汽車振動能量回收發(fā)電懸架結(jié)構(gòu)設計研究

段尊敬

山東絲綢紡織職業(yè)學院，山東淄博 255300

0 引言

汽車能量消耗的一個重要原因是減震器消耗的。伴隨能源危機的日益加劇，汽車節(jié)能問題成為目前汽車設計考慮的主要問題，如果可以將汽車振動能量進行回收將具有非常重要的實際應用價值?？梢哉f性能穩(wěn)定可靠，同時又節(jié)約能源的懸架系統(tǒng)研究會是一個非常有意義的研究方向?，F(xiàn)在世界許多研究院所和汽車企業(yè)都花費了很多的人力、物力、財力進行汽車振動能量的回收研究，雖然有的取得了一定的研究成果，但基本都沒有大范圍的推廣使用。本文的研究方法將為以后的汽車振動能量回收懸架研究提供一種新的方法。

1 懸架的基本形式

1.1 回轉(zhuǎn)發(fā)電機式

振動能量回收發(fā)電懸架采取回轉(zhuǎn)電機式按照傳動機構(gòu)分成曲柄連桿式、滾珠絲杠式、齒輪齒條式三種，其原理分別為：曲柄連桿式振動能量回收懸架的方案是仍然使用傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)，同時又增加了一個曲柄連桿機構(gòu)，車身與車輪的相對振動運動被改變成電機的轉(zhuǎn)動運動，能量回收系統(tǒng)由電機組和曲柄連桿機構(gòu)兩個部件共同構(gòu)成。滾珠絲杠式振動能量回收發(fā)電懸架采用旋轉(zhuǎn)式電機，將其安裝到減振器的上部，與滾珠絲杠機構(gòu)一起將車橋和車身之間的相對動作改變成電機的旋轉(zhuǎn)動作。該振動能量回收系統(tǒng)由滾珠絲杠機構(gòu)與電機兩部分共同構(gòu)成，將回收的能量供給到汽車電氣設備或蓄電池。齒輪齒條式振動能量回收發(fā)電懸架采取齒輪齒條機構(gòu)和電機替代了減振器的功能。發(fā)電機被安裝到車身上，車橋和齒條直接連接到一塊。齒條與齒輪接合之后，齒輪齒條機構(gòu)與發(fā)電機組共同構(gòu)成懸架系統(tǒng)的振動能量回收系統(tǒng)。齒條齒輪機構(gòu)將車橋與車身的相對往復動作改變成發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動作，發(fā)電機將機械能改變成了電能。

1.2 直線電機式

一種將直線動作機械能量直接改變成為電能或?qū)㈦娔苤苯痈淖兂芍本€動作機械能量的裝置叫做直線電機，它是一個不需要任何其他輔助機構(gòu)的轉(zhuǎn)換機構(gòu)系統(tǒng)。減振器被直線電機所替代，完成回收部分能量功能的同時可以衰減路面振動的沖擊作用。直線電機振動能量回收發(fā)電懸架的內(nèi)部采取內(nèi)置線圈與磁鐵結(jié)構(gòu)。內(nèi)置線圈通電后能把懸架總成依據(jù)車輪與車身的相對位置關(guān)系的不同而壓縮或伸長。當懸架總成伸長時，直線電機按照電動機模式工作發(fā)出動力；當懸架總成壓縮時，直線電機以發(fā)電機模式工作，將產(chǎn)生的電能送到蓄電池完成振動能量的回收。

1.3 液壓式

液壓式振動能量回收發(fā)電懸架是按照液壓泵的基本原理，在傳統(tǒng)的液力懸架基礎上通過改造而成的。液壓式振動能量回收發(fā)電懸架主要有饋能油缸、彈簧、單向閥、饋能功率調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、液壓馬達、蓄能器、管路和液壓油箱等構(gòu)成。它能夠把傳統(tǒng)被動懸架系統(tǒng)中的阻尼元件所消耗的振動能量改變?yōu)橐簤耗芰坎⑵鋬Υ娴叫钅芷?，通過發(fā)電機與液壓馬達改變成電能，讓汽車獲取很好的經(jīng)濟性能。

2 懸架的基本形式選擇

振動能量回收懸架采取液壓式系統(tǒng)工作時，由于液壓油和其他部位摩擦和熱能損失，導致能量回收效率較低。雖然液壓系統(tǒng)擁有工作可靠的優(yōu)點，但是液壓系統(tǒng)對部件的制造精度和密封性要求很高，導致部件制造成本高，還要添加蓄能器、油箱、管路等元件。相比較來說電磁式具有操作簡便、結(jié)構(gòu)不復雜、能量回收效率較高、高可靠性等特征，具有很好的研究潛力。同時許多發(fā)電機具有轉(zhuǎn)速和電磁感應力成正相關(guān)的規(guī)律，可以符合懸架對阻尼力的條件要求。電氣系統(tǒng)的控制精度高、響應時間短，有利于優(yōu)化提高汽車懸架系統(tǒng)的整體性能。所以電磁式要優(yōu)于液壓式，可以依據(jù)幾種電磁式的汽車振動能量回收懸架方法的優(yōu)缺點從中制定研究路線。

分析各結(jié)構(gòu)可靠性：懸架起到連接車橋與車身的作用，具有非常重要的功能，在汽車行駛中從路面反饋的沖擊振動能夠造成懸架的破壞斷裂。振動能量回收懸架采取直線電機式其支撐結(jié)構(gòu)比較復雜同時容易失效，結(jié)構(gòu)的可靠性較低。振動能量回收懸架采取齒輪齒條式，齒輪齒條結(jié)構(gòu)的制造工藝成熟，適當增加防沖擊結(jié)構(gòu)之后，會大大改善提高可靠性。振動能量回收懸架采取滾珠絲桿式可靠性和齒輪齒條式基本一樣。曲柄連桿式振動能量回收懸架仍然使用減振器，具有較好的強度與剛度，可以由于連接扭矩連桿和輸入連桿的花鍵可靠性差的限制，造成曲柄連桿式饋能懸架結(jié)構(gòu)的可靠性也比較差。

分析各懸架體積：振動能量回收懸架采取直線電機式旋轉(zhuǎn)電機比直線電機的漏磁通小，阻尼力大，要使阻尼力達到一定的數(shù)值就要使體積足夠大。振動能量回收懸架采取齒輪齒條式，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙不受懸架行程變化的制約，具有結(jié)構(gòu)緊湊阻尼力較大的特點，為此振動能量回收懸架采取齒輪齒條式使體積尺寸較小。饋能懸架采用滾珠絲桿式則和齒輪齒條式饋能懸架具有一樣的特征，體積尺寸較小。振動能量回收懸架采用曲柄連桿式發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子間的間隙由于不受懸架行程變化的限制，加上存在傳統(tǒng)液壓減振器的作用，阻尼力較大，曲柄連桿機構(gòu)的缺點是體積尺寸大不便于布置。

分析各能量轉(zhuǎn)化效率：在振動能量回收懸架的性能滿足實際使用的前提條件下，發(fā)電效率直接影響回收能量的多少，制造成本與它共同確定能量回收懸架的商業(yè)價值。由于懸架的運動速度很慢，造成直線電機的效率和功率因素等電氣性能很差。振動能量回收懸架如采用齒輪齒條式，由于傳動效率非常高，加之旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機的效率也非常高，為此振動能量回收懸架采取齒輪齒條式的效率比較理想。振動能量回收懸架采用滾珠絲桿式，由于滾珠絲桿的傳動效率較差，造成其總效率也不高。振動能量回收懸架采取曲柄連桿式仍然使用傳統(tǒng)減振器，由于一部分能量被傳統(tǒng)減震器所吸收，造成效率極低。根據(jù)以上的綜合分析汽車振動能量回收懸架選用齒輪齒條式較為理想。

3 懸架結(jié)構(gòu)設計

3.1 懸架的組成

汽車震動能量回收發(fā)電懸架主要包含發(fā)電機、彈性元件、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾大部分組成，其中傳動系統(tǒng)又包含沖擊保護機構(gòu)、齒輪齒條、換向機構(gòu)、變速機構(gòu)等，如圖1所示。

圖1 振動能量回收發(fā)電懸架的組織示意圖

3.2 懸架的工作原理

在車體上固定發(fā)電機，車橋通過鉸鏈與齒條相連，懸架發(fā)電機的驅(qū)動齒輪和齒條嚙合。車體發(fā)生震動時，驅(qū)動齒輪被齒條帶動轉(zhuǎn)動，如圖2所示。兩個單向離合器與四個錐形齒輪組成換向機構(gòu)；永磁發(fā)電機用于系統(tǒng)發(fā)電機；變速系統(tǒng)采用行星齒輪機構(gòu)。車身與車輪發(fā)生相對運動時，驅(qū)動齒輪順時針轉(zhuǎn)動，單向離合器開始工作，輸入軸發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。傳動路線是齒條到定扭裝置再到錐齒輪1再到單向離合器最后到變速機構(gòu)的輸入軸。并且傳動經(jīng)過齒輪1、齒輪2傳到齒輪3，齒輪3逆時針開始轉(zhuǎn)動，單向離合器2同時開始空轉(zhuǎn)打滑；當車身與車輪發(fā)生反向運動時，驅(qū)動齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)，單向離合器開始空轉(zhuǎn)打滑，傳動通過齒輪1、齒輪2傳給齒輪3，齒輪3順時針旋轉(zhuǎn)，輸入軸順時針轉(zhuǎn)動。輸入軸通過變速系統(tǒng)提速后拉動發(fā)電機轉(zhuǎn)動。發(fā)電機發(fā)出的交流電通過整流器整流之后供汽車電器設備使用或輸給蓄電池充電。

圖2 振動能量回收發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文簡單探討了汽車振動能量回收發(fā)電懸架的常見結(jié)構(gòu)特征，研究了各種結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)缺點，制定了齒輪齒條式結(jié)構(gòu)作為研究的方向。本文進一步研究設計了汽車振動能量回收發(fā)電懸架的結(jié)構(gòu)簡圖，并論述了其基本的工作原理。