回收振动能量发电的汽车减震器总体设计说明书

本科毕业设计（论文）

( 2014届 )

题目：回收振动能量发电的汽车减振器总体设计学院：工学院、职业技术教育学院

专业：汽车维修工程教育

学生姓名：孙挺学号： 10520129 指导教师：曹振新职称：副教授

合作导师：职称：

完成时间：2014 年月日

成绩：

浙江师范大学本科毕业设计(论文)正文

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

英文摘要 (1)

英文关键词 (1)

1 引言………………………………………………………………………………X

2 汽车减振器的国内外状…………………………………………………………X 2.1 汽车减振器的国内现状……………………………………………………X

2.2 汽车减振器的国外现状……………………………………………………X

3 理论基础…………………………………………………………………………X 3.1 减振器的概述………………………………………………………………X

3.2 减振器相对阻尼系数和阻尼系数的确定…………………………………X

3.2.1 悬架弹性特性的选择………………………………………………………X

3.2.2 相对阻尼系数的选择………………………………………………………X

3.2.3 减振器阻尼系数的确定……………………………………………………X

回收振动能量发电的汽车减振器总体设计工学院、职业技术教育学院汽车维修工程教育专业

孙挺（10520129）

指导老师：曹振新（副教授）

摘要：减振器是汽车悬架系统中的重要组成部件,工作过程中通过液压油往返流经阀体和间隙产生阻尼,吸收汽车在不平路面上行驶产生的振动能量,从而衰减车辆的振动,并将这部分能量以热的形式耗散掉。液电馈能式减振器采用机-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器系统提供电能。本项目通过建立机-电-液混合系统动力学模型及仿真,分析机械能、液能和电能的相互转换的动态特性,在此基础上开展汽车振动能量回收模型的研究,液电馈能式减振器的能量转换机理研究和原理样机的研制。同时研究基于该种形式减振器所建立的悬架系统,对能量回收利用的程度,以及通过相关控制算法实现悬架系统主动或半主动控制的可行性。

关键词：汽车减振器；回收发电；振动能量

The vibration energy recycled for overall design of automobile shock

absorber

Sun 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 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 - hydraulic 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 energy 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 power 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 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 energy

1引言

2 汽车减振器国内外现状

2.1 国内发展现状

由于我国轿车减振器的发展时间短，起点低，技术水平落后，因此在国产中、高级轿车上还大量使用进口减振器。所以，提高我国悬架减振器的自主研制开发水平，加速我国悬架减振器的发展，已经成为车辆悬架系统一个极需解决的重大课题，悬架减振器已列为我国汽车工业发展规划中优先发展的重要项目之一。我国减振器的发展同国外先进工业国家相比还比较落后，大约只相当于国外20世纪70年代末，80年代初的水平。我国液压减振器经过多年的研究发展，特别是最近十余年的发展，通过CKD（completelyknockdown）的组装与技术及设备的引进、消化和吸收获得了长足的发展，有了明显的进步与提高。现在我国制定了减振器及其相关零部件的国家标准和行业标准，并且许多生产制造企业也建立了各自的企业标准，为减振器的设计、制造与验收提供了依据；为减振器制造各种专用设备（如在单、双动寿命试验台，旋压封口机，流量试验台，专用焊接设备，气密性检测设备，注油机，清洗机等）的生产厂家也在不断出现；同时为减振器提供各种配套零部件（如粉末冶金件、橡胶件、油封、弹簧、无油润滑轴承、阀

片、减振器油、缸筒等）的生产厂家其设计制造水平也在不断提高。这些都促进了我国减振器行业整体水平的提高。

自20世纪80年代末，国内外开始对汽车振动能量回收悬架进行进一步研究开发和应用，研究从机械式振动能量回收悬架逐步转移到电磁式振动能量回收悬架。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，尽管也都对馈能悬架的结构及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人学对馈能悬架的可行性分析做了较为深入的探讨。上海交通大学的喻凡、郑雪春等提出了山滚珠丝杆结合永磁直流无刷力矩电机构成的主动悬架作动器方案，并对电机的选用、电机作动器的结构和工作原理及具体的系统参数做了一定的设计和探索，试制了电机作动器的功能样机，并对电气特性和被动响应特性进行测试分析，初步验证了该电机作动器的可行性和有效性。实验表明，滚珠丝杆式馈能减振器在低频大振幅激励的情况下表现出良好的悬架特性，但在高频区域的表现却不如被动悬架。吉林大学的王伟华、于长森等提出了由齿轮齿条机构结合直流伺服电机构成的主动悬架作动器方案，并进行了仿真分析。目前我国已经能够生产微型面包车用独立悬挂减振器，并且己经为部分国外引进轿车配套生产独立悬挂减振器；在减振器的基础理论研究方面国内同样进行了大量的研究工作，有关主动液压减振器的研究工作也取得了一定的进展，已研制出主动液压减振器的试验样机。

综上所述，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，该技术没有得到商业应用。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，能量回收能力有限，而电磁式振动能量回收悬架能量转换方便，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。目前存在的馈能式悬架形式方案中，并没有真正能够应用于实际的有效方案，还处于在理论和试验研究的探索阶段。为了能够使汽车振动能量回收的实际应用成为可能，迫切需要一种新型的馈能式减振器系统解决方案。

2.2 国外发展现状

自20世纪70年代末，学者们开始从理论上分析研究车辆悬架的振动能量和回收的可行性。日本公司Nissan开发了一种蓄能式减振器，其性能接近半主动悬架。它通过利用振动能量抑制振动，但由于具有蓄能功能，因而对功率的需求大大减少了。该减振器通过压力控制阀同小型蓄能器和液压油缸的结合，让蓄能器吸收不平路面的振动能量输入，这样系统所需流量相对减少，液压系统的主动阻尼和被动阻尼共同实现几车身的减振，从而降低能耗。

Nakano提出了一个新的自供电式主动控制的概念，研究了载重汽车驾驶室悬架系统，其基本原理是由底盘前悬架上的电机作动器回收振动能量并储存于蓄电池内，以提供座舱后悬架电机作动器进行主动控制。为了简化系统，Nakano(2003)又提出仅含单个直线直流电机的自供电式主动隔振控制系统，将电机电枢高速运动时的再生能量用于电枢低速运动时驱动电机。

Okada则通过一个直线直流电机和双向电压变换电路组成的电动能量再生阻尼作动器来吸收振动。简单的台架试验证明了该作动器能在高速运动的清况下回收能量。但是该作动器在低速运动时并不产生阻尼力，也不再生能量，这样阻尼器的效率受到影响同时还会产生高频共振干扰。Okada(2002)就针对这一问题在双向电压变换电路中引入调定斩波器，通过电感的作用，将电流从低反电动势输入电压相对较高的电池，实现低速运动过程中的能量再生。由于以往的试验仅局限于小质量块系统，Okada在2003年年改用直线交流电机以便将该类阻尼器用于车辆并实现车身高度调节。

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将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、储存合电能的管理统一起来。提高了整车的操控及动力性能，减小车辆在粗糙路面上行驶时的滚动阻力，由此提高车辆的行驶平顺性及行驶速度。尽管德克萨斯大学对试验所用悬架系统结构及控制算法都做了周密的设计，但由于该试验主要是改进军用车辆的性能，因此研究得重心在于提高动力性和行驶平顺性上，而在节能方面还有有待进一步的提高。

2004年德国博士公司宣称，用直线电机取代弹簧与减振器，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。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。

3 理论基础

3.1 减振器的概述

为加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内都装有减振器。减振器和弹性元件是并联安装的如图2-1所示。

图2-1 减振器和弹性元件的安装示意图

液力减振器的作用原理是：当车架与车桥作往复相对运动时，当减振器中的活塞在缸筒内也作往复运动，减振器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。孔壁与油液间的摩擦及液体分子内的摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，被油液和减振器壳体所吸收，并散到大气中。减振器的阻尼力越大，振动消除得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏。为解决弹性元件与减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求：1．在悬架压缩行程（车桥与车架相互移近的行程）内，减振器阻尼力应较小，以便充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击。

2．在悬架伸张行程（车桥与车架相对远离的行程）内，减振器的阻尼力应大，以求迅速减振。

3．当车桥与车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道面积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。在压缩和伸张两行程内均能起减振作用的减振器称为双向作用式减振器。另有一种减振器仅在伸张行程内起作用，成为单向作用式减振器。

3.2 减振器相对阻尼系数和阻尼系数的确定

3.2.1悬架弹性特性的选择

在前轮或后轮上，把前、后轮接地点垂直方向的载荷变化和轮心在垂直方向的位置变化量关系称为悬架系统的弹性特性。如图2-1所示，在任一载荷状态下，该点曲线的切线斜率，就是该载荷下的悬架刚度。在满载状态下，弹性特性曲线的切线斜率便是满载悬架刚度。在满载载荷下可以确定车轮上、下跳行程，两者之和称为车轮行程。

图2－1 悬架弹性特性

设悬架刚度为k，簧上质量为m，则根据下式可求系统的固有振动频率f：

车轮上下跳动行程的一般范围是：上跳行程70～120mm，下跳动行程80～120mm。悬架垂直刚度随车辆参数而不同，换算成系统固有振动频率为1～2Hz 。由于我设计的是轿车减振器，主要是用于城市一些比较好的路面上。所以，轿车在行驶时路面激起振动频率会相对比较高。所以取减振器系统固有频率f＝

π

1.5Hz，而m＝1200kg，则根据上式k＝1080022

3.2.2相对阻尼系数ψ的选择

减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力F与减振器振动速度v之间有如下关系

F=δv

(2.1) 式中，δ为减振器阻尼系数。

图2—1b示出减振器的阻力－速度特性图。该图具有如下特点：阻力－速度特性由四段近似直线线段组成，其中压缩行程和伸张行程的阻力－速度特性各占两段；各段特性线的斜率是减振器的阻尼系数F/v=δ，所以减振器有四个阻尼系数。在没有特别指明时，减振器的阻尼系数是指卸荷阀开启前的阻尼系数而言。通常压缩行程的阻尼系数与伸张行程的阻尼系数不等。

汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数ψ的大小来评定振动衰减的快慢程度。ψ的表达式为

ψ=

(2.2) 式中，c 为悬架系统垂直刚度；sm 为簧上质量。

式(2－2)表明，相对阻尼系数ψ的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度c 和不同簧上质量s m 的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。ψ值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身；ψ值小则反之。通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数Y ψ取得小些，伸张行程时的相对阻尼系数S ψ取得大些。两者之间保持Y ψ＝(0.25～0.50) S ψ的关系。

设计时，先选取Y ψ与S ψ的平均值。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取ψ＝

0.25～0.35；对于有内摩擦的弹性元件悬架，ψ值取小些。对于行驶路面条件较差的汽车，ψ值应取大些，一般取S ψ＞0.3；为避免悬架碰撞车架，取Y ψ＝0.5S 。

根据以上所述：取S ψ＝0.36 Y ψ＝0.5S ψ＝0.5×0.36＝ψ＝0.27

3.2.3减振器阻尼系数δ的确定

减振器阻尼系数δ=2

因悬架系统固有振动频率ω所以理论上δ=2s m ψω。实际上应根据

减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。例如，当减振器如图2－2a 、b 、c 三种安装时，我选择了如图2－13b 所示安装。减振器阻尼系数δ用下式计算

图2—2 减振器安装位置

2－2b 所示安装时，减振器的阻尼系数占用下式计算

2

222cos s m n a ψωδα

=

(2.3) 式中，a 为减振器轴线与铅垂线之间的夹角。

然而，2δψ=ψ＝0.27 阻尼系数：

220.322304δψπ==?=

伸张阻尼系数：

220.53600

δψπ==?=

减振器作为悬架系统中的重要组成部分，其从原理设计到实际应用需要经过大量的理论研究和试验验证工作。本文所研究的液电馈能式减振器需要在保证悬架特性的前提下，能够尽可能的回收振动能量，达到改善行驶舒适性和节能的目的。回收振动能量发电的馈能式减振器设计采用机-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，原理如图1所示。该减振器包括活塞减振部分，

阀路部分和发电部分，所述的活塞减振部分由液压缸 (1)和活塞 (2) 组成，所述发电部分包括液压马达 (13) 和发电机 (16)，车辆减振时推动活塞在液压缸 (1) 中上下运动，将液压缸 (1)中的液压油从液压缸 (1) 的上腔或下腔的出口压出，经所述阀路部分后推动液压马达 (13) 带动发电机 (16) 发电。本项目通过建立机-电-液混合系统动力学模型及仿真，分析机械能、液能和电能的相互转换的动态特性，在此基础上开展汽车振动能量回收模型的研究，液电馈能式减振器的能量转换机理研究和原理样机的研制。

1.液压缸

2.活塞 3,4,5,6,7,8.三通阀 9,10,11,12.单向阀

13.液压马达 14. 储能器 15.油箱 16.发电机

图1 回收振动能量发电的汽车减振器原理图

项目创新点与关键技术：

1. 开发机-电-液混合系统的车用馈能式减振器原理和控制策略

针对现有馈能式悬架形式的缺陷建立了机-电-液混合系统的车用馈能式减振器原理，这种方案通过灵活的液压传动系统能有效提高馈能效率；建立了减振器动力学模型，提出随动状态下通过发电机负载控制减振器阻尼力控制机理；建立了阻尼力控制理论模型，在实现在能量回收的同时实现减振器阻尼力的主动控制或半主动控制。

2. 建立液电馈能式减振器仿真模型与样机参数设计

基于AME-Sim仿真软件建立液电馈能式减振器仿真模型，通过仿真试验观察其工作特点，分析其性能特性，并借助仿真试验确定原理样机中各关键零部件的参数；提出了馈能减振器参数设计流程，实现了各关键零部件总成参数设置参考仿真模型数据进行了优化匹配；回收的电能采用蓄电池与超级电容的复合电源进行整流利用，进而提高系统的蓄能效率。

3. 开发了液电馈能式减振器原理样机综合测试和试验分析

搭建原理样机试验台架，开发了基于LabVIEW的可视化减振器工作状态和发电机工作状态的测试系统。通过对液电馈能式减振器仿真和台架试验，采集了馈能减振器振动幅频特性和发电特性数据；进行原理样机台架试验，详细了解液电馈能式减振器的实际工作特性，将台架试验结果与仿真模型试验结果进行比较分析，发现会对减振器性能造成影响的结构、分析其原因并加以改进。

四、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解。

项目采用理论研究和实验相结合的方式对汽车减振器能量回收装置的几个关键技术问题开展研究。利用机、电、液的专业知识，对振动能量发电的能量转换进行研究，通过发电机的特性和原理样机的试验，实验数据分析该减振器的发电特性，以对振动发电能力进行预测。利用发电机的反电动势的阻尼作用替代传统减振器的阻尼，通过液压整流桥将簧载质量与非簧载质量的相对直线运动转变成电动机转子的旋转运动，从而将机械能转化为电能。拟采取的技术如图3所示。

图3 液电馈能式减振器研究技术路线图

1. 液电馈能式减振器动力学系统建模及阻尼力控制机理

由于在液电馈能式减振器系统中，活塞阻尼力的可调部分取决于发电机的工作状态，但是发电机反电动势的阻力并不是直接作用于活塞，处在活塞与发电机之间的液压马达起到了传递力的作用，间接的使发电机的反电动势阻力影响表现

为作用于活塞上的阻尼力大小。在这个力的传递过程中所遵循的基本规律即是液电馈能式减振器的动力学特性，可分别建立功率平衡方程和转矩平衡方程。由于液压马达与发电机由联轴器固态连接，则功率平衡方程为：

0112*P P n T P em +==π （1）

将公式（1）两边同时除以角速度，可得到转矩平衡方程：

01T T T em += （2）

其中P 1为液压马达输出功率，T 1为液压马达转矩，n 为液压马达转速，P em 为直流发电机的电磁功率，P 0为发电机空载就存在的损耗，T em 为发电机输出电磁

转矩，T 0发电机空载转矩，C T 为转矩常数，Φ为磁通，η为液压马达总效率，η

v 为液压马达容积效率。进一步推导可得转矩阵平衡方程式：

0*2*T I C q P a T v

m +=?ηηπ (3) 根据转矩平衡方程（3）可知，发电机负载电流I a 与液压马达进出口压力差

P m 线性相关，液压马达和发电机转矩的平衡取决于这两个关键因索。当减振器系

统需要改变其阻尼系数时，可通过控制发电机负载，即前文提出的恒电流控制方法，调节发电机负载电流I a 。当I a 增大时，减振器阻尼系数相应增大，但阻尼

系数增加或减少的范围受限于液压马达进出口压力的可调节性。

液电馈能式减振器是一种比较适合于半主动悬架控制。通过改变发电机负载调节整体的阻尼力，实现悬架粘性阻尼因子ζ的可调，在车桥与车架的相对速度过大时，则可通过蓄能器调节，使阻尼力保持在一定限度以内，以避免过大的冲击载荷。通过建立液电馈能式悬架系统模型，得到该减振器半主动控制时阻尼力控制模型。

2. 馈能式减振器仿真优化研究和样机设计制造

根据液电馈能式减振器的基本原理，拟对其进行虚拟建模仿真研究，由于该减振器涉及机械、液力传动、电力电子多种学科，故选用跨学科仿真软件对其进行结构仿真，并通过分析仿真结果优化系统结构。将仿真模型中各零部件的参数设置作为选取原理样机模型零部件的依据。AME-Sim （Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering ）是世界著名的工程系统高级建模与仿真平台，它提供了一个系统级工程设计的完整平台，使得用户可以在单一的平台上建立复杂的一维多学科领域的机电液一体化系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。工程师在一个基于工程应用的友好环境下可研究

任何元件或者系统的稳态和动态性能。而的图形化用户界面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建复杂系统的模型。建模仿真过程分为四个步骤：构建方案的模型、选择模型复杂程度、设定模型的参数和仿真计算分析。

各关键零部件总成参数设置参考仿真模型数据进行匹配，液电馈能式减振器各零部件参数的计算流程如图4所示。原理样机的各个零部件应在考虑时间因素和成本因素的前提下，尽可能选择市场上成熟的零配件搭建。一些机械结构件、非标准件采用自行设计，委托加工单位代工的方式进行加工制造。考虑到减振器位于车辆底盘，装配空间有限。通过比较选择体积小、重量轻、启动转矩相对较大的永磁直流无刷发电机。发电机控制端则直接采用成熟的电子负载产品，这样有利于保证产品的可靠性，以便于及时发现问题和解决问题。液压马达的选择主要考虑到国标减振器台架试验中的激励要求，选择了排量与之适应的内啮合齿轮马达，这种马达具有体积小、效率高、噪音低等特点，比较适合液电馈能式减振器对液压马达的要求。蓄能器选择了市场上最常见的皮囊式蓄能器。原理样机中使用的液压缸就是在口径、行程的标准普通油缸上加以改造而成，具体方法就是在上下腔各增加一个油口，并替换活塞密封圈使之可承受高频运动。由于液电馈能式减振器对单向阀技术参数的特殊要求，单向阀需定制才能满足要求。

图4 液电馈能减振器参数设计流程图

3. 振动能量回收电能的控制策略和软硬件电路设计

液电馈能式减振器的电机产生的交流电压波动比较大，需要对该电压进行整流和滤波。从电路设计方面考虑：液电馈能式减振器发电产生的三相交流电在由电机内部自带的整流器整流后输出脉动的直流电压，经由LC-π型滤波电路使得脉动的直流电压稳定输出。为了避免蓄电池以较大的瞬间峰值电流充放电，拟采用蓄电池与超级电容的复合电源，进而提高系统的蓄能效率。馈能回收充电电路设计的工作原理为：车体振动速度的不断变化使得永磁无刷直流电机的转速不恒

定，发出的变化交流电经过电机内部整流器整流滤波后变成幅值不断变化的直流电，然后通过稳压输出电压幅值稳定的直流电，即输出的充电电压不随外界条件变化而变化，然后对超级电容组和蓄电池的复合储能装置进行充电。馈能装置能量回收系统的硬件电路的总体结构图如图5所示，它包括稳压输出电路、超级电容组、升压输出电路和恒流恒压充电电路等部分组成。

图5 能量回收系统的电路设计流程

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