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江南大学 硕士学位论文 TPMS（轮胎气压监测系统）无源化研究 姓名：徐连强 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：周一届 20070316 摘要 摘要 轮胎气压监测系统( T i r eP r e s s u r eM o n i t o r i n gS y s t e m ) 是汽车上一种新的主动安全技 术产品，近两年国内发发展迅速。由于它能够适时监测车胎内气压和温度情况，及时报 警，能够最大限度地避免由爆胎引发的交通事故，提高了汽车的行车安全。针对T P M S 无电池供应模式的发展趋势，研究和分析了国内外T P M S 无源化发展的几个实现方案， 对压电发电方案、微震动发电方案、磁场电磁耦合方案进行简要分析，同时尝试设计一 种新方案进行具体研究。在汽车轮毂上安装一个动能转换装置，利用车轮转动的动能转 化为电能，提供T P M S 系统车内传感器的工作需要。本装置主要由磁铁、线圈和轴组成， 线圈固定在轴上，在汽车加速或减速的过程中，依据惯性原理，磁铁将相对于轴转动， 达到切割磁力线产生电能的目的，通过对装置的运动规律分析，动平衡分析，能量统计 得出结论，得出方案可行性，提供了一条实现T P M S 无源化有效途径。 关键词：T P M S 无源方案新方案运动规律 1 1 1 江南大学硕士学位论文 A b s t r a c t T P M S ( m r cP r e s s u r eM o n i t o r i n gS y s t e m ) a san e wt y p ea u t o m o b i l ea c t i v es a f e t yd e v i c e h a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r sw o r d w i d e S i n c ei tc o u l dm o n i t o rt i r ep r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r ei nr e a lt i m ea n da l e r tt h ed r i v e ri nt i m e ，m o s tt a f f i ca c c i d e n t sc e u db yf l a t t i r ec o u l db ea v o i d e dt oe s s u r es a f ed r i v i n g I nv i e wo ft h eT P M S n o n - b a t t e r ys u p p l yp a t t e r n t r e n do fd e v e l o p m e n t , s t u d i e da n dh a sa n a l y z e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nT P M Sp a s s i v e d e v e l o p m e n ts e v e r a lr e a l i z a t i o np l a n , t ot h ep i e z o e l e c t r i c i t ye l e c t r i c i t yg e n e r a t i o np l a n ，t h e m i c r o s e i s m i cm o v e m e n te l e c t r i c i t y g e n e r a t i o np l a n ，t h em a g n e t i cf i e l de l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n gp l a nc a r r i e do nt h eb r ! i c fa n a l y s i s , s i m u l t a n e o u s l ya t t e m p t e dd e s i g n so n e k i n do fn e w p l a nt oc o n d u c tt h ec o n c r e t er e s e a r c h I n s t a l l sa ne n e r g yU a n s f o r m a t i o ni n s t a l l m e n to nt h e a u t o m o b i l ew h e e lh u b ，r o t a t e st h ek i n e t i ce n e r g yu s i n gt h ew h e e lt ot r a n s f o r ma st h ee l e c t r i c a l e n e r g y , p r o v i d e si nt h eT P M Ss y s t e mv e h i c l et h es e n s o rj o br e q u i r e m e n t T h i si n s t a l l m e n t m a i n l yb yt h em a g n e t ，t h ec o i la n dt h ea x i si sc o m p o s e d , t h ec o i lf i x e so nt h ea x i s ，o r d e c e l e r a t e si nt h ep i c k - u pi nt h ep r o c e s s ，t h eb a s i sl a wo fi n e r t i a , t h em a g n e tm i l i t a r ya n d p o l i t i c a ll e a d e rm g a r d i n gt h ea x i sr o t a t i o n , a c h i e v e dt h ec u t t i n gm a g n e t i cl i n eo ff o r c eh a st h e e l e c t r i c a le n e r g yg o a l ，t h r o u g ht ot h ei n s t a l l m e n tl a wo fm o t i o na n a l y s i s ，t h et r a n s i e n t e q u i l i b r i u ma n a l y s i s , t h ee n e r g ys t a t i s t i c sd r a w st h ec o n c l u s i o n ，o b t a i n st h ep l a nf e a s i b i l i t y , p r o v i d e do n et or e a l i z et h eT P M Sp a s s i v ee f f e c t i v ew a y 。 K e y w o r d s ：T P M Sp a s s i v ep r o j e c t n e w p r o j e c t m o t i o nr e g u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：捡兰i 垒日期：脚5 月，6 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：缝查! 垦导师签名：啦 日期：抄。 年3 月7 占日 第一章引言 1 1T P M S 1 1 1T P K S 概念 第一章引言 汽车轮胎压力监视系统( 1 1 P M s ，T i r eP r e s s u r eM o n t o r i n gS y s t e m ) ，主要用于在汽 车行驶时实时，适时对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压防 爆胎进行报警，保障行车安全。在2 0 0 0 年这个概念频繁的出现在各种报刊杂志中，成 为汽车界的关注热点。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和 最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的 交通事故有7 0 是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达8 0 。怎样防止爆胎已成 为安全驾驶的一个重要课题。据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的车 胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。而四M s 一汽车轮胎压力监视系 统毫无疑问将是理想的工具。 目前，T P M S 主要分为直接式和间接式两种类型。间接式T P M S 不需要安装电池， 是通过汽车A B S 系统的轮速传感器来比较车轮之问的转速差别，以达到监视胎压的目 的。当某一只轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相 应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，得出轮胎气压 太高或不足结论，从而报警。该类型系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的 状况和速度超过1 0 0 k m h 进行判断。 直接式T P M S 是利用安装在每一只轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并 对各轮胎气压进行显示与监视，直接式T P M S 从功能和性能上均优于间接式T P M S 。如 图1 1 所示。 图1 - 1 安装在轮毅上的内置传感器 1 江南大学硕士学位论文 I 1 2T P M S 工作原理 安装于轮胎内的感应器发射器模组( 简称传感器) ，通过电桥式电子气压温度感应 装置，精确地感应，测量每个轮胎内的气压，温度，并将气压，温度信号转换为电信 号，再通过无线发射装置将信号发射传输到安装在驾驶室内的接收器上，并以数字方 式实时显示于显示器上，当任何一个轮胎的气压，温度超出所设定的正常区域值时，便 通过声、光、电向驾驶者报警，提醒。3 。过程演示如下图卜2 。 1 1 3T P M S 系统构成 图1 - 2T P M S 工作原理图 一般直接式T P M S 系统由发射器( 图卜3 ) 和接受器构成( 图卜4 ) ： ( 1 ) R T P M 模块一远程轮胎压力监视模块( R e m o t eT i r e P r e s s u r eM o n i t o r i n g ) R T P M 模块赢接安装在每个轮胎里测量轮胎压力和温度，并将测量得到的信号通过高频无 线电波( R F ) 发射出去。一个T P M S 系统有4 或5 个( 包括备用胎) R T P M 模块。 R T P M 模块构成 一个趼P M 模块由以下几个部分组成： 压力传感器一测量轮胎内部压力 微处理器一管理所有外围设备，进行压力、温度、加速度和电池电压的测量、补偿、 校准等工作，以及R F 发射控制和电源管理 温度传感器一测量轮胎内部温度 加速度传感器或开关一车辆移动检测，触发模块唤醒信号 R F 射频发射电路一将检测的进行压力、温度、加速度和电池电压用R F 射频信号发射 出去 2 蔓= 童! ! 童 电池电能收集器一提供所有电路需要的电能 L F ( 低频) 天线一接收中央监视器发来的L F 唤醒信号，并可实现与中央监视器的 双向通讯功能。 图卜3T 刚S 发射器由五个部分组成 ( 2 ) 中央监视器 中央监视器接收R T P M 模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕 上，供驾驶者参考。如果轮胎的压力或温度出现异常情况，中央监视器根据异常自动报 警，发出不同的报警信号，提醒者采取必要的措施。 图1 4T P M S 接受器由六个部分组成 1 1 4 T P M S 监测系统电源供应模式 直接式T P M S 又可分为带电池T P M S 和无电池T P M S 。有电池供应模式采用锂电池， 空载电压3 肌3 6 V ，负载电压2 8 , - 3 4 V 。锂电池是T P M S 系统核心部件，在轮胎中要耐 高低温( 4 0 1 2 5 ) ，由于传统的锂电池在4 0 低温时丧失电能，在+ 1 0 0 1 3 高温时会自 动放电。在目前成本条件下，除要求电池使用5 7 年外，还要求体积小，重量轻，即在 保证容量的条件下尽量选择体积小、重量轻的电池。目前趋势是选用2 4 5 0 锂电池，重 约8 9 ，但是必须限制检测和发射的次数，以保证模块可以使用5 - 7 年，但这样就无法做 到实时监控。无电池供应模式不需要安装电池，以其他方式供应胎内模块能量需求。相 3 垩堕盔兰堡主兰垡堡奎 比较而言，无电池供应模式更具有优越性，不受轮胎中温度和气压影响，可以避免使用 锂电池带来的局限性。T P M S 的未来发展趋势将朝向无电池方案，因此对T P M S 系统 无电池供应模式研究具有重要意义。 1 2国内外无源方案研究现状 在美国D S n y d e r 的专利中口1 ，应用了能量转化概念的发生器。在轮胎传感器中包 含有压电式簧片，轮胎的运动使压电式簧片弯曲和产生电能。特点是结构复杂，体积较 大，还处在实验室研制阶段。 中国在T P M S 系统无源化研究方面取得新的进展。2 0 0 4 年，首款无源( 无电池) 汽 车轮胎压力监视系统T P M S 专利技术( 一种微型发电机) 在杭州通过验收口1 。 目前，通福科技有限公司已推出无源T P M S 系统产品，该系统通过微震动发电机( 樟 脑丸大小) 供电代替锂亚电池。 日本阿耳卑斯电气公司已经成功开发不需要电池的汽车轮胎气压监测系统。气压数 据信息的收发通过安装在车身上的收发器进行。这个气压监测系统采用了带宽2 4 G H Z 频带，可以支持车速达3 3 0 k n d a 。转发器质量很轻，仅为6 9 个，可以使用温度范围为椎 + 1 5 0 。C 。 目前，市场主流产品还是采用锂电池的T P M S ，无源化T P M S 大都还处于研制和试 制阶段，市场上还没有成熟和规范化的此类产品。随着科学技术不断发展，新材料新技 术的应用，无源T P M S 产品主导未来市场是必然趋势。 1 3 研究内容和目标 1 3 1 研究内容 通过对国内外无源方案的分析比较，找出实现无源化的一条具体的途径。本课题 主要研究把汽车轮毂转动和震动能量转换为电能的方法。找出在满足能量输出要求( 空 载电压3 6 v ) 条件下，针对汽车运动特点( 如汽车加、减速度大小，行驶速度等) 和轮毂参 数( 尺寸、质量) ，找出最佳能量转化方法，及其对应装置的能量转化规律和设计参数( 尺 寸、质量等) 。 1 3 2 研究目标 通过本课题研究，设计一个既能满足传感器能量要求，又尺寸较小、质量相对轻巧 的能量转化装置。即动能转化为电能的装置的研究设计。 4 第二章国内外无源方案研究分析 第二章国内外无源方案研究分析 通过对国内外各种T P M S 无源化方案研究分析，可以比较各种方案优缺点，找出一 条实现T P M S 无源化有效途径。 2 1 压电发电方案 在美国D S n y d e r 的专利中，压电式簧片材料是压电陶瓷，是基于压电陶瓷正压电 效应原理进行发电。目前日本开发出了该类压电发电产品，如日新电机目前成功开发出 不使用电池就能够让L E D 发光的团扇电机和由压电转换元件L E D 组成的发光模块“发 光棒”。 2 1 1 压电陶瓷发电原理 压电陶瓷是指把氧化物混合( 氧化锆、氧化铅、氧化钛) 高温烧结，固相反应后而 生成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷统称口1 。 压电陶瓷最大特性是具有正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外 力作用下，介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化，导致电介质两端表面出现 符号相反的束缚电荷。表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。逆压电性是指给具有 压电性的电介质加上外电场时，电介质内部正负电荷中心不但发生位移而被极化，同时， 由于此位移而导致电介质发生形变。形变的大小与电场强度成正比。如下图2 一l 、图2 2 所示。 十极化方向 ( a )( b ) 2 - 1C a ) 正压电效应示意图2 - 2 ( b ) 逆压电效应示意图 5 江南大学硕士学位论文 2 1 2 方案优缺点 压电陶瓷在现有主动式T P M S 基础上改进，解决了电池的问题，而且发电模块应用 面十分广。但压电陶瓷可以形变的次数有限，目前一般是几十万次H 1 。如果压电陶瓷片 固定在轮胎上，当轮胎和地面接触时，压电陶瓷片发生一次形变，产生电能。假设汽车 一天行驶1 0 0 k m ，车轮胎半径为0 3 m ，周长为1 8 8 m ，则轮胎每天转动5 3 2 万圈，也 就是压电陶瓷形变5 3 2 万次。按目前压电陶瓷的技术水平，压电电源可以使用1 0 天左 右，行驶1 0 0 0 k m 。就目前的技术而言，离实用还有距离，但是随着压电陶瓷材料不断 改进，不久将来会有可以使用的T P M S 压电电源面世。 2 2 微震动发电机方案 我国发明的无源T P M S 专利技术是一种微型发电机。3 ，该装置通过磁铁震动切割 磁力线，达到产生电能目的。 2 2 1 发电原理 下图( 图2 - 3 ) 是该装置示意图。该装置装在汽车轮辋上，右图为该装置示意图，主要 包括壳体，在壳体内设有磁钢，在磁钢的左右两侧设有与其配合的两组高强度的线圈， 两组线圈分别通过引线接出壳体外；设有两组弹簧，弹簧一端分别与磁钢的上、下断面 相连接，另一端分别与壳体的内壁相连接。该装置装在汽车轮辋上。 由于采用了磁钢的左右两侧设有与其配合的两组高强度的线圈，汽车行使过程中装 置上下颠簸，两边高强度线圈相对切割磁力线而产生感生电动势，因而能够实现机械能 转换成电能。 图2 - 3 微震动发电机示意图 6 第二章国内外无源方案研究分析 2 2 2 装置运动分析 由于车轮高速转动过程中，磁铁受到较大离心力作用，磁铁运动受限制，只能靠惯 性产生轻微震动，产生电能有限。下面对装置运动进行分析( 图2 卸。 图2 - 4 磁铁受力分析示意图 设车轮在地面做纯滚动，角加速度为s ，对磁铁受力分析。 从图中可以看出，除受到弹簧作用力，磁铁还受到三个力和一个力矩作用。 磁铁受到离心力 2 F r m 二7 r( 2 1 ) 尺 ( 把磁铁当做轮辋上一个质点，m 为磁铁质量，车轮质心速度为y ，轮胎半径为R ，轮 辋半径为r ) 。 磁铁受到水平方向力 F c - m a ，- m R( a 。为车轮质心加速度) ( 2 2 ) 磁铁受到转动力矩 肘- I 。( I c 为磁铁对车轮质心转动惯量) ( 2 3 ) 磁铁受到重力G - m g ( 2 4 ) 当汽车加速行使时候，速度V 逐渐增大，磁铁受到离心力只也逐渐增大，弹簧向外 拉伸，当速度V 为定值时候，磁铁受到离心力不再变化，在弹簧作用力平衡下，磁铁和 线圈保持相对静止状态，不产生感生电能。同样可以分析减速情况，到一定值速度时候， 磁铁和线圈保持相对静止状态，不产生感生电能 汽车在高速公路上匀速行驶时候，磁铁受到离心力E 是比较大的，设磁铁质量 7 江南大学硕士学位论文 册一l O g ，车轮最大速度 ，- 1 4 0 K r a I s ( 3 9 m s ) , 弹簧最大位移量缸- 0 0 4 m 。轮胎半径 R 一0 3 I ，l 轮辋半径，- 0 2 m 。弹簧弹性系数为k 。 G m g - 0 0 1 x 9 8 - O 9 8 N E 2 铲- 脚_ ，V 2 - 0 0 1 器x 0 2 - 3 3 8 N 可见，磁铁受到离心力( 由弹簧提供) 远远大于重力。 由胡克定律 F r - m t 0 2 r - m ( R ) 2 r m 导，s k2 瓦m v 2 r 业裟8 4 5 N 肼 (26)03R 。xX 0 3 X 0 0 4 。 可见，弹簧弹性系数比较大。由公式( 2 5 ) 、( 2 6 ) n - I 推导出 l ，s ，k R ：A x 。以丽 YM 从下图可以看出汽车速度和磁铁位移之间的关系( 图2 5 ) 。 图2 5 汽车速度与磁铁位移之间关系 由于磁铁实际速度( 大小和方向) 是不断变化的，磁铁运动还应该受惯性影响。下 面把磁铁当作轮辋上一个固定质点，对磁铁速度进行分析( 图2 6 ) 。 8 第二章国内外无源方案研究分析 图2 - 6 磁铁速度分析 车轮作纯滚动时，它与地面接触点0 为速度瞬心，设某个时刻车轮质心速度为v ， 质点到速度瞬心的距离为L 。 由图可得 车轮转动角速 一詈 质点( 磁铁) 速度： v 。n 正甜J ：；i ：j _ ：；萌( 一乏s 一+ 乏) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 可见，磁铁速度和大小是不断变化的，由惯性原理，磁铁在弹簧作用力下，产生震 动，装置内高强度线圈里磁通量发生变化，由r 。掣( N 为线圈匝数，巾为磁通量) ， d f 产生感生电动势。震动幅度与弹簧弹性系数有关。由公式( 2 6 ) 分析弹簧弹性系数比 较大，依靠惯性产生的震动幅度是微小的，产生的电能有限。 2 3 无线传感器方案 日本阿耳卑斯电气公司开发不需要电池T P M S 采用无源传感器方案，没有电源直接 供电，它是靠电磁波的能量维持传感器工作该类传感器根据能量耦合方式又分为两类： 电感线圈耦合型和天线型。 采用电感线圈耦合方式，能量主要集中在线圈中心很近区域，其传感距离很近，1 m 的距离已经属于遥耦合，电感耦合是一种变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合， 依据电磁感应定律，通过交变磁场在轮胎测量发射模块的线圈中感应出电压和电流，给 轮胎内测量发射模块提供能量。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识 别系统。典型的工作频率有：1 2 5 k H z 、2 2 5 k I 和1 3 5 6 M H z 。识别作用距离小于l m ，典 型作用距离为l O 2 0 c m 。 天线型传感器采用天线采集空间的电磁能量，然后高效地转化其他形式能量。它能 感知被测量的大小，然后将被调制的传感量通过天线转化成电磁能量发给远端接受系 9 坚堕查兰堡主兰垡丝苎 统，实现无源无线的传感和测量。目前，声表面波器件是将天线的电磁能直接、高效率 转换为声能的最佳器件之一。相比较而言，天线传感器作用距离较远，典型作用距离为 1 3 m 。但工作频率通常为数1 0 K H z ，甚至高达l 2M H z ，由于高频输出和低功率消耗 特点，适合传感器无源化的实现。 2 4 小结 通过分析国内外T P M S 无源化情况，比较各种方案的优缺点，总结如下： ( 1 ) 压电方案可以实现T P M S 无源化，由于压电陶瓷形交次数限制，压电电源寿命 有限，目前还不能推广使用。 ( 2 ) 汽车在高速行驶过程，微震动发电装置里磁铁受很大离心力影响，因此弹簧 弹性系数较大，产生的电能有限。 ( 3 ) 无线传感器方案处于较快研制发展阶段，但受作用距离较短，要求工作频率 较大，需要技术上进一步提高。 第三章新无源化方案设计 第三章新无源化方案设计 目前市场上已经有不少实用小型发电产品，例如手压充电电筒，充电书包等，是机 械能转化为电能的成功例子。因此，可以从机械能转化电能角度，设计一装置，把车轮 的转动能量转化为电能，实现T P M S 无源化。 3 1 设计方案 根据能量转化原理，本文提出一个新的设计方案，把汽车转动能量变为电能。下面 对设计方案进行说明。 在本方案中，装置可以设计成A 、B 两种形式，支架固定在轮辋上，线圈和支架固 定联接，磁铁和支架通过运动副联接，磁铁可以在支架上自由转动( 图3 - 1 ) 。 3 2 工作原理 图3 - 1 新方案设计 A 点在磁铁上，B 点在支架上，磁铁可以在支架上自由转动。开始时A 、B 相对静 止j 当汽车启动时候，在不考虑摩擦力情况下，由惯性原理，B ( 支架) 相对A 点( 磁 铁) 运动，假设线圈安置在支架上，这样当轮毂运动时，线圈和磁铁就相对运动，切割 磁力线产生电能( 图3 - 2 ) 。 1 l 江南大学硕士学位论文 图3 - 2 工作原理示意图 实际上，在车轮滚动过程中，受惯性力影响，磁铁和轴之间摩擦力是比较大的，下 面对磁铁和轴的相对运动规律进行分析。 3 3 加速情况分析 把装置当作轮辋上一个质点，车轮由静止以角加速度做纯滚动。分析磁铁受力 大小( 图3 - 3 ) 。 图3 - 3 汽车加速时，磁铁受力分析示意图 离心力F r - 脚n ，2 ，一r e ( a ) 2 r m r 2 t 2 ( 假设车轮由静止运动到t 时刻，埘为磁铁质量，为轮辋半径。) 水平方向力F c - m o 。- m e R( R 为车轮胎滚动半径) 切向方向力凡M m r 2 e 一肌盯 ，r 重力G m g 转角口一+ i l d 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 蔓三至堑丕堡些直塞丝盐 则磁铁受到合压力 F - 懂写丽 若令- 0 ，即装置在轮辋最高位置开始转动一则 X F 。m Z 一 设m - 3 辔, r - 0 2 m , g - 9 8 , n s 2 ，s - 9 如西僻皿一Q 3 以 汽车在1 0 秒内加速到1 0 0 q n h p l i r ai o ( V 公里，小时一2 8 米秒 兰。竺9 3 ( r a d 曲 R0 3 7 s - 孚- 暑以3 ( r a d o 在M a t l a b 里绘出磁铁受力变化曲线( 图3 - 4 ) 。 ( 3 6 ) 图3 - 4 磁铁受合力曲线图 从图中可以看出，开始几秒内，磁铁受合力比较小，产生摩擦力也比较小，磁铁和 轴存在相对运动可能。下面分析相对运动情况 汽车开始启动加速时，磁铁与轴相对转动速度甜。上。一p ) a t ，其中为车轮角加 速度，为摩擦力产生阻止加速度，当A 0 时候，磁铁与轴相对运动。 1 3 坚查查兰璺主兰堡墼 由磁铁受力图 N p r 一即- 邛，( 其中一为磁铁和轴摩擦系数，0 为轴颈半径) ( 3 7 ) 磁铁转动惯量： ，= 去m ( 墨2 + R 2 2 )( R I ，恐为磁铁内外半径)( 3 8 ) 卢一池I ；意海 c s 。， 可见，p ，r o 越小，转动惯量，越大，则芦越小，珊就越大。 妣弦嘉繇渺 设a 9 3 t a d s 2 ( 汽车由静止在1 0 秒内加速度魏0 0 公里小时) ，押一3 ( 培，R O 2 m ，芦一0 0 1 ：o - O 1 5 c m ，R - 3 c m ，R 2 - 2 5 c m ，t l O s ，g 一9 8 k g s 2 用M a t l a b 绘制被积函数f ( t ) - 一图象( 图3 - 5 ) 。 图3 - 5 汽车加速度时候，磁铁和轴相对运动分析 由图可以看出，磁铁和轴相对转动角速度A t o 大小为被积函数和时间坐标轴围成面 积，墨大于0 ，S 2 小于0 ，在5 2 秒时刻，m 达到最大值，当s 。+ s 2 小于。时，即9 2 秒时刻，磁铁和轴相对转动停止。 1 4 第三章新无源化方案设计 3 4 定值速度时，磁铁和轴相对运动分析 从图中我们可以分析出，若汽车加速5 2 秒后，停止加速度，按照此时速度行使下 去，磁铁和轴之间可能保持比较长的相对转动时间。下面分析此时磁铁相对轴的运动情 况。 在程序中，取较小步长，近似计算5 2 秒时刻，磁铁和轴相对转动角速度A 大小( 图 3 - 6 ) 。 图3 - 6 汽车加速时，磁铁和轴相对转动最大速度分析 由图可得，在5 2 秒时刻，磁铁和轴相对转动角速度： A t o J - 三( 2 8 + 5 2 ) x 9 3 - 3 7 2 ( r a d J ) 此时，磁铁在运动过程中只受到离心力、自身重力产生的摩擦力影响，如下图分析( 图 3 - ) 。 图3 - 7 定值速度条件下，磁铁受力分析示意图 把装置当作轮辋上一个质点，分析磁铁受力大小。 1 5 江南大学硕士学位论文 离心力F ，- m o ) 2 r - m ( 露) 2 ，- 0 0 3 x ( 9 3 x 5 2 ) 2x 0 2 = 1 4 0 3 N ( 假设车轮由静止运动到5 2 秒时刻，为此时刻角m 为磁铁质量，为轮辋半径) 。 重力G m g - 0 2 9 4 N 转角0 0 0 + t a t 则磁铁受到合压力 N - F 。( B ) 2 + ( B ) 2 ( 3 1 1 ) - l ( w s i ( O o + 吐t ) ) 2 + ( F r C o s ( a , + n t ) + G ) 2 若令岛- 0 ，即5 2 秒时刻，装置在轮辋最高位置。则 F一厄可万荔赢丽414032+02942+2x1403x0294xCos(4836t) 在M a t l a b 里绘出合力曲线图( 图3 - 8 ) 。 图3 8 定值速度条件下，磁铁受合力曲线图 从图中，我们可以看出，磁铁受到合力呈现规律变化，在1 3 7 5 N 1 4 3 2 N 之间波 动。 汽车定值速度行使时，磁铁与轴相对运动n ，I 一上芦出，其中A 为4 2 秒时刻 磁铁和轴相对转速，卢为摩擦力产生阻止加速度，当苫0 时候，磁铁与轴相对运动。 由磁铁受力图 F u - - 印，其中，l 为磁铁和轴摩擦系数，r 0 为轴颈半径，磁铁转动惯量 ，2 m ( R , + R 2 2 ) ( R I ，尺：为磁铁内外半径) 第三章新无源化方案设计 芦翌堕皿 I m ( R 。+ 尺2 2 ) 可见，p ，r 0 越小，转动惯量，越大，则声越小，A 就越大。 l - 3 0 9 ，R - O ：_ 玎，p O 0 1 ，r o - 0 1 5 c m ，墨- 3 伽，R 2 2 j 硎，t - 1 0 s ，g 一9 8 k g s 2 一上糟一s ，2 9 z r c s - z ， 用M a t l a b 绘制被积函数吐 一3 7 2 9 2 f 图象( 图3 - 8 ) 。 图3 - 8 定值行使条件下，磁铁和轴相对运动分析 从图中我们可以看出，在定值速度条件下，由于离心力影响，磁铁和轴相对转动4 秒时间。 3 5 减速情况分析 把装置当作车轮上一个质点，车轮由角速度开始以角减速度F 做纯滚动。 由图( 图3 9 ) 分析磁铁受力大小。 离心力F r 一埘吐，2 ，- m ( o J o 日1 2 r ( 3 1 3 ) ( 假设车轮减速到t 时刻，m 为磁铁质量，r 为轮辋半径。) 1 7 江南大学硕士学位论文 图3 - 9 汽车减速时，磁铁受力分析示意图 水平方向力，c 一舢。- m e R 切向方向力R M r a r 2 9I m 盯 rr 重力G m g 转角0 0 0 + “- 三a 2 ( 3 1 4 ) 则磁铁受到合压力 N 。，一( 巳) 2 + ( F y ) 2 一J ( 鼢( 吼+ 三胡+ n 蛾+ 三胡+ ，c ) 2 + 锄( + 三幻一鼢慨+ 主+ G ) 2 ( 3 1 5 ) 若令O o 一0 ，即装置在轮辋最高位置开始转动。 设s 一9 3 r a d I s 2 ( 汽车在1 0 秒内由i o o 公里d , 时减到0 ) ， o J o - 盖嚣- 9 3 r a d “设小- 3 0 9 , r - 蚴培。9 S m l s 2 , e 9 2 r a d s Z , R Q 拥( 汽车在1 0 秒内 l O O k m h 减速到o ) 在M a t l a b 里绘出受力变化曲线( 图3 - 1 0 ) 。 从图中可以看出，最后几秒内，磁铁受到合力比较小，产生静摩擦力也比较小，则 磁铁和轴存在相对运动可能。 汽车开始减速行使时，磁铁与轴相对运动一CQ 一声陟，其中为车轮角减速度， 芦为摩擦力产生阻止加速度，当A t o20 时候，磁铁与轴相对运动。 第三章新无源化方案设计 图3 1 0汽车减速时，磁铁受合力曲线图 由磁铁受力图 F p r o - 印，( 其中肛为磁铁和轴摩擦系数，0 为轴半径) 磁铁转动惯量 ，= 妻埘( 墨2 + R 2 2 ) ( R I ，R 2 为磁铁内外半径) 口。F p r o 塾! f m ( R 1 2 + R 2 2 ) 可见，r o 越小，转动惯量，越大，则越小，A n 就越大。 协妒意涤渺 慨 F - 1 4 r a d s 2m 一3 0 9 ，- O 2 m ，一0 0 1 , r o 一0 1 5 c m ，R 1 3 c m ，R 2 2 5 c m ，t 一1 0 s 用M a t l a b 绘制被积函数，( f ) 一F 一芦图象( 图3 - 1 1 ) 。 从图中我们可以看出，汽车减速后第4 8 秒时刻，磁铁开始克服静摩擦力和轴相对 转动，在汽车停止即第1 0 秒时候，相对转动角速度A w 达到最大值( 面积s ) 。 3 6 减速停车后，磁铁和轴相对运动分析 1 9 扛南大学硕士学位论文 一一 8 7 ， t j ，7 一 ， 7 图3 - 1 1 汽车减速度时，磁铁和轴相对运动分析 在程序中，取较小步长，近似计算4 8 至1 0 秒时刻，磁铁和轴相对转动角速度 大小( 图3 - 1 。 ， i 。； 图3 - 1 2 停车后，磁铁和轴相对最大转速分析 在4 8 1 0 蝴l J ，磁铁和轴相对转动角速度O ) m S R 丢( 2 + 5 2 ) 9 3 - 3 7 2 ( r a d j ) 3 6 减速停车后，磁铁和轴相对运动分析 把装置当作轮辋上一个质点，分析磁铁受力大小( 如图3 - 1 3 ) 。 重力G - m g 0 2 9 4 N 第三章新无源化方案设计 图3 - 1 3 停车后，磁铁受力分析不意图 则磁铁受到合压力： N - G 汽车停车行使后，磁铁与轴相对运动A o ) o 一上芦匝，其中为停车时刻磁铁和 轴相对转速，芦为摩擦力产生阻止加速度，当0 时候，磁铁与轴相对运动。 由磁铁受力图 N S o - 印，其中为磁铁和轴摩擦系数，r o 为轴颈半径，磁铁转动惯量，= 圭肼( 蜀2 + 矗：2 ) ( R ，R ：为磁铁内外半径) 卢。N s o ，骐孚萼 ( 3 1 7 ) I m ( R 1 2 + 如2 ) 群+ 可见，玛r o 越小，转动惯量，越大，则卢越小，A 甜就越大。 m 一3 0 9 ，R O 2 m ，一O 0 1 , r o - 0 1 5 c m ，墨- 3 c m ，R 2 2 S c r a ，g 一9 S k g s 2 一A 一o 糟- s z 6 一。z r c s 8 ， 用M a t l a b 绘制被积函数A 吐，一3 2 6 0 2 t 图象( 图3 1 4 ) 。 从图中可以看们出，停车后，由于只受磁铁自身重量影响原因，磁铁和轴之间的摩 擦力较小，因而可以相对转动较长时间，如图所示，相对转动角速度3 2 6 r a d s 在1 6 3 秒内逐渐减少到0 。 江南大学硕士学位论文 3 7 小结 图3 1 4 停车后，磁铁和轴相对转速分析 通过对理论模型研究分析，可以得出如下结论： ( 1 )汽车加速度行驶时候，由于离心力逐渐增大，磁铁和轴相对运动时间较短， 产生的电能有限。 ( 2 )汽车减速度行驶时候，由于离心力逐渐减少，磁铁和轴相对运动速度逐渐增 加，到停车时间达到最大值。 ( 3 ) 减速停车后，由于只受磁铁自身重力影响，磁铁和轴相对转动时间较长，能 够产生较多的电能。磁铁和轴相对运动速度和时间受汽车轮辋半径、加速度和装置各种 参数影响。 第四章发电装置具体设计 4 1 前言 第四章发电装置具体设计 通过对理想模型研究分析，磁铁和轴相对运动速度和时间除受汽车轮辋半径和加 速度影响外，还受装置本身参数影响，由公式A - 上( e - 卢弦2 0 及阻止加速度关系式 卢一逊I 一意繇出p , r o 舭侧胤航删n 娥 越大。同时受装置对车轮动平衡影响，兼顾考虑装置尺寸尽可能小。 4 2 装置设计总结构图 图4 - 1 装置设计总结构不意图 本装置是基于惯性原理设计的发电装置，需要利用磁铁产生尽可能大的转动惯量， 使得磁铁相对于轴转动切割磁力线产生电能。且汽车高速行驶时装置受到很大的离心力 作用，在选用磁铁时应该保证具有较大的转动惯量，并要求磁铁质量较小，因此磁铁采 用B 形式的空心圆柱体形状。 本装置结构尺寸很小( 如图4 - 1 ) ，线圈固定在轴上，轴和磁铁之间采用滑动轴承连 接，由于两者距离较大，因此选用一个套筒夹在中间用于连接磁铁和轴承。套筒只起支 撑连接作用，因此选用轻质材料使它的质量和转动惯量尽可能小。磁铁和套筒之间采用 过盈配合，套筒和轴瓦之间采用过盈配合，轴和轴瓦之间采用间隙配合。由于现在的汽 车大多数都已取消了内胎，因此给装置的安装带来了极大的方便。一是利用紧箍扣安装 在锥毂上；二是利用焊接的方法直接连接在轮毂上。无论采用哪种方式，安装完装置后 都必须对轮胎重新作动平衡检验，因此在整个设计过程中要注意尽量减轻装置的重量， 2 3 垩堕查堂堡主堂竺丝苎 避免装置对车轮的动平衡造成很大的影响。 装置必须保证较小的高度和长度，避免在车胎气压不足时受到挤压。为了防尘和防 水，必须在装置外面加装防护罩，可选用轻质结实的塑性材料。由于汽车在高速运行时 整个装置会受到很大的离心力作用，因此各个零件必须保证紧固连接，因此不宜采用螺 钉、螺栓进行连接，同时要保证装置在轮毂上不会发生偏移。 4 3 装置零件结构 4 3 1 磁铁 整个圆柱形磁铁( 图4 2 ) 上半部分为N 级，下半部分为S 级，马为磁铁外径，R 为磁铁内径，L 为磁铁长度。取蜀- 1 1 c m ，如= 0 9 c m ，长度工- O 0 4 m 。密度 P 7 8 1 0 h g | 甜。 由圆环磁铁剩余磁感应强度计算公式 酬。水上) 【高奄一南卜1 可一去”- ， 其中B ，为剩余磁感应强度 选用性能优异的铁钕铁硼磁铁N 4 0 H ，且一1 2 7 1 3 2 T ，T 作温度小于1 2 0 度钕铁 硼磁铁容易生锈、氧化，所以对钕铁硼磁铁，其表面通常需作电镀处理，镀锌、镍等， 茎璺童垄皇薹里墨堡堡盐 也可以做磷化处理或喷环氧树脂来减慢其氧化速度。 令x = O 可以计算出口p ) 一O 玎1 r 圆环磁铁转动惯量 I - 去埘衙+ 霹) 磁铁质量： m 。万k 2 一R 2 2 b - x ( 1 1 2 0 9 2 ) x l O x O 0 4 x 7 8 x 1 0 3 嘲锄3 ( 4 2 ) - 3 9 9 选用轻质材料目的，就是尽可能把转动部件质量集中在磁铁上，同时要保证轻质 材料有足够强度。因此，支撑磁铁用的轻质材料选用碳纤维环氧，密度P 为 1 6 9 c r a 3 ，抗拉强度1 8 G p 。 假设磁铁、线圈、轴共质量为m = 5 0 9 ，汽车最高时速为v - 1 6 0 k r a h ( 4 4 4 州s ) ，设 定r 为轮辋半径、h 为轴到轮辋面距离，取g 一9 8 m s 2 假设一普通轮胎，胎的半径是 R ，0 3 m ，轮辋半径是，一0 2 m ，由于装置是装在轮辋上，所以半径以0 2 m 计。 磁铁、线圈、轴三者受的总离心力： 疋叫叫等) x o 2 埘9 他s ， 磁铁、线圈、轴三者受的总重力： G r a g 一0 0 5 x 9 8 - 0 4 9 N ( 4 4 ) 由计算可知在汽车高速行驶时磁铁、线圈、轴三者受的总离心力远大于重力，因此 在校核轴的强度时不考虑重力的影响。 下面是轴受剪力图和弯矩图( 图4 3 ) ： 轴受磁铁的拉力： B - m ( 妒- o - 啷( 等) o z 州。科 s ， C ，- E z 一言只 轴自身受的离心力： 江南大学硕士学位论文 即用：( 妒- o o o s ( 等) 2 x o z 瑙 轴受支架的拉力： 1 - ：一丢佤一E 。) - 6 8 N 轴跨度厶一O 0 4 4 m ，工：；O 0 1 8 m ，q 为作用在轴上的均布单位离心力。 Y Q 7 1 2 N O 0 6 N m 7 r 杪N 删一 0 2 8 N m ( c ) 弯矩图 0 2 8 N m 图4 3 轴受剪力和弯矩图 由剪力图( 图4 - 3 a ) 可得到剪应力最大值： Q _ - 7 1 2 N 轴受的弯矩最大值： X X X ( 4 6 ) ( 4 7 ) 删 移删N乱 一 蝴虹 第四章发电装置具体设计 M u 。, - 川( 每一工：) + j l g ( 每一三z ) 6 8 x o 0 0 4 + 1 2 丽3 5 o 0 0 4 2 - 0 2 8 N 坍 ( 4 8 ) 选用4 0 C 。材料，调质处理，它用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴。材料 纠- 3 5 0 M P , ， d - 2 0 0 M e o 。 下面对轴进行校核： 最大正应力：