車輛饋能懸掛技術綜述

張進秋，彭志召，岳 杰，彭顏銘，王 舟

(1.裝甲兵工程學院技術保障工程系，北京10072;2.75733部隊，廣東廣州510800)

懸掛系統用于緩沖車輛在行駛過程中不平路面傳遞給車體的沖擊載荷，并衰減車體的振動，對車輛的平順性、乘坐舒適性及操縱穩定性等有很大影響。主動/半主動懸掛系統需要輸入外部能量才能夠顯著提高懸掛的性能，尤其是主動系統懸掛要消耗大量的能量來抵消路面的沖擊。然而，隨著戰時保障問題的日益突出，能源最終限制了車輛的最大行程以及戰技性能的發揮，因此不可能以犧牲其他戰技指標為代價來提高懸掛系統性能，解決能源問題就成為先進懸掛系統能否實現工程應用的關鍵。

被動懸掛的減振器以熱量的形式將振動能耗散掉，從而衰減車輛的振動。而被耗散的能量是車輛能耗的重要組成部分，只是一直未被重視及利用。如能夠回收利用這些被耗散的振動能量，自然可以降低車輛的能耗。尤其是坦克裝甲車輛，行駛路況惡劣，懸掛系統振動劇烈，加之車輛質量大，能量回收潛力更大。饋能式懸掛系統就是用能量回收裝置替換熱量耗散型減振器，將車輛的振動能量轉化為可利用的電能或液(氣)壓能，為車輛主動/半主動懸掛及其他耗能設備提供能源。因此，將饋能式懸掛系統引入坦克裝甲車輛具有重要的軍事意義。

1 車輛懸掛的能量耗散與饋能潛力

減振器的能量耗散是不容忽視的。Segel等［1］分析了某乘用車減振器的能耗，以13.4 m/s的車速在不平道路上行駛時，4個減振器約以200 W的功率耗散熱量。Browne等［2］對車輛在城市道路上行駛時的減振器能量耗散進行了測量，4個液壓減振器約以40～60 W的功率耗散熱量。于長淼等［3］用CARSIM軟件對四輪驅動的E-Class SUV車輛模型進行整車仿真，在C級路面以10 m/s的速度行駛時，減振器的熱量耗散功率占發動機輸出功率的42.3%。

減振器耗散的能量歸根結底都來源于發動機或蓄電池，為減少能源浪費，很多學者探索了回收這部分能量的可行性。Nakano等人［4］證明:電磁主動懸掛的饋能過程回收的能量完全可以滿足耗能過程所需要的能量，從而實現主動懸掛系統的能量自給。Hsu［5］估算了 GM Impact以16 m/s的車速在高速公路上行駛時，平均每個懸掛子系統的能量回收功率可達100 W，約為車輛驅動功率的5%。美國德克薩斯大學為美國軍用戰車設計了電磁式主動懸掛系統，對該系統和被動系統的能量需求進行的對比研究表明:在有彈性元件支撐車體靜載荷的前提下，主動懸掛系統需要的能量明顯小于被動懸掛耗散的能量［6］。喻凡等［7］以某型家用轎車為對象，將被動懸掛與主動懸掛的能耗進行比較，通過仿真表明:車輛以20 m/s的車速在C級路面上行駛20 s，被動懸掛系統減振器耗散了651 kJ的能量;而主動懸掛雖然充分利用所允許的懸掛工作空間進行隔振，明顯改善了平順性(車身垂向加速度均方根值較被動懸掛降低了近50%)，但需要消耗高達645 kJ的能量。如果能將懸掛振動的能量有效地回收利用，則可以大幅降低主動懸掛的能耗。梁經芝等［8］采用滾珠絲杠式電機作動器，基于自校正控制方法，分析了主動懸掛的能耗，結果表明:以15 m/s的車速在F級路面行駛10 s，耗能主動懸掛需要消耗289.3 kJ的能量，而饋能式主動懸掛不但實現了主動控制的能量自給，還能輸出1.547 kJ的能量。

懸掛阻尼器所耗散的能量取決于路面不平度、車速以及整車的質量。裝甲車輛質量較大，對機動性要求較高;行駛路面極端惡劣，則要求懸掛系統的動力學性能更好，同時饋能潛力也更大。

2 饋能懸掛的結構方案

正是看到了車輛懸掛振動能量可回收的潛力，學者們從20世紀80年代開始就對饋能懸掛展開了研究。目前，饋能懸掛主要有機械式饋能、電磁式饋能和復合式3種結構方案。

2.1 機械式饋能懸掛

機械式饋能懸掛的原理是用液/氣壓蓄能裝置，以液/氣壓勢能的形式存儲懸掛的振動能量，并在一定的策略控制下釋放，降低振動控制的能耗［9］。有的文獻中將機械式饋能懸掛稱之為靜液式［10］。

Jolly等［11］提出一種基于液壓機構的再生作動系統，將其應用于汽車座椅懸掛，通過一定的控制策略來回收振動能并控制座椅的垂向振動，試驗表明:該系統不但有較好的減振性能，還可以回收一定的能量。尼桑公司開發了一種液壓型饋能懸掛，將蓄能器和液壓油缸結合，在壓力閥的控制下，完成能量蓄積和釋放，達到振動抑制的目的［12］。Noritsugu［13］將汽缸排出的廢氣回收存儲，用于主動空氣懸掛的控制，降低了懸掛控制的能耗。

機械式饋能懸掛是一種純機械液壓/氣壓結構，饋能效率高，可靠性好，結構簡單，且使用壽命長，方便實現;但缺點是響應速度慢，回饋的能量再利用范圍有限。

2.2 電磁式饋能懸掛

電磁式饋能懸掛的基本原理是將車輪和車體間的相對運動轉化為直線或旋轉運動，驅動電機輸出電壓，將機械振動能量轉化為電能并存儲，以用于懸掛系統的自供電或為其他電氣設備供電。電磁式懸掛系統的作動器可以在電動機和發電機二者間切換，根據需要實現懸掛振動的主動控制和能量回收。電磁式饋能懸掛的作動器根據運動方式可以分為直線電機式和旋轉電機式。

2.2.1 直線電機式饋能懸掛

直線電機式饋能懸掛用直線電機代替傳統減振器，將車輪和車體間的直線相對運動機械能與電能直接相互轉換，不需要任何中間的傳動或轉換裝置。

Okada等［14-17］提出了電磁式饋能懸掛，以直線電機作為作動器，通過改變負載阻抗以調節阻尼力并回收能量，同時研究了該系統的隔振和饋能性能。Goldner等［18］設計了具有徑向磁場的永磁直線電機用于回收車輛懸掛振動能量。Suda等［19-21］提出了一種2級懸掛系統，使用了2個直流直線電機，第1級懸掛電機稱之為“饋能阻尼器”，將振動能量轉化成電能儲存在電容中，而第2級懸掛電機作為作動器使用這些儲存的電能來實現主動振動控制，只要第1級電機回收的能量足夠提供第2級電機需要消耗的能量，就實現該懸掛系統的自供電。他們將這種系統應用于載重貨車，用底盤前懸掛的電機回收懸掛振動能量，為駕駛室懸掛電機提供主動振動控制所需的能量，提高駕駛員的乘坐舒適性［22］。他們還使用一個直流直線電機來實現具有主動振動控制功能和饋能功能的自供電式主動振動控制系統，將電機高速運動回收的能量用于驅動電機的低速運動［23］。Bose公司從1980年就開始秘密研究全主動直線電機式電磁作動器，于2004年才公開其開發的電磁式懸掛系統，其結構如圖1所示，由扭桿彈簧支撐車身質量，輪轂阻尼器可提高車輪的接地性，并不將路面沖擊傳遞至車體，4個內置功率放大器的直線電機用于控制車體振動，總功率為12 kW，處于電動機工況時，功率放大器向直線電機輸送電能;處于發電機工況時，功率放大器回收電能。因此，該懸掛系統能夠抵消道路沖擊，顯著降低車體振動，并在作動器收縮時可回收部分振動能量，從而降低能耗，該系統的功耗僅為車載空調的1/3［24］。

圖1 Bose公司開發的電磁懸掛

直線電機式饋能懸掛的優點是運動部件少，機械摩擦損耗幾乎為零，只需很少甚至無需維護，因此工作安全可靠，使用壽命更長。但其缺點是磁漏大、功率因素和效率低，故直線電機式饋能懸掛的饋能效率一般。

2.2.2 旋轉電機式饋能懸掛

旋轉電機式饋能懸掛利用傳動機構將車輪與車體之間的相對運動轉化為旋轉運動，進而利用旋轉電機進行振動控制和能量回收。按照傳動機構的不同，旋轉電機式饋能懸掛可以分為3種:滾珠絲杠式、齒輪齒條式和行星齒輪式。

1)滾珠絲杠式是最常用的饋能傳動機構。Arsem［25］提出了用于車輛懸掛系統的滾珠絲杠式饋電減振器，將機械能轉化為電能并儲存在蓄電池中。Murty［26］提出了用于車輛懸掛的可變阻尼電動阻尼器，采用滾珠絲杠副將懸掛的垂直運動轉化成旋轉運動，驅動交流發電機發電，并用整流電路轉化為直流電，通過負載電阻來耗散振動能量，改變負載阻抗的大小即可實現阻尼力可調。Suda等［27］也提出了另外一種電磁阻尼器方案，采用滾珠絲杠將車輪與車體間的直線運動轉化為旋轉運動，進而用旋轉直流電機發電饋能，并通過仿真和試驗分析了該懸掛系統的運動特性和饋能性能。為了提高饋能效率，他們又在滾珠絲杠式電磁阻尼器的基礎上增加了行星增速機構［28］，建立了該阻尼器的模型，并對饋能性能進行了仿真分析。結果表明:當車輛在C級路面上以80 km/h的速度行駛時，能量回收功率為15.3 W［29］。張勇超等［30］在電磁式饋能減振器方面進行了理論和試驗研究，他們對滾珠絲杠結構的電磁作動器進行了可行性及減振性能和饋能性能方面的特性試驗，并將其應用于某轎車后懸掛結構，通過整車臺架試驗驗證了減振效果和饋能效果。結果表明:該懸掛系統在低頻激勵下，能夠達到懸掛的減振性能要求;在高頻激勵下，減振效果較差，同時饋能性能也得到了驗證，但其饋電能力有限，有待改進。

2)齒輪齒條機構也被廣泛用作饋能懸掛的傳動機構。Suda等［31］使用了齒輪齒條結合旋轉電機的饋能主動懸掛。美國德克薩斯大學和L-3公司等聯合研制了電控主動懸掛系統(Electronically Controlled Active Suspension System，ECASS)，可根據實現總體平穩響應的需要，系統的作動器在電動機和發電機二者間切換。ECASS系統能夠實現整車的操控及動力學性能的大幅提高，在越野條件下，ECASS主動懸掛系統可以有效地減小車輛的振動、縱向搖動及橫向擺動，裝有ECASS的“悍馬”車越野速度提高了3倍，穩定性提高了5～10倍。該系統還能夠將懸掛振動能量加以回收并統一儲存和管理，從而提高整個系統的效能。該系統在軍用車改裝項目中已安裝在HMMWV和“槍騎兵”戰車等輪式或履帶車輛上進行實車試驗［32-34］。但該試驗的主要目的是提高車輛的平順性和機動性，而在節能方面有待提高。ECASS系統安裝于HMMWV車進行實車試驗時，使用的是齒輪齒條式的電磁主動懸掛，結構如圖2所示。米其林公司(Michelin)于2008年開發了一種電控主動車輪(如圖3所示)，將動力、制動和懸掛都集成于車輪之中，車輪中安裝了2個電機，其中一個用于驅動車輪，另一個則用于控制主動懸掛系統，從而改善舒適性、操控性和穩定性。米其林公司聲稱該主動懸掛系統的響應時間僅為3 ms，并能吸收沖擊能量［35］。Simens VDO 公司也正在開發名為eCorner的主動車輪系統。吉林大學的于長森等［36］基于齒輪齒條式饋能主動懸掛方案進行了仿真分析。

3)行星齒輪式電磁懸掛常用于重型車輛。美軍的ECASS系統在“槍騎兵”戰車上使用的是行星齒輪結合旋轉電機的肘內式電磁主動懸掛，如圖4所示。行星齒輪機構起到增速作用，將平衡肘的小幅擺動轉化為電機所需的旋轉運動。該懸掛系統的旋轉電機和行星齒輪裝置都集成于平衡肘內，結構緊湊，防護性極好。由于電機功率的限制，此系統只能用于20 t以下的車輛。

圖4 美軍的肘內電磁懸掛系統

旋轉電機能量利用與回收的效率高，并且結構緊湊、可靠性好，但將其用于車輛懸掛時，需要一套傳動機構將車輛與車體間的相對運動轉化為旋轉運動。滾珠絲桿式、齒輪齒條式或行星齒輪式的固定聯接方式會導致電機隨著往復振動而不斷改變旋轉方向，造成“慣量損失”。這不僅會極大地縮短電機壽命，也會使得電機總是工作于低效率工況，既不利于饋能也不利于節能。尤其對于越野車輛來說，過大的路面沖擊極易造成傳動機構的損壞，加之傳動機構的保養維護比較困難，整個系統的壽命會大幅縮短。

2.3 復合式饋能懸掛

復合式饋能懸掛利用液壓缸活塞的往復運動驅動液壓油經液壓馬達轉化為旋轉運動，從而帶動發電裝置實現饋能。

美國LevantPower公司正在研發名為GenShock的復合式饋能減振器，該減振器的原理及結構如圖5所示，采用一套整流管路和液壓馬達將活塞往復運動轉化為持續的單向轉動，從而驅動發電機饋電。他們做出的首個樣品利用4個減振器可以產生總計800 W的持續電力，若在崎嶇越野路行駛，則最高可產生5 kW的電力，約為普通汽車交流發電機所產生電量的7倍，可將卡車在鋪裝路面上的燃油公里數提高2% ～5%，軍車提高6%，而混合動力車可將GenShock發的電儲存起來，最高可節能10%。正是看到了饋能減振器的潛力，這項技術得到了美國通用公司、美國海軍研究辦公室、陸軍戰車研究開發工程中心的投資［37］。

徐琳［38］采用了類似的方案，提出了汽車液電饋能式減振器，并進行了仿真分析及特性試驗，但方案還不夠成熟，有待進一步深入研究。

復合式饋能懸掛方案既有液壓系統的布置靈活性，又有電磁饋能的高效性，且不增加保養維護工作量。由于該方案將傳統阻尼器以熱量形式耗散的機械振動能轉化為液壓能用于驅動電機，降低了減振器的溫度，并且阻尼特性由電機決定，排除了溫度對阻尼特性的影響，提高了系統的阻尼穩定性。管路整流使得電機單向旋轉而不受活塞往復運動的影響，避免了慣量損失，也提高了電機的壽命和效率。液力驅動加上蓄能器的緩沖作用使得懸掛系統能夠經受惡劣路面的沖擊，系統的可靠性好。復合式饋能懸掛的缺點是管路會造成一定的能量損耗。

3 尚需解決的問題及發展趨勢

文獻［9］中總結了饋能懸掛的幾個核心問題及相關解決方案，但還存在一些問題尚待解決。

3.1 能量回收與振動控制之間的矛盾

懸掛系統的功能是緩沖和消除車體振動，而饋能則是回收車體和車輪之間的相對振動，饋能功率與振動度成正比。饋能型懸掛的作動器可以在能量回收或振動主動控制2種工況間切換。當作動器處于主動出力工況時，屬于耗能器件;當作動器處于饋能工況時，其工作特性與被動阻尼器相同。雖然可以設計控制策略，根據路面激勵及懸掛振動使作動器在2種工況間實時切換，但是仍存在2方面的問題:1)不能實現主動控制和能量回收的全過程并存，只有當期望的控制力與懸掛的相對速度方向相反時才能回收能量。此時，盡管可以通過調節負載達到阻尼力的分級控制，但難以實現連續變阻尼控制，因此減振效果也會大打折扣;2)電動機/發電機很難實現高頻轉換，限制了控制帶寬。這2方面的因素使得能量回收效率與振動控制效果之間存在著矛盾。車輛行駛于較為平整的路面時，懸掛系統較為平穩，不需要對其振動進行控制，此時懸掛系統的饋能效率也低;而車輛行駛于極端惡劣的越野路面時，懸掛系統振動劇烈，此時要通過懸掛系統的振動控制來提高車輛的平順性，進而提高機動性，但是此時也是振動能量回收的好時機。由于2種功能無法實現全過程并存，加之狀態切換的影響，已有的饋能式懸掛系統往往采用折衷設計，而無法從根本上解決這一矛盾。

3.2 饋能效率的提高

雖然車輛懸掛系統振動能量的回收潛力很大，甚至一些學者的理論分析或仿真表明，被動懸掛耗散的能量足以提供主動懸掛振動控制所需的能量，但由于電磁主動懸掛無法實現全過程饋能，只有小部分的懸掛振動能量可被回收，加之能量轉換裝置的效率較低，使得實際回收的振動能量十分有限，懸掛系統的控制仍需要提供較多的外部能量。因此，振動控制仍然是其主要的研究方向，饋能效應僅作為其附屬特征。而復合饋能懸掛由于沒有慣量損失，能量回收效率較高，但其只能通過切換不同的負載來實現阻尼力的分級控制以適應不同的路面等級，因此振動抑制效果相對主動控制和連續半主動控制較差。在保證振動控制效果的同時，提高饋能效率是饋能懸掛應用的關鍵。

3.3 系統的可靠性

旋轉電機式饋能懸掛由于傳動裝置的固定聯接方式以及較大的轉動慣量，惡劣路面的沖擊和頻繁的轉向會導致傳動裝置和電機極易損壞，因此可靠性差。直線電機式饋能懸掛本身的可靠性較高，而一旦出現故障，懸掛系統就失去了阻尼元件。對于越野車輛，fail-safe特性是可控懸掛的設計準則，要求懸掛的可控元件出現故障時還能作為被動器件繼續工作。因此，在可靠性方面，復合式饋能懸掛具有優勢，即使電機或負載出現故障，還可通過調節阻尼閥快速地轉化為被動阻尼器。目前對饋能懸掛的研究著重于原理的實現，而在可靠性方面缺乏考慮。

3.4 發展趨勢

從總體上看，懸掛系統的振動控制和能量回收都是車輛工程較新的研究領域，將二者相結合，研究既能實現懸掛系統振動控制，又能實現振動能量回收具有特殊意義。如何在保證能量回收率的同時又能有效衰減車體的振動，是懸掛系統的發展趨勢。能量回收效率與振動控制效果之間的矛盾是必須要突破的技術難題，其中一條可行的途徑是將基于某些智能材料(例如電流變液、磁流變液)的阻尼器件與已有的饋能方案相結合，使得能量回收與振動控制2種功能獨立開來，從而實現兩者的全過程并存并保證各自的效果。Kim等［39］設計了一套用于鋼索振動抑制的自供電智能阻尼系統，利用電磁感應裝置收集鋼索振動的能量為磁流變阻尼器供電抑制繩纜的振動，系統構成如圖6所示。盡管此系統沒有將饋電裝置和阻尼控制裝置集成，體積較大，不能應用于車輛懸掛，但為車輛饋能懸掛提供了設計思路。Chao等［40］設計了一種集成度較高的自供電式磁流變阻尼器，利用直線電機回收能量，為磁流變阻尼器的控制提供能量并進行振動控制，如圖7所示。

4 結束語

與傳統的被動懸掛系統相比，主動/半主動可控懸掛系統能夠更好滿足以上需求。然而，可控懸掛，尤其是主動懸掛的高能耗使其難以推廣應用。饋能懸掛能夠提高懸掛性能并降低能耗，將其引入極具饋能潛力的軍用車輛具有重要的軍事意義。

圖7 自供電式磁流變阻尼器

針對饋能懸掛的研究從20世紀80年代就開始，圍繞振動能量回收效率和振動控制效果等核心問題進行了探索和研究，獲得了一些有價值的成果，但至目前為止還都處于理論研究和仿真試驗階段。有的方案在振動控制方面表現突出，卻因為能耗問題難以推廣應用;有的方案饋能效率較高，卻在振動控制效果方面差強人意。能量回收和振動控制2種功能不能實現全過程并存，從而無法充分回收懸掛系統的振動能量，這就是已有的饋能懸掛方案無法解決振動控制效果和能量回收效率之間矛盾的根本原因。能夠兼顧振動控制效果與能量回收效率的饋能懸掛是人們研究的主攻方向，也必將是未來懸掛系統的發展趨勢。

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