汽車(chē)減震器能量回收裝置設(shè)計(jì)概要

目錄1緒論 11.1能量回收裝置簡(jiǎn)介 11.2研究的背景及意義 11.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 21.3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì) 22理論基礎(chǔ) 32.1減震器 32.2電磁發(fā)電技術(shù) 42.2.1法拉第電磁感應(yīng)定律 42.2.2電磁感應(yīng)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu) 42.3壓電發(fā)電技術(shù) 52.3.1壓電材料 52.3.2壓電效應(yīng) 53基于壓電疊堆儲(chǔ)能的新式能量回收裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理 73.1壓電疊堆發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu) 73.2能量回收裝置的工作原理 74能量回收裝置的等效模型分析 84.1模型假設(shè) 84.2等效模型 84.3發(fā)電裝置的性能分析 84.4油壓頻率f對(duì)回收裝置輸出特性的影響 94.5壓電疊堆長(zhǎng)度對(duì)輸出特性的影響 94.6壓電疊堆截面面積S對(duì)輸出特性的影響 104.7本章小結(jié) 115能量回收裝置輸出電路 116結(jié)論與展望 12參考文獻(xiàn) 13汽車(chē)減震器能量回收裝置設(shè)計(jì)摘要：傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架以及半主動(dòng)懸架只能起到加速車(chē)架和車(chē)身震動(dòng)的衰減作用，而起不到對(duì)振動(dòng)能量回收的作用。當(dāng)汽車(chē)對(duì)減震器施加力時(shí)，減震器孔壁與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(chē)身和車(chē)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，這一部分能量被白白浪費(fèi)掉。設(shè)計(jì)一種能量回收裝置，能量回收裝備將減震器內(nèi)部的部分壓力能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)。通過(guò)查閱大量關(guān)于能源轉(zhuǎn)化的資料，并對(duì)各種能量回收方案進(jìn)行比較，最終確定用壓電疊堆能量回收的裝置對(duì)減震器內(nèi)部的壓力能進(jìn)行回收。本文主要對(duì)壓電能量回收裝置的工作原理、理論設(shè)計(jì)、及數(shù)學(xué)模型的分析進(jìn)行概述。關(guān)鍵詞：能量回收；儲(chǔ)存；壓電疊堆1緒論1.1能量回收裝置簡(jiǎn)介目前，大多數(shù)的混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)都配有制動(dòng)能量回收裝置，該裝置有推廣到非混合動(dòng)力車(chē)的趨勢(shì)，國(guó)際汽聯(lián)也希望通過(guò)KERS系統(tǒng)在F1中的推廣，樹(shù)立環(huán)保先鋒的形象。制動(dòng)能量的回收通常有兩種途徑，一是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪儲(chǔ)存能量，二是車(chē)輪在制動(dòng)時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存于電池組中。制動(dòng)產(chǎn)生的額外能量可以回收，那么汽車(chē)行駛中產(chǎn)生的其它能量也可以回收。減震器是懸架的重要組成部分，懸架的好壞關(guān)系到汽車(chē)的舒適性。在能源短缺的今天，節(jié)能減排越來(lái)越受到人們的重視。消費(fèi)者在選擇汽車(chē)時(shí)，在考慮動(dòng)力性、舒適性、美觀的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性也是一個(gè)重要的原因。減震器能量回收裝置，能夠回收減震器在伸張、壓縮行程產(chǎn)生的能量，通過(guò)壓電能量回收原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)存于蓄電池之中，為其他用電設(shè)備供電。1.2研究的背景及意義從汽車(chē)發(fā)明以來(lái)，汽車(chē)工業(yè)帶動(dòng)了各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但在其發(fā)展過(guò)程中，一系列的問(wèn)題不斷出現(xiàn)。能源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖成為各個(gè)國(guó)家面臨的共同挑戰(zhàn)。如何采用新的技術(shù)創(chuàng)造出一種新型的汽車(chē)成為各國(guó)企業(yè)不斷攻克的難題。當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)普遍采用的是普通的液力減震器。由于傳統(tǒng)的減震器只起到緩解汽車(chē)振動(dòng)的作用，并不能回收汽車(chē)在振動(dòng)過(guò)程中的能量，這就造成了能量的浪費(fèi)。眾所周知，在經(jīng)過(guò)不平的路面時(shí)，汽車(chē)車(chē)身會(huì)發(fā)生振動(dòng)，并且路面越不平穩(wěn)，汽車(chē)振動(dòng)的越厲害。通常情況下，振動(dòng)的能量會(huì)以減震器內(nèi)部機(jī)油摩擦生熱而損耗，如果能將汽車(chē)振動(dòng)作用在減震器上的能量加以回收再利用，為汽車(chē)的其他電器提供能量，已達(dá)到節(jié)能的目的。外國(guó)學(xué)者Browne.A和Hamburg.J在1986年就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一輛轎車(chē)以13.4m/s(30mph)的速度在相對(duì)不平整的路面上行駛時(shí)，每個(gè)減振器的能耗功率較高，具有能量回收的意義，減振器耗能的多少主要與路面不平度、車(chē)速及汽車(chē)質(zhì)量相關(guān)。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1.3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀早在上世紀(jì)90年代，國(guó)外許多著名的專(zhuān)家學(xué)者就開(kāi)始對(duì)能量可回收的減震器進(jìn)行研究。雖然已經(jīng)研究出相關(guān)的成果，但是這些成果還不成熟，還不能滿足目前商業(yè)化的要求，不能推向市場(chǎng)。美國(guó)塔夫斯大學(xué)的科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)一種能夠回收能量的減震器，它可以通過(guò)減震器筒內(nèi)的線圈與磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能并向電池組充電。該系統(tǒng)可以與其它能量采集或再生裝置配合使用，如制動(dòng)力回收系統(tǒng)和太陽(yáng)能電池板等，共同提高車(chē)輛的能效。該技術(shù)的研發(fā)由塔夫斯大學(xué)工程學(xué)院名譽(yù)教授RonaldGoldner及其同事PeterZerigian牽頭，研發(fā)過(guò)程得到了美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）的支持，能量回收減震器有望于年內(nèi)在一批電動(dòng)貨運(yùn)車(chē)上試用。Wendel提出了將能量再生系統(tǒng)運(yùn)用于車(chē)輛懸架系統(tǒng)，并且討論了可能的實(shí)現(xiàn)方案。Saito研究了將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)于蓄電池的方法。Hsu通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)車(chē)輛在高速道路上以96km/h車(chē)速行駛時(shí)，平均每車(chē)輪上實(shí)際可回收100W的振動(dòng)能量，相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)GMImpact（Wyczalek，1991）行駛所需能量的5%。Harada等人利用直線直流電機(jī)作為一個(gè)阻尼器，再生了汽車(chē)的振動(dòng)能量。Kim和Okada利用脈寬調(diào)節(jié)升壓斬波器實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)在低速中將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在電容器中，提高了振動(dòng)能量再生效率。1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)公開(kāi)了一種回收懸掛減震器能量為新能源汽車(chē)充電的發(fā)電裝置，涉及新能源汽車(chē)領(lǐng)域，該發(fā)電裝置安裝在汽車(chē)的減震器內(nèi)，包括隨汽車(chē)顛簸振動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠、發(fā)電機(jī)、與滾珠絲杠下部相連隨滾珠絲杠上下運(yùn)動(dòng)的阻尼活塞組件、以及固定在減震器外殼內(nèi)底部且與滾珠絲杠底部相連的絲杠導(dǎo)向軸套。上述發(fā)明在不增加能源消耗的基礎(chǔ)上，將車(chē)輛行駛過(guò)程的閑置機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，使新能源汽車(chē)在行車(chē)過(guò)程中能夠隨時(shí)持續(xù)充電，延長(zhǎng)新能源汽車(chē)到站充電的行駛里程，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，同時(shí)為新能源汽車(chē)的進(jìn)一步普及創(chuàng)造了條件。目前，國(guó)內(nèi)從事減震器能量回收研究的專(zhuān)家相對(duì)還比較少。大多都停留在理論分析的階段，進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)的研究成果比較少。何仁教授針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)方案，對(duì)饋能懸架的工作原理及其評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。吉林大學(xué)于長(zhǎng)淼運(yùn)用CARSIM及MATLAB/SIMULINK等仿真軟件，分析了電磁饋能懸架的節(jié)能情況，結(jié)果表明電磁饋能懸架能夠在一定程度上回收振動(dòng)能量。西安理工大學(xué)的陳宏偉等基于節(jié)能與主動(dòng)控制的考慮，提出了一種節(jié)能主動(dòng)懸架系統(tǒng)，利用無(wú)刷永磁直線電機(jī)作動(dòng)器作為主動(dòng)懸架的作動(dòng)器，設(shè)計(jì)了這種懸架的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)車(chē)輛行駛路面不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)能量的回收利用，當(dāng)執(zhí)行器速度與電磁力同向時(shí)，執(zhí)行器處于電動(dòng)狀態(tài)，為懸架提供一個(gè)主動(dòng)力；當(dāng)速度和電磁力反向時(shí)，執(zhí)行器處于發(fā)電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量回收，并以SUV車(chē)輛懸架進(jìn)行了仿真分析。2理論基礎(chǔ)2.1減震器為加速車(chē)架和車(chē)身振動(dòng)的衰減，以改善汽車(chē)的行駛平順性，在大多數(shù)汽車(chē)的懸架系統(tǒng)內(nèi)都裝有減震器。減震器和彈性元件是并聯(lián)安裝的如圖2-1所示。圖2-1減震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(chē)架與車(chē)橋作往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(chē)身和車(chē)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。減震器的阻尼力越大，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)致減震器連接零件及車(chē)架損壞。為解決彈性元件與減震器之間的這一矛盾，對(duì)減震器提出如下要求：在懸架壓縮行程（車(chē)橋與車(chē)架相互移近的行程）內(nèi)，減震器阻尼力應(yīng)較小，以便充分利用彈性元件的彈性，以緩和沖擊。在懸架伸張行程（車(chē)橋與車(chē)架相對(duì)遠(yuǎn)離的行程）內(nèi)，減震器的阻尼力應(yīng)大，以求迅速減振。當(dāng)車(chē)橋與車(chē)架的相對(duì)速度過(guò)大時(shí)，減震器應(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震器稱(chēng)為雙向作用式減震器。另有一種減震器僅在伸張行程內(nèi)起作用，成為單向作用式減震器[1]。2.2電磁發(fā)電技術(shù)2.2.1法拉第電磁感應(yīng)定律1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)后，人們便努力嘗試尋找它的逆效應(yīng)，提出了磁能否產(chǎn)生電，磁能否對(duì)電作用的問(wèn)題。在這之后大約十年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼現(xiàn)象，這兩種電磁現(xiàn)象是人們那時(shí)發(fā)現(xiàn)最早的電磁現(xiàn)象，但并沒(méi)有人從理論上對(duì)其進(jìn)行解釋或描述，也沒(méi)有人對(duì)其產(chǎn)生質(zhì)疑。直到1831年8月，法拉第在同一個(gè)軟鐵環(huán)兩側(cè)分別繞制兩個(gè)線圈，使其成為閉合回路，在導(dǎo)線下端附近平行放置一磁針，另一線圈與電池組相連。在接通開(kāi)關(guān)后，線圈中就形成了閉合回路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合上開(kāi)關(guān)的瞬間，磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而在切斷開(kāi)關(guān)時(shí)，磁針會(huì)向相反的方向偏轉(zhuǎn)，這表明在另一個(gè)線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流[2]。法拉第立即意識(shí)到，這是一種非恒定的暫態(tài)相應(yīng)。緊接著他做了將近上百次實(shí)驗(yàn)，把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形概括為5類(lèi)：變化的電流，變化的磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的恒定電流，運(yùn)動(dòng)的磁鐵，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，并把這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)，并于之后給出了電磁感應(yīng)的完整定義及量化公式。閉合電路中的的導(dǎo)體在切割磁感線時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生電流，人們把這種現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象，人們把導(dǎo)體中產(chǎn)生的電流、電動(dòng)勢(shì)，分別成為感應(yīng)電流、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。法拉第電磁感應(yīng)定律可以描述為：當(dāng)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，閉合電路中就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，并且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)該電路的磁通的變化率成正比。如式2-1所示。 (2-1)2.2.2電磁感應(yīng)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)電磁感應(yīng)發(fā)電原理結(jié)構(gòu)如圖2-2所示圖2-2電磁感應(yīng)原理2.3壓電發(fā)電技術(shù)2.3.1壓電材料壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。1880年，法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。隨即，居里兄弟又發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，即在外電場(chǎng)作用下壓電體會(huì)產(chǎn)生形變。壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對(duì)稱(chēng)性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷。反之，壓電材料在電場(chǎng)中發(fā)生極化時(shí)，會(huì)因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形[3]。2.3.2壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)可分為逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)。所謂的正壓電效應(yīng)，如圖2-3所示，當(dāng)對(duì)被極化的晶體施加外力時(shí)，晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，同時(shí)在被施加外力的表面積聚極性相反的電荷；而當(dāng)所施加的外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)施加外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也會(huì)隨之改變；晶體受力形變所產(chǎn)生的電荷量與施加的外力的大小成正比。我們經(jīng)常利用正壓電效應(yīng)原理制作壓電式傳感器。逆壓電效應(yīng)又被稱(chēng)作是電致伸縮效應(yīng)，如圖2-4，即當(dāng)對(duì)被極化的晶體兩個(gè)表面施加交變電場(chǎng)引起晶體周期性機(jī)械變形的現(xiàn)象。圖2-3正壓電效應(yīng)圖2-4逆壓電效應(yīng)2.3.3壓電發(fā)電裝置基本模型圖2-5（a）模式和（b）模式是壓電發(fā)電裝置的兩個(gè)機(jī)電耦合模式。在（a）型的機(jī)電耦合模式中，耦合產(chǎn)生的電場(chǎng)方向和應(yīng)力對(duì)壓電體的方向是相同的，如圖2-5(a)所示。在(b)型機(jī)電耦合模式中，所產(chǎn)生的應(yīng)力方向和電場(chǎng)方向是相互垂直的，如圖2-5(b)所示。圖2-5壓電材料機(jī)電轉(zhuǎn)換類(lèi)型3基于壓電疊堆儲(chǔ)能的新式能量回收裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理3.1壓電疊堆發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)壓電疊堆發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，整個(gè)裝置由連接桿、預(yù)壓彈簧、調(diào)整螺母、連接螺母、壓電疊堆、力傳感器、球鉸、激振桿等組成[4]。圖3-1壓電疊堆發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)1.連接螺母2.壓電疊堆3.力傳感器4.球鉸5.激振桿6.激振力7.調(diào)節(jié)螺母8.預(yù)壓彈簧9.連接桿將壓電發(fā)電裝置安置在特殊設(shè)計(jì)的減震器中，減震器具體結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，圖3-2能量回收減震器3.2能量回收裝置的工作原理汽車(chē)在經(jīng)過(guò)不平路面時(shí)，車(chē)身會(huì)上下振動(dòng)，為加速車(chē)身的振動(dòng)的衰減，以改善汽車(chē)的行駛平順性，在轎車(chē)上一般都安裝有汽車(chē)減震器。液力減震器在衰減汽車(chē)振動(dòng)時(shí)，減震器活塞在缸筒內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)對(duì)液壓油產(chǎn)生壓力，壓力疊堆發(fā)電裝置在接受油壓之后，經(jīng)壓力傳感器傳給壓力堆疊，壓力疊堆變性后產(chǎn)生電荷輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能[6]。4能量回收裝置的等效模型分析4.1模型假設(shè)1.忽略壓電疊堆漏電電流的影響。2.各壓電陶瓷片之間是理想黏結(jié)的。3.壓電疊堆受到恒定壓力作用產(chǎn)生的電荷由于收到疊堆內(nèi)部電場(chǎng)的束縛無(wú)法形成電流。4.2等效模型根據(jù)模型假設(shè)和圖3-1所示結(jié)構(gòu)，將發(fā)電裝置等效為由壓電疊堆和減震器內(nèi)油壓組成的系統(tǒng)，如圖4-1所示[7]。圖4-1壓電發(fā)電裝置等效模型圖根據(jù)壓電疊堆的極化方向，可將壓電疊堆方程簡(jiǎn)化為(4-1)(4-2)式中，E、S分別為軸向電場(chǎng)強(qiáng)度和電位移；d為恒定電場(chǎng)下的柔性系數(shù)；為介電常數(shù)；D、T分別為軸向應(yīng)變和應(yīng)力。4.3發(fā)電裝置的性能分析下面將討論疊堆長(zhǎng)度L、外力幅值F、與頻率F、截面面積S和系統(tǒng)阻尼系數(shù)等對(duì)輸出性能的影響。壓電疊堆參數(shù)如表4-2所示[8]。表4-2壓電疊堆結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)材料參數(shù)長(zhǎng)度L(mm)40壓電常數(shù)（m/V）700截面積S（mm2）110彈性柔性系數(shù)（m2/N）1.38厚度Tp(mm)0.188密度（Kg/m）7.5壓電片數(shù)目n160相對(duì)介電常數(shù)7304.4油壓頻率f對(duì)回收裝置輸出特性的影響圖4-3所示為激振桿質(zhì)量分別為25g、20g、17.84g、15g和10g,激振力幅值F為1500N時(shí),電流、壓電疊堆輸出電壓隨激振力頻率f的變化情況。由圖4-3可知,隨著激勵(lì)桿質(zhì)量的增大,電流、壓電疊堆產(chǎn)生的輸出電壓均減小。除此之外,當(dāng)壓電疊堆一階固有頻率與激振力頻率一致時(shí),壓電疊堆處于諧振狀態(tài),壓電疊堆輸出電壓和電流達(dá)到最大,并且壓電疊堆振動(dòng)位移幅值、應(yīng)變和應(yīng)力也圖4-3輸出電壓、電流隨壓力頻率的變化圖4.5壓電疊堆長(zhǎng)度對(duì)輸出特性的影響下面將討論壓電疊堆長(zhǎng)度對(duì)輸出特性的影響。如下圖4-4所示是m=17.84g,f=1650Hz,F=1500N時(shí)電流、壓電疊堆輸出電壓隨壓電疊堆長(zhǎng)度的變化情況。當(dāng)壓電疊堆的振動(dòng)位移達(dá)到最大時(shí),其輸出電壓、電流也達(dá)到最大。由圖4-4可見(jiàn),當(dāng)壓電疊堆長(zhǎng)度正好滿足壓電疊堆的諧振頻率方程時(shí),壓電疊堆處于諧振狀態(tài)[10]。圖4-4壓電疊堆長(zhǎng)度對(duì)輸出電流、電壓的影響圖4.6壓電疊堆截面面積S對(duì)輸出特性的影響如下圖4-5所示是激勵(lì)桿質(zhì)量為m=15g,F=1500N,頻率f=1650Hz時(shí)壓電疊堆輸出電流、電壓隨壓電疊堆截面面積的變化情況。由下圖4-5可見(jiàn),當(dāng)壓電疊堆的截面面積增大到使壓電疊堆產(chǎn)生諧振時(shí),其輸出電壓、電流達(dá)到最大[11]圖4-5壓電疊堆截面面積S對(duì)輸出特性的影響4.7本章小結(jié)1.當(dāng)激振力頻率一定時(shí)，激振力越大，發(fā)電特性越好。在激振力頻率與裝置的諧振頻率一致的情況下，電流、電壓達(dá)到最大。2．在激振力頻率一定的情況下,壓電疊堆的長(zhǎng)度、截面面積和彈性柔性系數(shù)都有一個(gè)最佳值。通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)，使該值剛好滿足壓電疊堆的頻率方程,并且使壓電疊堆處于諧振狀態(tài),在這種情況下壓電疊堆的發(fā)電能力達(dá)到最大。3.選用高壓電常數(shù)的壓電陶瓷能夠提高發(fā)電輸出特性[12]。5能量回收裝置輸出電路能量回收電路由三部分組成，包括接口電路、壓電換能器和電源管理模塊。電源管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，為整個(gè)電路提供控制?；厥针娐方Y(jié)構(gòu)的原理如圖5-1所示。回收電路由脈沖充電單元和濾波整流單元組成。整流部分的作用是將壓電能量單元中壓電片受壓變形后產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)筆成直流電。整流部分和脈沖充電單元分別由濾波電容、整流橋和充電電容、場(chǎng)效應(yīng)管、低功耗的電壓比較器組成。通過(guò)采用脈沖充電的方式，可已經(jīng)接口電路的輸出功率穩(wěn)定在最優(yōu)負(fù)載輸出功率的55%左右[13]。圖5-1脈沖充電方式的接口電路通過(guò)結(jié)合發(fā)電裝置和回收電路之后，理論上當(dāng)壓電片受到的壓力為1500N時(shí)回收的功率約為100mW。最終將通過(guò)壓電換能器轉(zhuǎn)換的電能儲(chǔ)存在電容C1中。在附圖5-4所示的能量回收控制單元中，電源管理模塊是該單元的一個(gè)重要組成部分，它主要包括一個(gè)低功耗的電壓比較器U5、一個(gè)低功耗的交流-直流轉(zhuǎn)換器U3，一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q3[14]。電源管理模塊有如下的工作原理：閥值開(kāi)關(guān)電路由場(chǎng)效應(yīng)管Q3與電壓比較器配合組成，電壓比較器將超級(jí)電容C1的電壓和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，當(dāng)電容電壓大于預(yù)設(shè)值時(shí)，電壓比較器發(fā)出信號(hào)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)Q3,這時(shí)超級(jí)電容中儲(chǔ)存的電能通過(guò)MAX1724轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成14V電壓，給蓄電池充電，這樣就完成了儲(chǔ)能的過(guò)程[15]。6結(jié)論與展望本文研究的目的是為了設(shè)計(jì)能量回收裝置以及回收電路的設(shè)計(jì)，減震器通過(guò)安裝能量回收裝置，使得減震器能夠回收汽車(chē)在振動(dòng)過(guò)程中的能量，提高能源的利用率，已達(dá)到節(jié)能減排的目的。本文完成了以下主要工作：1.通過(guò)上查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，提出了壓電疊堆發(fā)電裝置在減震器內(nèi)部的應(yīng)用的假想。2.通過(guò)汽車(chē)?yán)碚摗弘姺匠痰仍響?yīng)用數(shù)學(xué)建模對(duì)壓電能量回收裝置在減震器內(nèi)部的可行性進(jìn)行分析，并得出該方案的可行性。3.通過(guò)電子元件的選擇及單片機(jī)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套集控制與一體的能量回收電路，并進(jìn)行可行性分析。通過(guò)本文的研究，可以得出一下結(jié)論，裝有能量回收裝置的減震器，可以回收汽車(chē)在振動(dòng)過(guò)程中的部分能量。進(jìn)一步提供能源的利用效率，在能源短缺的今天，如果該設(shè)計(jì)能被最終應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)將是一個(gè)非常有利的事。但是由于本人水平有限，不能將裝置設(shè)計(jì)的十分完美，裝置安裝的位置以及電路的設(shè)計(jì)可能都存在缺陷，電路還需進(jìn)一步優(yōu)化，能量回收效率還有待進(jìn)一步提高。本文基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目標(biāo)，但是由于壓電疊堆結(jié)構(gòu)的研究還不很成熟，造成對(duì)發(fā)電裝置的具體結(jié)構(gòu)尺寸還不精確，在減震器內(nèi)部的實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究，接下來(lái)，我們可以對(duì)本文現(xiàn)有的研究進(jìn)一步研究：1.選擇更加優(yōu)良的壓電材料，選擇合適的橫截面積，進(jìn)一步縮小能量回收裝置的尺寸，增加能量回收的效率。2.設(shè)計(jì)一套與之相匹配的回收電路，使其能量在回收過(guò)程中不會(huì)有很大的損失，進(jìn)一步提高回收的效率。相信通過(guò)以后不斷的學(xué)習(xí)研究，國(guó)內(nèi)在汽車(chē)節(jié)能方面的研究成果會(huì)越來(lái)越多，最終會(huì)在世界范圍內(nèi)占有一席之地。參考文獻(xiàn)

[1]陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社，2005:230-234.

[2]廖海洋.懸臂梁式壓電發(fā)電機(jī)自主控制快速充電電路設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2012:1-8.[3]沈輝.基于壓電材料的振動(dòng)能量回收電路及其應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010:200-205.[4]邊義祥.基于壓電材料的振動(dòng)能量回收技術(shù)現(xiàn)狀綜述[J].壓電與聲光，2011:1-3.[5]喻凡.能量回饋式車(chē)輛主動(dòng)懸架的可行性研究[J].振動(dòng)與沖擊，2005:2-4.[6]吳建華.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:56-58.

[7]伍曉明,方華軍,林建輝,等.用于振動(dòng)能量收集的MEMS壓電懸臂梁[J].功能材料與器件學(xué)報(bào),2008,14(2):467-471.

[8]ROUNDYS,WRIGHTPK,RABAEYJ.Astudyoflowlevelvibrationsasapowersourceforwirelesssen-sornodes[J].ComputerCommunications,2003,26(11):1131-1144.[9]張步涵，王云玲，曾杰．超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用[J]．水電能源科學(xué),2006，24（5）：50-52.[10]杜小振.環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微型壓電發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究,[D].大連:大連理工大學(xué)，2008：200-205.[11]SierensR,RosseelE.Variablecompositionhydrogen/naturalgasmixturesforincreasedengineefficiencyanddecreasedemissions[J].JEngGasTurbinesPower.2000(122):40-135.[12]WangWQ,WangJ.DynamicSimulationStudyofFrictionandLubricationonICEBearings[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology.2000,9(4):459-464.[13]JunHyDevelopmentofafuel-poweredshapememoryalloyactuatorsystem:1.Numeriealanalysis[J].SmartMaterials&Struetures.2007,16:81-94.[14]M.S.Winberg.WorkingequationsforPiezoeleetricactuatorsandsensors[J].JournalofMieroeleetromechaniealSystems.1999,8:29-33.[15]祁建廣,李寶營(yíng),孫玉明.壓電材料特性研究[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2009,28:51-53.DesignofenergyrecoverydeviceforautomobileshockabsorberAbstract:Traditionalpassivesuspensionandsemi-activesuspensioncanonlyhaveacceleratedframeandbodyvibrationattenuationeffect,andnoeffectonthevibrationenergyrecovery.Whencarshockabsorberforce,shockabsorberofholewallandthefrictionbetweentheoilandliquidfrictionwithinthemolecu