汽车减震器能量回收装置设计讲解

目录
1 绪论 (1)
1.1 能量回收装置简介 (1)
1.2 研究的背景及意义 (1)
1.3 国内外发展现状及趋势 (2)
1.3.1国外发展现状 (2)
1.3.2国内发展趋势 (2)
2 理论基础 (3)
2.1 减震器 (3)
2.2 电磁发电技术 (4)
2.2.1法拉第电磁感应定律 (4)
2.2.2电磁感应发电装置结构 (4)
2.3 压电发电技术 (5)
2.3.1压电材料 (5)
2.3.2压电效应 (5)
3 基于压电叠堆储能的新式能量回收装置的结构及工作原理 (7)
3.1 压电叠堆发电装置的结构 (7)
3.2 能量回收装置的工作原理 (7)
4 能量回收装置的等效模型分析 (8)
4.1 模型假设 (8)
4.2 等效模型 (8)
4.3 发电装置的性能分析 (8)
4.4油压频率f对回收装置输出特性的影响 (9)
4.5 压电叠堆长度对输出特性的影响 (9)
4.6 压电叠堆截面面积S对输出特性的影响 (10)
4.7 本章小结 (11)
5 能量回收装置输出电路 (11)
6 结论与展望 (12)
参考文献 (13)
汽车减震器能量回收装置设计
摘要：传统的被动悬架以及半主动悬架只能起到加速车架和车身震动的衰减作用，而起不到对振动能量回收的作用。

当汽车对减震器施加力时，减震器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，这一部分能量被白白浪费掉。

设计一种能量回收装置，能量回收装备将减震器内部的部分压力能转化为电能储存起来。

通过查阅大量关于能源转化的资料，并对各种能量回收方案进行比较，最终确定用压电叠堆能量回收的装置对减震器内部的压力能进行回收。

本文主要对压电能量回收装置的工作原理、理论设计、及数学模型的分析进行概述。

关键词：能量回收；储存；压电叠堆
1绪论
1.1能量回收装置简介
目前，大多数的混合动力车和电动车都配有制动能量回收装置，该装置有推广到非混合动力车的趋势，国际汽联也希望通过KERS系统在F1中的推广，树立环保先锋的形象。

制动能量的回收通常有两种途径，一是以高速旋转的飞轮储存能量，二是车轮在制动时带动发电机，产生的电能储存于电池组中。

制动产生的额外能量可以回收，那么汽车行驶中产生的其它能量也可以回收。

减震器是悬架的重要组成部分，悬架的好坏关系到汽车的舒适性。

在能源短缺的今天，节能减排越来越受到人们的重视。

消费者在选择汽车时，在考虑动力性、舒适性、美观的同时，经济性也是一个重要的原因。

减震器能量回收装置，能够回收减震器在伸张、压缩行程产生的能量，通过压电能量回收原理将机械能转变为电能储存于蓄电池之中，为其他用电设备供电。

1.2研究的背景及意义
从汽车发明以来，汽车工业带动了各个国家经济的发展，但在其发展过程中，一系列的问题不断出现。

能源短缺、环境污染、气候变暖成为各个国家面临的共同挑战。

如何采用新的技术创造出一种新型的汽车成为各国企业不断攻克的难题。

当前内燃机汽车普遍采用的是普通的液力减震器。

由于传统的减震器只起到缓解汽车振动的作用，并不能回收汽车在振动过程中的能量，这就造成了能量的浪费。

众所周知，在经过不平的路面时，汽车车身会发生振动，并且路面越不平稳，汽车振动的越厉害。

通常情况下，振动的能量会以减震器内部机油摩擦生热而损耗，如果能将汽车振动作用在减震器上的能量加以回收再利用，为汽车的其他电器提供能量，已达到节能的目的。

外国学者Browne.A和Hamburg.J在1986年就已经发现，一辆轿车以13.4m/s(30mph)的速度在相对不平整的路面上行驶时，每个减振器的能耗功率较高，具有能量回收的意义，减振器耗能的多少主要与路面不平度、车速及汽车质量相关。

1.3国内外发展现状及趋势
1.3.1国外发展现状
早在上世纪90年代，国外许多著名的专家学者就开始对能量可回收的减震器进行研究。

虽然已经研究出相关的成果，但是这些成果还不成熟，还不能满足目前商业化的要求，不能推向市场。

美国塔夫斯大学的科学家正在开发一种能够回收能量的减震器，它可以通过减震器筒内的线圈与磁体的相对运动产生电能并向电池组充电。

该系统可以与其它能量采集或再生装置配合使用，如制动力回收系统和太阳能电池板等，共同提高车辆的能效。

该技术的研发由塔夫斯大学工程学院名誉教授Ronald Goldner及其同事Peter Zerigian 牵头，研发过程得到了美国阿贡国家实验室（ANL）的支持，能量回收减震器有望于年内在一批电动货运车上试用。

Wendel提出了将能量再生系统运用于车辆悬架系统，并且讨论了可能的实现方案。

Saito研究了将振动能量转化为电能存储于蓄电池的方法。

Hsu通过仿真发现车辆在高速道路上以96km/h车速行驶时，平均每车轮上实际可回收100W的振动能量，相当于驱动GM Impact（Wyczalek，1991）行驶所需能量的5%。

Harada等人利用直线直流电机作为一个阻尼器，再生了汽车的振动能量。

Kim 和Okada利用脉宽调节升压斩波器实现了直流电机在低速中将振动能量转化为电能存储在电容器中，提高了振动能量再生效率。

1.3.2国内发展趋势
目前国内公开了一种回收悬挂减震器能量为新能源汽车充电的发电装置，涉及新能源汽车领域，该发电装置安装在汽车的减震器内，包括随汽车颠簸振动而上下运动的滚珠丝杠、发电机、与滚珠丝杠下部相连随滚珠丝杠上下运动的阻尼活塞组件、以及固定在减震器外壳内底部且与滚珠丝杠底部相连的丝杠导向轴套。

上述发明在不增加能源消耗的基础上，将车辆行驶过程的闲置机械能转化为电能，使新能源汽车在行车过程中能够随时持续充电，延长新能源汽车到站充电的行驶里程，实现高效节能，同时为新能源汽车的进一步普及创造了条件。

目前，国内从事减震器能量回收研究的专家相对还比较少。

大多都停留在理论分析的阶段，进行实际实验的研究成果比较少。

何仁教授针对不同的结构方案，对馈能悬架的工作原理及其评价指标进行了详
细的阐述。

吉林大学于长淼运用CARSIM及MATLAB/SIMULINK等仿真软件，分析了电磁馈能悬架的节能情况，结果表明电磁馈能悬架能够在一定程度上回收振动能量。

西安理工大学的陈宏伟等基于节能与主动控制的考虑，提出了一种节能主动悬架系统，利用无刷永磁直线电机作动器作为主动悬架的作动器，设计了这种悬架的基本结构，根据车辆行驶路面不同，可以实现对振动能量的回收利用，当执行器速度与电磁力同向时，执行器处于电动状态，为悬架提供一个主动力；当速度和电磁力反向时，执行器处于发电状态，从而实现能量回收，并以SUV车辆悬架进行了仿真分析。

2理论基础
2.1 减震器
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震器。

减震器和弹性元件是并联安装的如图2-1所示。

图2-1 减震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，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。

减震器的阻尼力越大，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震器连接零件及车架损坏。

为解决弹性元件与减震器之间的这一矛盾，对减震器提出如下要求：
1.在悬架压缩行程（车桥与车架相互移近的行程）内，减震器阻尼力应较小，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，减震器的阻尼力应大，以求迅速减振。

3. 当车桥与车架的相对速度过大时，减震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震器称为双向作用式减震器。

另有一种减震器仅在伸张行程内起作用，成为单向作用式减震器[1]。

2.2 电磁发电技术
2.2.1法拉第电磁感应定律
1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应后，人们便努力尝试寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题。

在这之后大约十年，物理学家发现了电磁驱动和电磁阻尼现象，这两种电磁现象是人们那时发现最早的电磁现象，但并没有人从理论上对其进行解释或描述，也没有人对其产生质疑。

直到1831年8月，法拉第在同一个软铁环两侧分别绕制两个线圈，使其成为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针，另一线圈与电池组相连。

在接通开关后，线圈中就形成了闭合回路。

实验发现，合上开关的瞬间，磁针发生了偏转，而在切断开关时，磁针会向相反的方向偏转，这表明在另一个线圈中出现了感应电流[2]。

法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态相应。

紧接着他做了将近上百次实验，把产生感应电流的情形概括为5类：变化的电流，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应，并于之后给出了电磁感应的完整定义及量化公式。

闭合电路中的的导体在切割磁感线时，导体中会产生电流，人们把这种现象叫做电磁感应现象，人们把导体中产生的电流、电动势，分别成为感应电流、感应电动势。

法拉第电磁感应定律可以描述为：当闭合回路中的磁通量发生变化时，闭合电路中就有感应电动势产生，并且感应电动势的大小与穿过该电路的磁通的变化率成正比。

如式2-1所示。

dt d
n ϕε-= (2-1)
2.2.2电磁感应发电装置结构
电磁感应发电原理结构如图2-2所示
图2-2 电磁感应原理
2.3压电发电技术
2.3.1压电材料
压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

1880年，法国物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。

这一现象被称为压电效应。

随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。

反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形[3]。

2.3.2压电效应
压电效应可分为逆压电效应和正压电效应。

所谓的正压电效应，如图 2-3 所示，当对被极化的晶体施加外力时，晶体内部会产生电极化的现象，同时在被施加外力的表面积聚极性相反的电荷；而当所施加的外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当施加外力作用方向改变时，电荷的极性也会随之改变；晶体受力形变所产生的电荷量与施加的外力的大小成正比。

我们经常利用正压电效应原理制作压电式传感器。

逆压电效应又被称作是电致伸缩效应，如图2-4，即当对被极化的晶体两个表面施加交变电场引起晶体周期性机械变形的现象。

图2-3 正压电效应
图2-4 逆压电效应
2.3.3压电发电装置基本模型
图2-5（a）模式和（b）模式是压电发电装置的两个机电耦合模式。

在（a）型的机电耦合模式中，耦合产生的电场方向和应力对压电体的方向是相同的，如图2-5(a)所示。

在(b)型机电耦合模式中，所产生的应力方向和电场方向是相互垂直的，如图2-5(b)所示。

图2-5 压电材料机电转换类型
3基于压电叠堆储能的新式能量回收装置的结构及工作原理
3.1压电叠堆发电装置的结构
压电叠堆发电装置的结构如图3-1所示，整个装置由连接杆、预压弹簧、调整螺母、连接螺母、压电叠堆、力传感器、球铰、激振杆等组成[4]。

图3-1 压电叠堆发电装置结构
1.连接螺母
2.压电叠堆
3.力传感器
4.球铰
5.激振杆
6.激振力
7.调节螺母
8.预压弹簧
9.连接杆
将压电发电装置安置在特殊设计的减震器中，减震器具体结构如图3-2所示，
图3-2 能量回收减震器
3.2能量回收装置的工作原理
汽车在经过不平路面时，车身会上下振动，为加速车身的振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在轿车上一般都安装有汽车减震器。

液力减震器在衰减汽车振动时，
减震器活塞在缸筒内做往复运动，活塞在运动的过程中会对液压油产生压力，压力叠堆发电装置在接受油压之后，经压力传感器传给压力堆叠，压力叠堆变性后产生电荷输出，实现机械能转换成电能[6]。

4能量回收装置的等效模型分析
4.1 模型假设
1.忽略压电叠堆漏电电流的影响。

2.各压电陶瓷片之间是理想黏结的。

3.压电叠堆受到恒定压力作用产生的电荷由于收到叠堆内部电场的束缚无法形成电流。

4.2 等效模型
根据模型假设和图3-1所示结构，将发电装置等效为由压电叠堆和减震器内油压组成的系统，如图4-1所示[7]。

图4-1 压电发电装置等效模型图
根据压电叠堆的极化方向，可将压电叠堆方程简化为 E dT D T ε+= (4-1) E d T s S t E += (4-2) 式中，E 、S 分别为轴向电场强度和电位移；d 为恒定电场下的柔性系数；t d 为介电常数；D 、T 分别为轴向应变和应力。

4.3 发电装置的性能分析
下面将讨论叠堆长度L 、外力幅值F 、与频率F 、截面面积S 和系统阻尼系数ξ等对输出性能的影响。

压电叠堆参数如表4-2所示[8]。

表4-2 压电叠堆结构和材料参数
结构参数
材料参数 长度L(mm)
40 压电常数t d （m/V ） 70012-10⨯ 截面积S （mm 2）
110 弹性柔性系数E S （m 2/N ） 1.389-10⨯ 厚度T p (mm)
0.188 密度ρ（Kg/m ） 7.5310⨯ 压电片数目n
160 相对介电常数T ε 730
4.4油压频率f 对回收装置输出特性的影响
图4-3所示为激振杆质量分别为25g 、20g 、17.84g 、15g 和10g,激振力幅值F 为1500N 时,电流、压电叠堆输出电压随激振力频率f 的变化情况。

由图4-3可知,随着激励杆质量的增大, 电流、压电叠堆产生的输出电压均减小。

除此之外,当压电叠堆一阶固有频率与激振力频率一致时,压电叠堆处于谐振状态, 压电叠堆输出电压和电流达到最大,并且压电叠堆振动位移幅值、应变和应力也均达到最大[9]。

图4-3 输出电压、电流随压力频率的变化图
4.5 压电叠堆长度对输出特性的影响
下面将讨论压电叠堆长度对输出特性的影响。

如下图4-4所示是m =17.84g,f
=1650Hz,F=1500N时电流、压电叠堆输出电压随压电叠堆长度的变化情况。

当压电叠堆的振动位移达到最大时,其输出电压、电流也达到最大。

由图4-4可见,当压电叠堆长度正好满足压电叠堆的谐振频率方程时,压电叠堆处于谐振状态[10]。

图4-4 压电叠堆长度对输出电流、电压的影响图
4.6压电叠堆截面面积S对输出特性的影响
如下图4-5所示是激励杆质量为m =15g,F=1500N,频率f =1650Hz时压电叠堆输出电流、电压随压电叠堆截面面积的变化情况。

由下图4-5可见,当压电叠堆的截面面积增大到使压电叠堆产生谐振时,其输出电压、电流达到最大[11]。

图4-5 压电叠堆截面面积S对输出特性的影响
4.7本章小结
1.当激振力频率一定时，激振力越大，发电特性越好。

在激振力频率与装置的
谐振频率一致的情况下，电流、电压达到最大。

2．在激振力频率一定的情况下,压电叠堆的长度、截面面积和弹性柔性系数都有一个最佳值。

通过调整不同的参数，使该值刚好满足压电叠堆的频率方程,并且使压电叠堆处于谐振状态,在这种情况下压电叠堆的发电能力达到最大。

3.选用高压电常数的压电陶瓷能够提高发电输出特性[12]。

5能量回收装置输出电路
能量回收电路由三部分组成，包括接口电路、压电换能器和电源管理模块。

电源管理模块是整个系统的重要组成部分，为整个电路提供控制。

回收电路结构的原理如图5-1所示。

回收电路由脉冲充电单元和滤波整流单元组成。

整流部分的作用是将压电能量单元中压电片受压变形后产生的交流电转笔成直流电。

整流部分和脉冲充电单元分别由滤波电容、整流桥和充电电容、场效应管、低功耗的电压比较器组成。

通过采用脉冲充电的方式，可已经接口电路的输出功率稳定在最优负载输出功率的55%左右[13]。

图5-1 脉冲充电方式的接口电路
通过结合发电装置和回收电路之后，理论上当压电片受到的压力为1500N时回收的功率约为100mW。

最终将通过压电换能器转换的电能储存在电容C1中。

在附图5-4所示的能量回收控制单元中，电源管理模块是该单元的一个重要组成部分，它主要包括一个低功耗的电压比较器U5、一个低功耗的交流-直流转换器U3，一个场效应管Q3[14]。

电源管理模块有如下的工作原理：阀值开关电路由场效应管Q3与电压比较器配合组成，电压比较器将超级电容C1的电压和预设值进行比较，当电容电压大于预设值时，电压比较器发出信号，打开开关Q3,这时超级电容中储存的电
能通过MAX1724转换芯片转换成14V电压，给蓄电池充电，这样就完成了储能的过程[15]。

6结论与展望
本文研究的目的是为了设计能量回收装置以及回收电路的设计，减震器通过安装能量回收装置，使得减震器能够回收汽车在振动过程中的能量，提高能源的利用率，已达到节能减排的目的。

本文完成了以下主要工作：
1.通过上查阅国内外相关资料，提出了压电叠堆发电装置在减震器内部的应用的假想。

2.通过汽车理论、压电方程等原理应用数学建模对压电能量回收装置在减震器内部的可行性进行分析，并得出该方案的可行性。

3.通过电子元件的选择及单片机的应用，设计了一套集控制与一体的能量回收电路，并进行可行性分析。

通过本文的研究，可以得出一下结论，装有能量回收装置的减震器，可以回收汽车在振动过程中的部分能量。

进一步提供能源的利用效率，在能源短缺的今天，如果该设计能被最终应用于实际生产将是一个非常有利的事。

但是由于本人水平有限，不能将装置设计的十分完美，装置安装的位置以及电路的设计可能都存在缺陷，电路还需进一步优化，能量回收效率还有待进一步提高。

本文基本实现了设计的目标，但是由于压电叠堆结构的研究还不很成熟，造成对发电装置的具体结构尺寸还不精确，在减震器内部的实际应用还有待进一步研究，接下来，我们可以对本文现有的研究进一步研究：
1. 选择更加优良的压电材料，选择合适的横截面积，进一步缩小能量回收装置的尺寸，增加能量回收的效率。

2. 设计一套与之相匹配的回收电路，使其能量在回收过程中不会有很大的损失，进一步提高回收的效率。

相信通过以后不断的学习研究，国内在汽车节能方面的研究成果会越来越多，最终会在世界范围内占有一席之地。

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Design of energy recovery device for automobile shock absorber
Abstract: Traditional passive suspension and semi-active suspension can only have accelerated frame and body vibration attenuation effect, and no effect on the vibration energy recovery. When car shock absorber force , shock absorber of hole wall and the friction between the oil and liquid friction within the molecular form of vibration damping force. It make the body and frame of the vibration energy into heat energy, absorption by shell oil and shock absorberClosed and scattered into the atmosphere. This part of energy is wasted. Design a kind of energy recovery device, energy recovery equipment parts of the shock absorber internal pressure can be converted into the electrical energy storage. By looking at a lot of useful information on energy conversion, and comparing of various energy recovery schemes, and ultimately determine the damper with energy recovery device of the piezoelectric pile the pressure inside the can recycle. In this paper, the working principle of piezoelectric energy recovery device, design theory, mathematical model and analysis are summarized.
Key words: Energy recovery; Storage; Piezoelectric stac k
谢辞
在学士论文即将完成之际，作者在此感谢在大学期间对我帮助的人们。

首先，感谢马老师对自己论文的指导和帮助。

本论文从选题到定稿再到最后的完成都是在马老师的指导下完成的，马老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，平易近人的人格魅力对我影响深远。

这对我现在的学习以及以后的工作都会产生很大的帮助。

我将会以马老师的优秀工作作风为榜样，严于律己，不断进取。

在此，我向我的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

感谢系里老师对我在专业知识上的悉心教导和帮助，让我对我们汽车工车系的知识有了一个较为完美的认识，也给我本次论文的写作带来了很大帮助。

另外感谢帮助过我的同学和朋友们，感谢他们对我的帮助。

最后我要感谢我的父母，这么多年来对我生活学习的无私支持和关怀，同时我也深深感到这么多年来对他们的亏欠，希望父母健康快乐的生活每一天是我最大的心愿。