汽車振動能量回收發電懸架結構設計研究

段尊敬

山東絲綢紡織職業學院，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。可以說性能穩定可靠，同時又節約能源的懸架系統研究會是一個非常有意義的研究方向?，F在世界許多研究院所和汽車企業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 回轉發電機式

振動能量回收發電懸架采取回轉電機式按照傳動機構分成曲柄連桿式、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的懸架系統，同時又增加了一個曲柄連桿機構，車身與車輪的相對振動運動被改變成電機的轉動運動，能量回收系統由電機組和曲柄連桿機構兩個部件共同構成。滾珠絲杠式振動能量回收發電懸架采用旋轉式電機，將其安裝到減振器的上部，與滾珠絲杠機構一起將車橋和車身之間的相對動作改變成電機的旋轉動作。該振動能量回收系統由滾珠絲杠機構與電機兩部分共同構成，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電懸架采取齒輪齒條機構和電機替代了減振器的功能。發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，齒輪齒條機構與發電機組共同構成懸架系統的振動能量回收系統。齒條齒輪機構將車橋與車身的相對往復動作改變成發電機轉子的旋轉動作，發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將電能直接改變成直線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的轉換機構系統。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電懸架的內部采取內置線圈與磁鐵結構。內置線圈通電后能把懸架總成依據車輪與車身的相對位置關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出動力；當懸架總成壓縮時，直線電機以發電機模式工作，將產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電懸架是按照液壓泵的基本原理，在傳統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電懸架主要有饋能油缸、彈簧、單向閥、饋能功率調節器、發電機、液壓馬達、蓄能器、管路和液壓油箱等構成。它能夠把傳統被動懸架系統中的阻尼元件所消耗的振動能量改變為液壓能量并將其儲存到蓄能器，通過發電機與液壓馬達改變成電能，讓汽車獲取很好的經濟性能。

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。雖然液壓系統擁有工作可靠的優點，但是液壓系統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、結構不復雜、能量回收效率較高、高可靠性等特征，具有很好的研究潛力。同時許多發電機具有轉速和電磁感應力成正相關的規律，可以符合懸架對阻尼力的條件要求。電氣系統的控制精度高、響應時間短，有利于優化提高汽車懸架系統的整體性能。所以電磁式要優于液壓式，可以依據幾種電磁式的汽車振動能量回收懸架方法的優缺點從中制定研究路線。

分析各結構可靠性：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構比較復雜同時容易失效，結構的可靠性較低。振動能量回收懸架采取齒輪齒條式，齒輪齒條結構的制造工藝成熟，適當增加防沖擊結構之后，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構的可靠性也比較差。

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，發電機轉子和定子之間的間隙不受懸架行程變化的制約，具有結構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電機轉子和定子間的間隙由于不受懸架行程變化的限制，加上存在傳統液壓減振器的作用，阻尼力較大，曲柄連桿機構的缺點是體積尺寸大不便于布置。

分析各能量轉化效率：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，加之旋轉式發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減振器，由于一部分能量被傳統減震器所吸收，造成效率極低。根據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 懸架結構設計

3.1 懸架的組成

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

圖1 振動能量回收發電懸架的組織示意圖

3.2 懸架的工作原理

在車體上固定發電機，車橋通過鉸鏈與齒條相連，懸架發電機的驅動齒輪和齒條嚙合。車體發生震動時，驅動齒輪被齒條帶動轉動，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；永磁發電機用于系統發電機；變速系統采用行星齒輪機構。車身與車輪發生相對運動時，驅動齒輪順時針轉動，單向離合器開始工作，輸入軸發生順時針旋轉。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的輸入軸。并且傳動經過齒輪1、齒輪2傳到齒輪3，齒輪3逆時針開始轉動，單向離合器2同時開始空轉打滑；當車身與車輪發生反向運動時，驅動齒輪逆時針旋轉，單向離合器開始空轉打滑，傳動通過齒輪1、齒輪2傳給齒輪3，齒輪3順時針旋轉，輸入軸順時針轉動。輸入軸通過變速系統提速后拉動發電機轉動。發電機發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 振動能量回收發電裝置結構示意圖

4 結論

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