。本文所研究的液電饋能式減振器需要在保證懸架特性的前提下，能夠盡可能的回收振動(dòng)能量，達(dá)到改善行駛舒適性和節(jié)能的目的。回收振動(dòng)能量發(fā)電的饋能式減振器設(shè)計(jì)采用機(jī)-電-液混合系統(tǒng)，通過(guò)單向閥組成的液壓回路將由路面不平引起的車身與道路間的往復(fù)振動(dòng)變成流動(dòng)方向不變的液壓油流動(dòng)，由液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，原理如圖1所示。該減振器包括活塞減振部分，閥路部分和發(fā)電部分，所述的活塞減振部分由液壓缸 (1)和活塞 (2) 組成

25、，所述發(fā)電部分包括液壓馬達(dá) (13) 和發(fā)電機(jī) (16)，車輛減振時(shí)推動(dòng)活塞在液壓缸 (1) 中上下運(yùn)動(dòng)，將液壓缸 (1)中的液壓油從液壓缸 (1) 的上腔或下腔的出口壓出，經(jīng)所述閥路部分后推動(dòng)液壓馬達(dá) (13) 帶動(dòng)發(fā)電機(jī) (16) 發(fā)電。本項(xiàng)目通過(guò)建立機(jī)-電-液混合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及仿真，分析機(jī)械能、液能和電能的相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)特性，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展汽車振動(dòng)能量回收模型的研究，液電饋能式減振器的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理研究和原理樣機(jī)的研制。1.液壓缸 2.活塞 3,4,5,6,7,8.三通閥 9,10,11,12.單向閥13.液壓馬達(dá) 14. 儲(chǔ)能器 15.油箱 16.發(fā)電機(jī)圖1 回收振動(dòng)能量發(fā)電的汽車減振

26、器原理圖 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)：1. 開(kāi)發(fā)機(jī)-電-液混合系統(tǒng)的車用饋能式減振器原理和控制策略針對(duì)現(xiàn)有饋能式懸架形式的缺陷建立了機(jī)-電-液混合系統(tǒng)的車用饋能式減振器原理，這種方案通過(guò)靈活的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)能有效提高饋能效率；建立了減振器動(dòng)力學(xué)模型，提出隨動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)發(fā)電機(jī)負(fù)載控制減振器阻尼力控制機(jī)理；建立了阻尼力控制理論模型，在實(shí)現(xiàn)在能量回收的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減振器阻尼力的主動(dòng)控制或半主動(dòng)控制。2. 建立液電饋能式減振器仿真模型與樣機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)基于AME-Sim仿真軟件建立液電饋能式減振器仿真模型，通過(guò)仿真試驗(yàn)觀察其工作特點(diǎn)，分析其性能特性，并借助仿真試驗(yàn)確定原理樣機(jī)中各關(guān)鍵零部件的參數(shù)；提出了饋能減振器參數(shù)

27、設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了各關(guān)鍵零部件總成參數(shù)設(shè)置參考仿真模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化匹配；回收的電能采用蓄電池與超級(jí)電容的復(fù)合電源進(jìn)行整流利用，進(jìn)而提高系統(tǒng)的蓄能效率。3. 開(kāi)發(fā)了液電饋能式減振器原理樣機(jī)綜合測(cè)試和試驗(yàn)分析搭建原理樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的可視化減振器工作狀態(tài)和發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)液電饋能式減振器仿真和臺(tái)架試驗(yàn)，采集了饋能減振器振動(dòng)幅頻特性和發(fā)電特性數(shù)據(jù)；進(jìn)行原理樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，詳細(xì)了解液電饋能式減振器的實(shí)際工作特性，將臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)會(huì)對(duì)減振器性能造成影響的結(jié)構(gòu)、分析其原因并加以改進(jìn)。四、項(xiàng)目實(shí)施方案、技術(shù)路線、組織方式與課題分解。項(xiàng)目采

28、用理論研究和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)汽車減振器能量回收裝置的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展研究。利用機(jī)、電、液的專業(yè)知識(shí)，對(duì)振動(dòng)能量發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究，通過(guò)發(fā)電機(jī)的特性和原理樣機(jī)的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析該減振器的發(fā)電特性，以對(duì)振動(dòng)發(fā)電能力進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用發(fā)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的阻尼作用替代傳統(tǒng)減振器的阻尼，通過(guò)液壓整流橋?qū)⒒奢d質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。擬采取的技術(shù)如圖3所示。懸架系統(tǒng)仿真液電饋能式減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓動(dòng)力回路仿真輸出能量后處理方法研究樣機(jī)試制樣機(jī)試驗(yàn)阻尼特性分析能量回收效率分析驗(yàn)證該方案的原理可行性，與傳統(tǒng)減振器的性能比較，并提出改進(jìn)方案圖3 液電

29、饋能式減振器研究技術(shù)路線圖1. 液電饋能式減振器動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模及阻尼力控制機(jī)理 由于在液電饋能式減振器系統(tǒng)中，活塞阻尼力的可調(diào)部分取決于發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，但是發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的阻力并不是直接作用于活塞，處在活塞與發(fā)電機(jī)之間的液壓馬達(dá)起到了傳遞力的作用，間接的使發(fā)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)阻力影響表現(xiàn)為作用于活塞上的阻尼力大小。在這個(gè)力的傳遞過(guò)程中所遵循的基本規(guī)律即是液電饋能式減振器的動(dòng)力學(xué)特性，可分別建立功率平衡方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程。由于液壓馬達(dá)與發(fā)電機(jī)由聯(lián)軸器固態(tài)連接，則功率平衡方程為： （1）將公式（1）兩邊同時(shí)除以角速度，可得到轉(zhuǎn)矩平衡方程： （2）其中P1為液壓馬達(dá)輸出功率，T1為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩，n為液

30、壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，Pem為直流發(fā)電機(jī)的電磁功率，P0為發(fā)電機(jī)空載就存在的損耗，Tem為發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩，T0發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩，CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為磁通，為液壓馬達(dá)總效率，v為液壓馬達(dá)容積效率。進(jìn)一步推導(dǎo)可得轉(zhuǎn)矩陣平衡方程式： (3)根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程（3）可知，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流Ia與液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力差Pm線性相關(guān)，液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平衡取決于這兩個(gè)關(guān)鍵因索。當(dāng)減振器系統(tǒng)需要改變其阻尼系數(shù)時(shí)，可通過(guò)控制發(fā)電機(jī)負(fù)載，即前文提出的恒電流控制方法，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載電流Ia。當(dāng)Ia增大時(shí)，減振器阻尼系數(shù)相應(yīng)增大，但阻尼系數(shù)增加或減少的范圍受限于液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力的可調(diào)節(jié)性。液電饋能式減振器是一種比較適合于半主動(dòng)

31、懸架控制。通過(guò)改變發(fā)電機(jī)負(fù)載調(diào)節(jié)整體的阻尼力，實(shí)現(xiàn)懸架粘性阻尼因子的可調(diào)，在車橋與車架的相對(duì)速度過(guò)大時(shí)，則可通過(guò)蓄能器調(diào)節(jié)，使阻尼力保持在一定限度以內(nèi)，以避免過(guò)大的沖擊載荷。通過(guò)建立液電饋能式懸架系統(tǒng)模型，得到該減振器半主動(dòng)控制時(shí)阻尼力控制模型。2. 饋能式減振器仿真優(yōu)化研究和樣機(jī)設(shè)計(jì)制造 根據(jù)液電饋能式減振器的基本原理，擬對(duì)其進(jìn)行虛擬建模仿真研究，由于該減振器涉及機(jī)械、液力傳動(dòng)、電力電子多種學(xué)科，故選用跨學(xué)科仿真軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，并通過(guò)分析仿真結(jié)果優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。將仿真模型中各零部件的參數(shù)設(shè)置作為選取原理樣機(jī)模型零部件的依據(jù)。AME-Sim（Advanced Modeling and Si

32、mulation Environment for Systems Engineering）是世界著名的工程系統(tǒng)高級(jí)建模與仿真平臺(tái)，它提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，使得用戶可以在單一的平臺(tái)上建立復(fù)雜的一維多學(xué)科領(lǐng)域的機(jī)電液一體化系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析。工程師在一個(gè)基于工程應(yīng)用的友好環(huán)境下可研究任何元件或者系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。而的圖形化用戶界面使得用戶可以在完整的應(yīng)用模型庫(kù)中選擇需要的模塊來(lái)構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的模型。建模仿真過(guò)程分為四個(gè)步驟：構(gòu)建方案的模型、選擇模型復(fù)雜程度、設(shè)定模型的參數(shù)和仿真計(jì)算分析。各關(guān)鍵零部件總成參數(shù)設(shè)置參考仿真模型數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，液電饋能式減振器各

33、零部件參數(shù)的計(jì)算流程如圖4所示。原理樣機(jī)的各個(gè)零部件應(yīng)在考慮時(shí)間因素和成本因素的前提下，盡可能選擇市場(chǎng)上成熟的零配件搭建。一些機(jī)械結(jié)構(gòu)件、非標(biāo)準(zhǔn)件采用自行設(shè)計(jì)，委托加工單位代工的方式進(jìn)行加工制造?？紤]到減振器位于車輛底盤(pán)，裝配空間有限。通過(guò)比較選擇體積小、重量輕、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大的永磁直流無(wú)刷發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)控制端則直接采用成熟的電子負(fù)載產(chǎn)品，這樣有利于保證產(chǎn)品的可靠性，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。液壓馬達(dá)的選擇主要考慮到國(guó)標(biāo)減振器臺(tái)架試驗(yàn)中的激勵(lì)要求，選擇了排量與之適應(yīng)的內(nèi)嚙合齒輪馬達(dá)，這種馬達(dá)具有體積小、效率高、噪音低等特點(diǎn)，比較適合液電饋能式減振器對(duì)液壓馬達(dá)的要求。蓄能器選擇了市場(chǎng)上最常

34、見(jiàn)的皮囊式蓄能器。原理樣機(jī)中使用的液壓缸就是在口徑、行程的標(biāo)準(zhǔn)普通油缸上加以改造而成，具體方法就是在上下腔各增加一個(gè)油口，并替換活塞密封圈使之可承受高頻運(yùn)動(dòng)。由于液電饋能式減振器對(duì)單向閥技術(shù)參數(shù)的特殊要求，單向閥需定制才能滿足要求。根據(jù)估算流量選擇液壓馬達(dá)流量確定活塞直徑參考馬達(dá)轉(zhuǎn)速為發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，選擇此轉(zhuǎn)速下效率較高的發(fā)電機(jī)根據(jù)激勵(lì)信號(hào)確定流量根據(jù)高壓端單向閥壓力估計(jì)蓄能器參數(shù)驗(yàn)證運(yùn)算預(yù)運(yùn)算根據(jù)阻尼力值調(diào)節(jié)阻尼孔孔徑根據(jù)液壓馬達(dá)進(jìn)口端壓力、流量曲線修正蓄能器參數(shù)圖4 液電饋能減振器參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖3. 振動(dòng)能量回收電能的控制策略和軟硬件電路設(shè)計(jì) 液電饋能式減振器的電機(jī)產(chǎn)生的交流電壓波動(dòng)比較大

35、，需要對(duì)該電壓進(jìn)行整流和濾波。從電路設(shè)計(jì)方面考慮：液電饋能式減振器發(fā)電產(chǎn)生的三相交流電在由電機(jī)內(nèi)部自帶的整流器整流后輸出脈動(dòng)的直流電壓，經(jīng)由LC-型濾波電路使得脈動(dòng)的直流電壓穩(wěn)定輸出。為了避免蓄電池以較大的瞬間峰值電流充放電，擬采用蓄電池與超級(jí)電容的復(fù)合電源，進(jìn)而提高系統(tǒng)的蓄能效率。饋能回收充電電路設(shè)計(jì)的工作原理為：車體振動(dòng)速度的不斷變化使得永磁無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速不恒定，發(fā)出的變化交流電經(jīng)過(guò)電機(jī)內(nèi)部整流器整流濾波后變成幅值不斷變化的直流電，然后通過(guò)穩(wěn)壓輸出電壓幅值穩(wěn)定的直流電，即輸出的充電電壓不隨外界條件變化而變化，然后對(duì)超級(jí)電容組和蓄電池的復(fù)合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電。饋能裝置能量回收系統(tǒng)的硬件電路

36、的總體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，它包括穩(wěn)壓輸出電路、超級(jí)電容組、升壓輸出電路和恒流恒壓充電電路等部分組成。永磁無(wú)刷直流電機(jī)穩(wěn)壓輸出電路超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊蓄電池和車用電器升壓電路恒流恒壓電路圖5 能量回收系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)流程 參考文獻(xiàn)：1 Nankano Kimihiko, Suda Yoshihiro. Self-power active control applied to a truck cab suspension. International Journal of Mechanical Systems, 2000,43(3):726-731 2 Okada Yohji, Kim Sang. Energy regenerative and active control suspensio