基于振动能量回收的自加热式汽车座垫设计

张 刚，李柏姝

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳110159）

基于振动能量回收的自加热式汽车座垫设计

张 刚，李柏姝

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳110159）

目前的加热式汽车座垫都是外加电源式，而加热式座椅也大都出现在中高端车型上，这两种加热方式无疑会增加汽车电路的负载。对于农用车和工程专用车辆而言，要想提高在寒冷气候下的舒适性，以上两种似乎都不是最佳的选择。而该设计将齿轮齿条传动装置与小型发电机相结合，并应用于汽车座垫，使座垫的自加热成为可能。

汽车座垫；齿轮齿条传动；发电机

汽车的加热座垫和加热座椅都是利用车载电源来进行加热的，这无疑会增加电路负载，而且对于农用车和工程专用车辆来说，无论是加热座垫还是加热座椅都不是最佳的选择。由于农用车和工程专用车辆自身运行及其工作环境的特点，驾驶员会给座垫施加一个往复振动，本设计从座垫的往复振动这一点入手，将齿轮齿条装置与小型发电机相结合并植入座垫内，利用座垫的往复振动带动齿轮齿条装置使发电机发电。发电机所产生的电流经过整流后输送给碳晶电热板，从而实现自加热的功能。

1　自加热汽车座垫结构及工作原理

自加热式汽车座垫，在上盖1和下盖8组成的内腔中包含自发电装置7、加热装置3和减震装置2，座垫的结构图与剖视图分别见图1、图2（上下盖是由弹性适当的塑料体制成）。发电装置7（见图3），均位于中间隔板下端，由齿条9、齿轮10、齿轮11、齿轮12、发电机13组成。其中齿条9上端与上盖1相连接，下端自由悬空。齿轮10与齿轮11为刚性连接。发电装置7由齿轮轴5、6进行轴向固定，而轴5、轴6均与下盖相应的侧面相连接。加热装置3固定于中间隔板4的上端。减震装置2的下端也固定于中间隔板4的上端，其上端与上盖相连接。上盖1与中间隔板4连接，而中间隔板4与下盖8连接。

图1　汽车座垫结构图

图2　汽车座垫剖视图

自加热式汽车座垫是通过按压上盖1作为动力来带动齿条9，然后由齿条9带动齿轮组（齿轮10、齿轮11、齿轮12），从而带动发电机来达到发电加热的目的。

开关14控制加热电路的通断。在需要加热时，打开开关，发电机所产生的电能即可直接对座垫加热。在不需要加热的情况下，发电机所产生的电能储存在电池中，为以后的加热使用储存电能。

图3　小型发电机结构图

本电路所采用的是经典整流电路［1］，如图4所示，其组成为发电机G、二极管D1、D2、D3、D4、电池U、开关K、碳晶电热板、电阻R，它是将磁体往复运动所产生的交流电进行整流，再送入电池储存或直接送入电热板，真正实现双向发电。

图4　汽车座垫加热电路图

2　自加热汽车座垫发电性能的仿真

这里采用频率为5 Hz、振幅为15 mm的正弦信号［2］作为输入；采用RS550-35100微型发电机；座垫上盖与齿条的总质量为M=2 kg；齿轮10、11、12所组成的齿轮系总传动比i=0.2.以下对单个电机进行模拟仿真。其仿真模型见图5，发电机功率图见图6.

图5　座垫Amesim模型

图6　发电机功率图

由图6可得，座垫的平均发电总功率大约为130 W（碳晶电热板一般按每平米100～120 W配功率），完全满足使用要求。

3　结束语

通过将齿轮齿条装置与小型发电机的结合应用于座垫中实现了车辆座垫的自加热功能。但在以下几个方面还需作进一步的研究和改进：（1）通过增加发电机的数量来进一步提高其发电性能；（2）由于各齿条不是均匀受力，因此无法保证各齿轮的同步转动，可以考虑采用荆轮等其他机构来进一步改善。

［1］辛永哲，刘晓慧，候晓音.电工与电子技术基础［M］.北京：北京理工大学出版社，2014.

［2］刘会英，盖玉先，郑超.汽车座椅主动振动控制与仿真分析［J］.中国机械工程，2006，（12）：1227-1230.

The Design of Automatically Heating Seat Cushion of Vehicle

ZHANG Gang，LI Bai-shu
（School of Automobile and Traffic，ShenYang Ligong University，Shenyang Liaoning 110159，China）

The current heating cushions of vehicle seat always use an outside supplier of electricity，although the seat warmer could be found in middle or high class cars.Both of them could increase the load of vehicle battery.In terms of agricultural and engineering vehicle，the two methods mensioned above may be not the optimum option to improve comfort in cold weather.Applying combination of gear-rack transmission and miniature genetator to the vehicle seat cushion makes it possible to heat automatically.

vehicle seat cushion；gear-rack transmission；generator

U463.99

A

1672-545X（2016）07-0241-02

2016-04-10

辽宁省教育厅科学技术研究项目资助（L2015457）

张刚（1991-），男，山东潍坊人，在读硕士，研究方向：汽车先进设计与制造技术。