汽车振动能量再生减振器开发大学生创新创业训练计划项目结题材料(编辑修改稿)

汽车振动能量再生减振器开发大学生创新创业训练计划项目结题材料(编辑修改稿)内容摘要：

；在弹簧压缩时后倾角减小，用以造成制动时因主销后倾角变大而在控制臂支架上产生的防止制动前俯的力矩。 纵向平面内上、下横臂有六种布置方案，如图 所示。 第 6 方案主销后倾角的变化规律比较好，在现代汽车设计中被广泛采用，这里我初选第 2 种方案， 39。 5 左右。 水平面内上、下横臂的布置方案 水平面的布置方案有三种，如图 所示。 初取 39。 1 5 ； 39。 2 8 上、下横臂长度的确定 汽车悬架设计时，希望轮距变化更小，以减少轮胎磨损，提高其使用生命，因此应选择上、下横臂长度之比在 附近；为保证汽车具有更好的操纵稳定性，希望前轮定位角度的变化更小，这时应选择上、下横臂长度之比在 附近。 根据我国乘用车设计的经验，在初选尺寸时取上、下横臂长度之比为 为宜。 因此本设计初选尺寸下摆臂长度 1 530l mm ， 21/  ，即上摆臂长度1 mm。 缸体油封设计 油封设计：本文设计的油封，是指对箱体的密封。 其主要功能是把箱体和外界隔离，对外封尘，适用介质：油、水及弱腐蚀性液体，寿命 12020h[10]。 根据机械设计手册，我选择的密封材料是丁腈橡胶；型式是粘接结构，粘接结构是橡胶部分和金属骨架分别加工制造，再用胶粘接在一起成为外露骨架型。 制造简单，价格便宜。 （ a） （ b） （ c） 15 （ d） （ e） （ f） 图 纵向平面内上、下横臂轴布置方案 （ a） （ b） （ c） 图 水平面内上、下横臂轴的布置方案 橡胶密封圈 O 形橡胶密封圈具有良好的密封性，它是一种压缩性密封件，同时又具有自封能力。 所以使用范围很宽，密封的压力范围从 510 Pa 的真空到 400Mpa的高压（动密封可达 35Mpa）。 如果材料选择适当 ，使用温度范围为 60～ +200℃。 使用不同材料的 O 形圈，可以分别满足各种介质和运转条件的要求。 同时， O形圈形状简单，制造容易，成本低廉，使用方便，用于动密封的 O 形圈的密封性不受运动方向的影响。 因此， O 形圈成了一种广泛的密封件。 本 项目 是选用了代号： M45B 1 44,19d mm 材料：丁青橡胶（适用于：矿物质、汽油、苯，静止时温度范围： 30 ~ 200 C ）。 锥形弹簧 16 当受载后，特性线的 OA 段是直线，载荷继续增加时，弹簧从大圈开始逐渐接触，有 效圈数逐渐减少，刚度逐渐增大，到所有弹簧圈压并为止。 特性线 AB段是渐增型，有利于防止共振的发生。 常用的圆锥螺旋压缩弹簧有等节距型和等螺旋角型两种 [10]。 选用了 等节距型的圆锥螺旋压缩弹簧。 图 圆锥螺旋压缩弹簧及其特性线 本章小结 本章通过对多种形式的独立悬架的优缺点的比较，确定了选用不等长双横臂独立悬架作为该车的前悬架，并参考了有关资料初步取得了该车前悬架和整车的主要布置结构形式，来为后面设计数据的选取做为铺垫和主要部分的设计提供参考依据。 17 第 3 章 车辆振动能量再生系统总体方案确定 汽车在不平整道路上行驶时的振动分析 对于一般固定的机械，或者是机车车辆的振动情况都是与汽车振动情况大不相同。 通常为了便于分析，假设汽车是由底盘和车身、后桥、前桥这三部分组成的。 汽车车声振动中心和重心通常是不重合的，所以作用于重心上的力，在引起纵向振动的同时也会引起垂直振动。 如图 所示，在车轮受到冲击后会导致车身发生三种振动，如果将在 B 点的冲击力 F（通过路面不平整激励）移到重心 O上，便附加了一个力矩 BOM FBO 在车声上。 将 BOM 分成 aM 和 cM ，此时便作用了三种力在车声上：力 F 作用于车声重心上，引起车身的垂直振动；引起车身横向振动的力矩 aM Fa ，引起车声纵向振动力矩 cM Fc。 图 车体振动示意图 我们可以这样认为，三种情况的振动可能发生在车身和底盘方面，分别为垂直振动沿 zz 方向、纵向振动绕横轴 xx 以及横向振动绕纵轴 yy 的。 两种较重的振动情况可能发生在轮轴方面（前 桥和后桥），即在充气轮胎上的垂直振动，沿zz 轴方向，以及横向振动绕纵轴 yy。 诚然，作为一个振动体系的汽车实质上是一个多质点的体系，通常认为其有18 个自由度。 所以如果按照汽车是实际情况来研究其振动，会是一个非常复杂 18 的问题。 然而一般在汽车的狗仔设计中，车辆的横向振动、横向和纵向位移已经通过构造要求被限制了。 如此看来，沿 zz 轴的垂直振动则是研究最有意义。 这就是以一个自由度研究汽车振动的基本依据。 通过对不平整路面的大量调查出发，假定路面上的不平整符合正弦波的规律（即所谓搓板路面），本文主要研究汽车在这种不平整路 面行驶时产生的振动情况，以及轮胎对路面附加的作用力。 基于上诉假设，后续章节主要对车体垂直方向振动能量进行分析并加以回收利用。 通过对振动发电装置的国内外研究现状及国内外趋势的分析研究，提出一种利用感应线圈及永磁铁构成的电磁式振动发电系统，感应线圈围绕在永磁铁周围构成一种发电系统，将外界环境的振动能量转换为电能的振动式发电系统，原理模型如图 所示。 图 振动能量再生系统的原理模型 电磁式车体振动能量发电系统的工作原理是：在外部激励下发电系统受迫振动，永磁体随之旋转运动，进而引起绕组交链磁链的改变，导致绕组中产生交变的感应电动势，实现对外部的供电。 车辆振动能量再生减震器结构原理 本文所设计的车辆振动能量再生系统是利用电磁感应原理研制车体振动能量发电系统，设计振动能量回收装置收集电路的硬件电路，研究汽车车体振动能量回收装置对储能装 置进行充电的基本原理，实现对蓄电池充电并应用于车体用 19 电设备。 本设计中的悬架系统是由原始悬架系统中的减震器、导向装置、弹性元件、缓冲块和横向稳定器与振动能量再生减震器组成，振动能量再生减震器与原始减震器并联安装。 如图 为振动能量再生减震器的基本结构。 它包括壳体、转子、定子等部件。 在转子钢轴处固定有感应线圈以及超强永磁铁，随着车辆振动引起齿条上下运动带动齿轮旋转，此处齿轮为单向旋转齿轮，带动永磁铁单向旋转反向不转使磁场发生变化，进而使线圈产生感应电动势。 振动能量发电系统的工艺设计 通过对车体振动能 量发电系统的特性进行分析，可以从优化感应线圈结构及系统材料、增大系统固有频率和磁通量等方面提高发电机的输出电压和输出功率方面考虑。 以此为依据确定系统的材料结构。 本文研究的振动能量发电系统设计是在一定的振幅与频率范围内，用最少的用料，发出较高的电能，且发电系统能够稳定的工作。 振动能量发电系统的结构确定以后，详细的设计步骤如图 所示： 永久磁铁材料的选择 在设计中要根据永磁体的综合性能及永磁体的工作环境，永磁体的价格、可靠性、寿命等，科学、合理地选择永磁体。 同时亦应选择磁导率高、电阻率高的磁 导体以减少功率损失。 钕铁硼稀土永磁材料自问世以来，就以其优异的磁性能被越来越多地应用与各类电机中。 永磁磁场将铁磁体磁化后，去掉外磁场作用后铁磁体仍具有磁性，又称为恒磁性或硬磁性。 凡是具有永磁性的材料都成为永磁材料或叫恒磁硬磁材料。 钕铁硼是一种磁性非常强的材料，有很高的 rB 、 cH ，它的磁能积很高。 它是一种近几十年发展起来的新型磁钢，现在看来，用量最大的地方是在电机中。 稀土永磁材料与传统的铁氧体和铝镍钴永磁铁材料相比，它 具有机械强度高、高磁能积、高矫顽力等优点。 所以较小的磁钢就能产生强大的磁力，可以使电机相应做得小。 用它制作的永磁零件具有体积小、重量轻、性能稳定等优点。 故在选材时主要对钐钴、 钕 铁硼、稀土钴等永磁材料进行了调查对比。 发现铷铁硼在矫顽力 cH 、剩余磁感应强度 rB 、 20 图 振动能量再生减震器结构图 设 计 指 标振 动 源的 确 定永 磁 铁转 子 确 定线 圈 设 计样 机 制 作图 振动发电系统的设计步骤 最大磁能积 max()BH 等方面都具有较大的优势，对于本文的振动能量电磁发电系统的永磁体材料采用铷铁硼 30N 作为永磁铁材料，主要参数如表 所示： 21 表 铷铁硼 30N 主要参数 剩磁 rB 磁感矫顽力 cbH 内禀矫顽力 clH 最大磁能积max()BH 温度系 数 (20 )C TW 密度 居里温度 使用温度 T /KAm /KAm 3/KAm _%/ C 3/g cm C C 780860 955 223239 310 80 磁导体的选择 磁导体是传导永磁体磁通的材料。 在永磁发电机、永磁电动机中使用的永磁体是永磁体恒定的磁场在交变的磁场中工作，并且工作温度较高，因此，要求磁导体应有较高的磁导率和电阻率还要有较小的磁带，以尽量减小涡流损耗和磁滞损耗，同时还要尽量改善磁场与电流的线性关系。 还要求磁导体能在较低的外磁场作用下尽可能地产生较高的磁感应强度，并在外磁场强度增大的情况下，磁通不易饱和，也要求导体在外磁场撤去后，磁导体的磁性消失。 磁导体的功能是有效地传递磁能或信息。 磁导体主要有低碳钢 、纯铁、热轧硅钢片、冷轧硅钢片、铁镍合金、铁钴合金、软磁铁氧体等。 （ 1）低碳钢 低碳钢适用做导体的最好为含碳量小于 %的碳钢。 低碳钢具有良好的韧性和延展性，价格比纯铁便宜得多，硬度比硅铁低。 其饱和磁感应强度 ，矫顽力低， 72 /CBH A m ，电阻率 / m但磁导率较高。 低碳钢可做直流电机的磁轭和高速转子，永磁铁发电机的转子、小功率变压器的铁心，也适用于直流或工频的磁导体。 （ 2）纯铁 纯铁的主要特点是磁饱和强度 sB 高，其具有高磁导率和低矫顽力，缺点是电阻率低， / m，涡流损耗大，不适用于交流，主要应在直流或低频交流下工作。 纯铁可做继电器铁心，直流电机导磁材料，如极靴等，可做磁屏蔽材料等。 纯铁价格较贵，现在使用的不多，多种情况下低碳钢取代。 （ 3）硅钢片 硅钢片适合于 25 ~100Hz Hz交流变化磁场的磁导体。 其主要特点是磁导率较高、电阻率较高、有较低的矫顽力，涡流损失小，是发电 机、电动机的定子和转子的良好材料。 硅钢片分高硅、低硅及热轧和冷轧硅钢片。 冷轧硅钢片又分取向和无取向冷轧硅钢片。 22 （ 4）铁镍合金 铁镍合金的特点是起始磁导率和最大磁导率都非常高，低磁场状态下磁滞损失相当低，电阻率比硅钢片高，是良好的导磁材料。 但是铁镍合金价格较贵，因此，常用于频率较高的场合。 如电源、电信、高频变压器等。 （ 5）软磁铁氧体 软磁铁氧体磁导率高，磁滞损耗小，磁饱和感应强度高。 软磁铁氧体的电阻率高，涡流损耗小，其矫顽力低，化学成分稳定，适合频率宽。 软磁铁氧体在无线电、微波、脉冲技术被广泛低用来制作 电感，变压器的铁心等。 不同材质的软磁铁氧体的响应频率从 800Hz 直到数 kHz ，用途十分广泛。 永磁体的磁路选择 永磁体的磁路就是永磁体通过磁导体构成磁通的回路。 磁路计算就是计算出沿磁导体的回路中的主磁通量  及磁密 B。 永磁体的磁路在实际应用中可分为 ： ① 永磁体串联磁路； ② 永磁体并联磁路；③ 永磁体串联、并联的混合磁路； ④ 永磁体的 拼接。 永磁体的磁感应强度与永磁体的极面积 mS 及两级面之间的距离 mh 有关，在永磁体的磁路中，磁感应强度又与磁导体的磁导率、电阻率的大小，磁导体的导磁面积，磁路的长短，气隙的长短，以及永磁体的串联、并联等诸多因素有关。 所以磁路的设计十分重要。 但永磁体磁极的磁路不论永磁体磁极如何布置，都可以归纳为串联磁路和并联磁路两种。 永磁体轴向布置的永磁体两个极同时利用的永磁体。