回收振动能量发电的汽车减震器总体设计.pdf
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1、1/15 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:指导教师:曹振新 职称:副教授 合作导师:职称:完成时间:201 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 2/15 1 引言 2 汽车减振器的国内外状 X.汽车减振器的国内现状 2。2 汽车减振器的国外现状 X 理论基础 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 32。1 悬架弹性特性的选择 X 。2。2 相对阻尼系数的选
2、择 X 3.2 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(102012)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
3、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 ibtio enery recycld fo oveall design of aubie s3/15 ock absorer Sun i Dctor:CO Zhein (ngneing Cllee、Voatoal nd eica Educaio
4、n Colge,Zeing orl University,No.05209)bstrat:Shk bsorer s an impott compet o the autoobile suspensio systm,in he pros of orking throgh te hydraulic ol low thrugh the oy bac and ot and daping carance,to bsor th vbratio eney rig rough od surfa a,tus atenuaton iraion o veicle,ad thi part the ny in the
5、for of hat dissiato.Lquid ca ed ty shck absobr sing macne electric-hydalic ybd system,thruh e ceck vlve ydraulc circit will e ca b ufae nen d etween he rad and ecipoaing batin ino a fow of hyali oil w direction,drvn by hdraulic oil ruic motr t drive th nerator power,thu the vibaion o mechanial ener
6、into electrical ener,can provid electrit r atomotive air oitiin a othe lerca sytem Thi proect through h establimn of machine-eecic-hydralic hybrid ssem dyami model and simulti,nalysi of meanical ergy,fid ynac characterisics and powr tanfomtio,on th basis f e rearch of utoobl vio eg recory mdel,energ
7、y cnersio mechaim o lquid fed electricit t shck bsorb rsearch nd th devlopen o h prcipl prootye。t the sme m,the research on this in f form o shck abobe susension sysm,th degre of nrg rcyling,supenion yste wa achieve by releva orol algrihm is ative or ei-active cool is feabl.Ky Wrs:Autombl sk srr;Rec
8、oery and power generaon;T vibration engy 1 引言 2 汽车减振器国内外现状.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4/15 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KD(
9、complelknkow)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 世纪年代末,国内外开
10、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
11、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
12、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5/15 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。国外发展现状 自 20 世纪0 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 Nisan 开发了一种蓄能式减振器,其性能接近
13、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。akano 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,Naan(203)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。O
14、kada 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。O(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,Okda 在03 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。0 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
15、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。20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
16、术建立的电磁式悬架系统,在利用电磁力和直线电机抵6/15 消道路冲击的同时回收部分能量。3 理论基础 3。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 21 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
17、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.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。.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
18、作用式减振器.3。减振器相对阻尼系数和阻尼系数的确定 7/15 .。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 21 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:f 12km 车轮上下跳动行程的一般范围是:上跳行程 70mm,下跳动行程0120mm.悬架垂直刚度随车辆参数
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