1、大学生创新创业训练计划项目结题材料项目名称：汽车振动能量再生减振器开发黑龙江工程学院2014 年 3 月 20 日目 录1. 结题验收表.12. 总结报告43. 佐证材料.361大学生创新创业训练计划学生项目结 题 验 收 表项目名称：汽车振动能量再生减振器开发 负 责 人：鲍鸿宇 院 系：汽车与交通工程学院 专业班级：车辆工程 09-12 指导教师：王云龙 批准日期：2012 年 5 月 18 日 验收日期：2014 年 3 月 25 日 黑龙江工程学院2一、项目基本情况计 划 完 成 时 间 2013 年 12 月 实 际 完 成 时 间 2014 年 3 月序 号 姓 名 院 系 专业班
2、级 项 目 分 工1 战 宇 汽车与交通工程学院 车辆 09-02 减振器 CAD 装配设计2 梁海东 汽车与交通工程学院 车辆 09-12 减振器理论计算3 王忠营 汽车与交通工程学院 汽服 11-01 国内外研究资料查询、翻 译4项 目研 究人 员5姓 名 王 云 龙 院 系 汽车与交通工程学院指 导 教 师姓 名 齐 晓 杰 院 系 汽车与交通工程学院二、项目研究摘要（ 概 括 介 绍 项 目 主 要 内 容 、 主 要 结 论 及 应 用 价 值 等 ）主要内容：设计车辆振动能量再生系统，主要包括再生系统整体框架设计、振动能量再生减振器设计、道路谱发生装置设计、电能吸收分配装置设计等内
3、容。能量再生试验台的各个组成部分的指标、参数按照车辆实物进行设计，满足实际运行需要的指标、参数。在设计最初应先对不同车型的减震器布置形式和部件的选用进行资料收集与调查分析，从而确定自己的设计的布置形式和零件的选择。总体结构确定下来开始进行齿轮和轴的尺寸进行设计计算，在进行绘制草图，并且通过试验产生的数据进行对比来进行数据的修正与优化。完成振动能量再生减震器的数据设计和相关零件的选取工作，开始进行 CAD 的零件图与装配图绘制，绘制完成平面图纸进行边框和标注进行细节修改。主要结论：本项目研究后，设计的振动能量再生减振器能够将车辆行驶过程中产生的振动进行回收利用，将汽车直线振动转换为发电机转子的旋
4、转运动，从而产生电能，为汽车用电设备提供电能。应用价值：随着世界范围能源危机、温室效应的日益加剧，缓解能源紧张、减少温室气体成为社会各界普遍关注的问题。节能环保已成为汽车技术领域发展的一个重要趋势，新能源汽车、汽车节能技术、汽车环保技术等成为研究的热点。本项目将汽车行驶过程中产生的振动能量进行有效回收、利用，变成汽车可以利用的电能，为车辆提供电力又起到节约能量的作用。因此，对节能环保汽车的推广、普及具有一定的促进作用，对落实国家倡导低碳交通、节能减排的政策具有十分重要的现实意义。3三、结题验收结题条件：1创新创业训练项目实现创新性产品或服务，完成项目提出的任务、功能和目标参数等；2创新训练项目
5、和创业训练项目的研究成果已经应用到创业实践项目中；3依托项目进行大学生科技竞赛，获得省三等奖（含）以上奖励；4在省级以上（含）期刊发表与本项目内容相关的学术论文；5研究成果取得国家专利或通过行业专家鉴定；6项目的实施已经产生一定的经济价值或良好的社会影响。结题验收材料（附后）：1项目总结报告2授权国家专利345符合结题条件第（5）条。四、项目验收意见导师验收意见签字：年 月 日院（系、部）验收意见签字： 盖章年 月 日学校验收意见签字： 盖章年 月 日4大学生创新创业训练计划学生项目总 结 报 告项目名称：汽车振动能量再生减振器开发 负 责 人：鲍鸿宇 院 系：汽车与交通工程学院 专业班级：车
6、辆工程 09-12 指导教师：王云龙、齐晓杰 批准日期：2012 年 5 月 18 日 验收日期：2014 年 3 月 25 日 黑龙江工程学院2014 年 3 月5第 1 章 绪 论汽车从它的出现到发展到现在承担了对我们发展的重要作用，从载人到载货的变换，减震系统对乘坐人员的舒适性到保证货物安全运输的能力都起到至关重要的作用。减震器消耗能量占发动机输出能量的比重较大，而且路面越不平整、汽车车速越高，减震器消耗能量占发动机输出能量的比重就越大，而且路面不平度系数对减震器能耗百分比的影响更直接，可见汽车振动能量较大，具有一定回收的价值。减震器能耗是汽车能耗的重要组成部分，只是这部分振动能量一直未
7、被利用，随着能源问题的日益突出，节能是当前汽车设计中的首要问题之一。回收汽车振动能量，越来越具有实际意义。因此，既节能，性能又好的悬架系统，必将成为一个具有实际意义的研究方向。1.1 意义和目的本课题研究的基本目的是利用汽车振动带动振动发电系统发电，并对电能进行收集。通过振动能量发电系统吸收外部环境中的振动能量转化为电能，为用电设备供电。车辆振动能量再生系统从再生试验台整体框架构建、振动能量再生减振器设计、道路谱发生装置设计、电能回收与分配装置设计等方面入手，利用 CAD 绘图软件进行设计、开发，该系统要能模拟车辆在实际路面行驶时的振动特性，并将其振动能量进行再生转化为电能。本设计题目的完成对
8、于全面提高学生工程设计能力和素质，能量转化、再生等问题具有重要的现实意义和良好的实用意义。一般来说车辆的振动能量转化成为机械能或弹性势能后以热能的形式散失掉了，这样无形中将这部分能量浪费掉了，现在一般最好的车辆所能着手的也只是选择将这部分能量以何种形式给消耗掉，就目前来看现在最主流的几种处理的振动的悬挂系统像麦弗逊式、双叉臂悬挂、多连杆悬挂它们所做的也只是在于如何能将这部分能量更好更合理的散失掉。本课题是研究如何能讲这部分能量更好的回收并有效的利用起来。减振器是车辆行驶平顺、舒适性能的重要部件，传统的车辆减振器主要通过液体、气体等介质用来吸收路面传来的振动能量，使车辆能够平稳的行驶，使驾驶人和
9、乘坐人不会产生不适的感觉。车辆的振动是不可避免的，同时又是无处不在的。振动能量再生减振器不但具有传统减振器的功能，更重要的是其可以有效的将路面传递的振动能量通过振动再生减振器转化为电能，用来给车辆用电装置供电，从而减少因发动机带动发电机所消耗的功率，从而提高车辆6的动力性、经济性。它是一种新型的能量回收、再利用的减振器，包括振动能量吸收装置、振动能量再生系统、能量输出系统等组成，主要由主副壳体、齿条、齿轮组、永磁铁、导向机构、发电机转子以及电流滤波装置等电能回收输出装置组成。该减振器结构简单、适用范围广、制造成本低、经济效应显著，适合于各类型车辆使用。这种能量回收系统还带来了一些值得关注的额外
10、好处，例如在冷起动时为发动机或乘客舱供暖系统提供额外热量。热电式发电机还是高效动力制动能量回收系统的理想补充。制动系统在减速和停车时产生能量，而热电式发电机则在激情驾驶（也就是加速）时具有最佳功能性。研究人员预测，将来在实际日常驾驶条件下，这套节能系统最多可使耗油量减少 5%。1.2 研究现状 车辆行驶时，路面不平度会激起车辆的振动，当这种振动达到一定程度时，乘员会感到不舒适和疲劳，直接影响车辆的平顺性和乘坐舒适性以及承载系的可靠性和寿命。车轮与路面之间载荷的波动还影响到它们的附着效果，路面不平度使车辆在行驶中产生行驶阻力和振动，为了改善车辆的行驶质量，汽车传统减震器以摩擦的形式将这部分机械能
11、转变为热能，从空气中耗散掉，从而衰减车辆的振动，使汽车获得良好的平顺性。如果能将这些能量加以回收利用，则可以降低汽车能耗，从而实现节约能源的目的，因此汽车振动能量回收得到了许多学者和企业的关注，但是现有相关研究文献表明，到目前为止只有少数研究机构在具体试验上取得了实质性成果，现有技术的研究状况还不足以满足商业应用的要求。汽油 发动机速度变换 驱动轮轴发电机 储能装置 用电设备振动发电车体振动图 1.1 车体振动能量回收示意图7（一）机械能源再生的发展现状在机械式振动能量回收方面，再生泵装置，机械式可变线性传动装置以及再生振动器是较典型的例子，虽然在能量回收性能上，有些只适合某种特殊工况，但是在
12、设计理念上突出了使用回收的能量来抑制振动或维持车身姿态的功能或为其他用电器供电。由于电机能量转换方面的优势，永磁电机被应用在汽车振动能量回收上，振动能量回收发电开始迅速发展起来。振动能量回收在实现途径上主要有液压式振动能量回收、电磁式振动能量回收及液电式振动能量回收等。液压式振动能量回收的原理是通过适当的机械传动结构将车轮和车身的振动能量传递给液压或气压储能装置，以液压能或气压的形式进行存储，在适当的时候释放储能，减小能耗。电磁式振动能量回收的原理是用机械能与电能的转换装置替代传统的减振器，当车轮和车身相对运动时，电机的线圈切割磁力线，向外输出电流，将机械振动能量转化为电能，存储到储能装置中。
13、液压式振动能量回收悬架的优点是：它可在现有液压或空气悬架上，增加液或气形式的振动能量回收装置，通过调整控制策略，减小能耗。但其缺点是响应频率较低，响应速度较慢，回收的能量应用范围受到限制。电磁式振动能量回收悬架根据能量转化装置结构的不同又分为直线电机式振动能量回收悬架和旋转电机式能量回收悬架。直线电机式传动效率不高，质量较大、磁场强度不足，而旋转电机式则较好地弥补了前者的缺点。旋转电机式的振动能量回收效率明显超过直线电机式。液电回收装置式减震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
14、，从而将振动机械能转化为电能，可为汽车空调以及其他电气系统提供电能。（二）震动能源再生在汽车上的发展现状自 20 世纪 70 年代末，学者们开始从理论上分析研究车辆振动能量和回收的可行性。理论分析了车辆被动悬架阻尼器的能量损失机理，揭示了悬架系统的能量耗散过程，指出振动能量回收悬架系统可减低整车驱动功率，对电动车辆尤为有利。加利福尼亚大学戴维斯分校的 Karnopp 在车辆悬架系统能耗和主动悬架的研究中，理论分析了车辆被动悬架阻尼器的能量损失机理，揭示了悬架系统的能量耗散过程，指出振动能量回收悬架系统可减低整车驱动功率，对电动车辆尤为有利。Velinsky 基于四自由度后轴悬架模型，通过测量悬
15、架阻尼器和轮胎之间的相对速度，分析了悬架系统的能量耗散。Segel 分析了悬架系统能量耗散对抑制不平路面振动的影响，计算得到某乘用车在颠簸路面上以 813.4 m/s 的速度行驶时，4 个被动阻尼器的能量耗散功率约为 200 W。Hsu 以 GM Impact 为例，估算了某车辆在高速道路上以 16 m/s 的车速行驶时，平均每个车轮可回收能量功率为 100 W，相当于车辆驱动功率的 5%。喻凡理论计算了汽车主动悬架的耗能情况和回收路面振动能量潜能。Browne 对某轿车阻尼器的能量耗散进行了定量测量，结果表明在典型城市道路上，4 个阻尼器的能量耗散功率为 4060 W。自 20 世纪 80
16、年代末，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，响应速度较慢，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。国内外学者和企业已围绕有效回收振动能量和保证足够的减振性能等核心问题进行了探索和尝试，获得了一些有价值的成果，并在样机试制和试验验证上取得了较大进展。随着电控系统的日趋成熟以及控制策略的日益完善
17、，电磁式振动能量回收悬架，将会成为具有发展前景的研究方向。20 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讲电磁式阻尼器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、储存电能的管理统一起来。提高了整车的操纵及动力性能，减小车辆在粗糙路面上行驶时的滚动阻力，因此提高车辆的行驶平顺性及行驶速度。但由于该试验主要是改进军用车辆的性能，因此研究的重心在于提高动力性和行驶平顺性，而在节能方面还有待进一步的提高。2004 年，Bose 公司宣称，用直线电机取代弹簧与减震器，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
18、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。Bose 公司通过这项技术建立的电磁式悬架系统，在利用电磁力和直线电机抵消道路冲击的同时回收部分能量。2009 年 2 月，麻省理工学院（MIT）声称气采用液压系统和发电系统成功研制了一种用于汽车悬架部位的能量回收装置。将此装置安装在一个 6 轮的卡车上，试验结果表明平均每个回收装置能够回收 1KW 的能量。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，尽管也都对回收能量装置的结构及基本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大学对振动能量回收悬架的可行性分析做了较为深入的探讨。1.3 车辆振动能量再生系统应满足的设计要求
