可回收振動能量的新型汽車減振器設計與仿真*

曹振新，王智深，蔣洪奎

(浙江師范大學 工學院，浙江 金華321014)

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可回收振動能量的新型汽車減振器設計與仿真*

曹振新，王智深，蔣洪奎

(浙江師范大學 工學院，浙江 金華321014)

為回收汽車行駛過程中的振動能量，設計了一種機-電-液混合的液電饋能式汽車減振器。通過由單向閥組構成的液壓橋路，將減振器內的往復液壓流整合為單向液壓流。單向液壓流驅動馬達工作，從而帶動發電機發電；同時，利用發電機反電動勢的阻力實現減振器的阻尼力效果。依據功率平衡和轉矩平衡原理，建立了減振器壓縮行程和伸張行程的阻尼力動力學模型。通過對示功特性及速度特性的仿真分析, 驗證了回饋振動能量的可行性。

汽車減振器；液電饋能式；能量回收；仿真

汽車在行駛過程中，由路面激勵引起的振動通常是經減振器吸收轉化為油液的熱能而發散掉，達到衰減振動，提高車輛平順性的目的[1]。減振器作為車輛懸架系統的關鍵部件，主要作用是衰減路面輸入帶來的沖擊振動，使車輛運動收斂最合理化，以給駕駛者舒適感。目前，普遍使用的車輛液壓減振器設置在車架與車橋之間。減振器內的活塞上下移動， 使減振器腔內的油液循環地從一個腔經過不同孔隙進入另一個腔內，此時孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內摩擦對振動形成阻尼力，利用流體阻尼把機械振動能量轉換成摩擦熱能而耗散。如果能夠將這一部分耗散的能量回收并加以利用，則可以提高能量利用效率，降低燃油消耗。

車輛懸架的振動能量耗散主要來自減振器，耗散的能量歸根結底來源于發動機或動力電池，如果能夠將這些振動能量加以回收利用，則可以降低車輛的能耗。2004年，美國博斯(Bose)公司開發出一種可用于電動車的發電減振器PGSA，用直線電動機取代彈簧與減振器。當懸架系統伸張或壓縮時，直線電動機猶如一個發電機可以將產生的能量返送給功率放大器。當處于發電機工況時,功率放大器回收電能；當處于電動機工況時,功率放大器向直線電動機輸送能量產生阻尼力。據稱每個饋能減振器至少可產生25W的能量。2009年，黎凡特電源(LevantPower)公司(前身為麻省理工學院MIT的研發小組)成功研制了一種液電復合式懸架能量回收裝置，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。該項目迅速得到美國軍方的支持，在悍馬H1上成功試裝。通過裝在一個6輪的卡車上試驗，回收裝置平均能夠回收1kW能量。2013年8月，ZF(采埃孚)公司官方宣布，攜手美國LevantPower公司聯合開發出全球首款實現“會發電”的主動懸架，該項技術被命名為GenShock，其在懸掛系統安裝一套包括電子控制元件、電動機以及電動液壓齒輪泵等3個單元組件，還應用了目前技術成熟的自適應阻尼器系統(CDC)，打造完成的懸架發電系統，將成為一款能耗低、成本低和結構簡單的主動可調懸架。美、日、法等國相繼開展了振動能量回收的研究工作，近些年國內一些高校也開始了這方面的研究。國外對機械振動能量回收裝置的研究主要有靜電式、電磁式、壓電式、滾珠絲桿式和液電饋能式等[2-5]，這幾種形式對振動能量的轉換方式和能量捕獲裝置也各不同，但這些方式產生的能量都可以用來驅動小功率的電子器件。

可發電的汽車減振器能將車輛懸掛系統中減振器產生的振動液壓能轉化為電能，為汽車電池充電或驅動相關電子設備。液電饋能式減振器可實現懸架系統耗散的能量加以回收利用，同時通過調節回收能量的負載改變減振器的阻尼力，可以較好地實現車輛減振，從而實現對懸架系統的主動控制或半主動控制，獲得最佳的整車行駛平順性。液電饋能式懸架可用于傳統燃油車及新能源汽車，比如乘用車、大客車和越野車等，尤其是新能源車輛，可減少對動力電池的消耗，延長車輛的續駛里程，對實現汽車節能減排具有重大的現實意義。

1　液電饋能式減振器工作原理

回收振動能量發電的液電饋能式減振器設計采用機-電-液混合系統，通過單向閥組成的液壓回路，將由路面不平引起的車身與道路間的往復振動變成流動方向不變的液壓油流動，由液壓油驅動液壓馬達，進而帶動發電機發電，從而將振動機械能轉化為電能，設計原理如圖1所示。

圖1　回收振動能量發電的汽車減振器原理圖

2　液電饋能式減振器設計方案

由于液壓整流橋在高頻激勵時會受到響應速度以及傳動效率降低的影響，故采用的單向閥越少越好。如何提高液壓回路中單向閥的靈敏度和減小其阻抗是提升系統性能的最關鍵因素。該方案的設計主要是回收減振器在伸張行程的振動能量，而使壓縮行程中的上腔油液直接通過單向閥2進入到下腔中，從而減小壓縮行程阻尼力。液電饋能式減振器采用機-電-液的混合系統，其工作原理類似電子學上的“二級管整流器+電容濾波”標準電路(二級管類似于單向閥，電容類似于蓄能器)，將直線往復運動轉化為液壓馬達的旋轉，推動發電機產生電能；利用發電機的反電動勢作用產生阻尼力，可實現主動控制。該減振器由1個多歧管的液壓馬達、1個發電機、幾個單向閥和1個連接到活塞式減振器上的外部環路等組成。采用可靠的液壓傳動技術，使車輛液壓減振器兼具穩定的減振與發電性能。通過升壓變換、超級電容器及穩壓器，將系統產生的電壓用來為汽車的蓄電池充電。通過使用傳感器和微控制器，利用軟件算法,可確定減振器活塞的位置和速度，為車輛懸掛系統提供合適的主動阻尼。通過得到活塞的位置和利用發動機的反電動勢，能夠動態地調整該減振器的阻尼特性。

減振器阻尼力是由在減振器振動時間歷程之內的壓力降所決定的。在對減振器建立計算模型時，通常將各閥看成常通道的流動和卸荷閥的組合?；钊牧魍ㄩy和底閥的補償閥都是單向閥，阻力主要由彈簧閥片和螺旋彈簧提供，通常這個力值都很小。在活塞和底閥上還開有若干個常通的小孔，它們的作用是在減振器受到小負荷、高頻率振動時提供壓力降。活塞上的復原閥和底閥上的壓縮閥，是由壓力彈簧和閥片控制的壓力閥，只有在壓力達到一定值時才會開起和上浮，復原閥和壓縮閥主要是在紊流狀態下產生很大的壓力降。當活塞桿及活塞總成向上運動時(復原行程)，油液通過活塞總成的常通孔或復原閥(當油壓足夠高時)從工作缸活塞桿腔流向工作腔，由于活塞桿體積的存在，從活塞桿腔流向工作腔的油液不足以補充工作腔的體積變化，一部分油液便通過底閥上的補償閥和常通孔從貯油筒流向工作腔，在油液流過所有這些閥和孔時都會產生壓力降，從而消耗大量能量，使振動迅速衰弱；當活塞桿及活塞總成向下運動時(壓縮行程)，油液通過活塞總成的常通孔和流通閥，從工作腔流向活塞桿腔，由于活塞桿體積的存在，從工作腔流向活塞桿腔的油液量大于活塞桿腔的體積變化，一部分油液便會通過底閥上的常通孔或壓縮閥(當油液壓力足夠高時)工作腔流向貯油筒，在油液流過所有這些閥和孔時都會產生壓力降，從而消耗能量，由于活塞桿和工作缸之間的相對速度的變化，使得作用在活塞上的力也是變化的。

3　液電饋能式減振器動力學模型與仿真

液電饋能式減振器作為一種新型減振器，其阻尼力的特性以及組成均不同于普通的雙筒作用減振器，主要考慮由單向閥組成的液壓整流橋形成的壓降損失、液壓管路沿程損失、蓄能器以及液壓馬達引起的損失。

3.1壓縮行程阻尼力的計算

減振器壓縮行程阻尼力Fc計算公式如下：

Fc=phSh-plSl

(1)

式中，ph為液壓缸上腔壓力；Sh為活塞上端面面積；pl為液壓缸下腔壓力；Sl為活塞下端面面積。

壓縮行程中產生壓差的有單向閥2、蓄能器2、回路的沿程損失及局部損失，壓力平衡方程為：

ph=pl+Δp2+Δpc+3Δpjc

(2)

液流經過單向閥2的壓力差為：

(3)

液壓管路的沿程壓力損失為：

(4)

局部壓力損失為：

(5)

蓄能器2有一個充液過程：

(6)

在壓縮行程完畢時，蓄能器2的氣體壓力與液壓腔下腔壓力平衡，pl=pacc，則有：

(7)

3.2伸張行程阻尼力的計算

在伸張行程，油液驅動液壓馬達工作，所輸出的轉矩帶動發電機發電。液壓回路中單向閥的進出口壓差、局部壓力損失以及沿程壓力損失均與壓縮行程類似，壓力平衡方程為：

pl=ph+Δp1+Δpe+Δpr+Δpjr

(8)

液壓馬達進出口的壓力差為：

(9)

則有：

(10)

式中，paccf是壓縮行程結束時刻蓄能器對應的壓力。

3.3減振器饋能仿真分析

根據原理框圖，搭建了液電饋能式減振器原理樣機試驗臺架(見圖2 )。參照QC/T545—1999《汽車筒式減振器臺架試驗方法》的相關規范，可進行減振器的相關阻尼特性測試[6-8]。仿真實驗得到的示功特性和速度特性如圖3 所示。利用MATLAB軟件搭建數值仿真模型進行仿真計算，以1.67Hz的頻率，振幅分別為5、10、15、20、25和30mm的正弦位移為輸入工況。其中，正的阻尼力為壓縮行程阻尼力，負的阻尼力為伸張行程阻尼力。從圖3可知，伸張行程阻尼力數值上大于壓縮行程阻尼力。

圖2　饋能式減振器仿真實驗模型

圖3　示功特性與速度特性仿真曲線

4　結語

本文設計了一種新型車用液電饋能式減振器，建立了阻尼特性的數學模型，為液電饋能式減振器與懸架系統的匹配提供了理論支持。該液電饋能式減振器結合了液力傳動和電磁系統發電的優勢，既有液壓系統的布置靈活性，又有電磁饋能的高效性。在原理上，該方案可克服現有方案中，諸如由電動機反轉帶來的“慣量損失”和純機械饋能式懸架在高頻區域響應差等問題，預計其在能量回收效率和懸架特性等方面的指標能夠得到顯著提高。液電饋能式減振器作為懸架系統中的重要組成部分，其從原理設計到實際應用還需經過樣機制作、仿真及臺架試驗等大量的研究工作。通過對示功特性及速度特性的仿真分析, 驗證了回饋振動能量的可行性。

[1]LeiZ,ScullyB,ShestaniJ,etal.Designandcharacterizationofanelectromagneticenergyharvesterforvehiclesuspensions[J].SmartMaterialandStructure, 2010, 19(4): 1007-1016.

[2]LiZJ,LeiZ,GeorgeL,etal.Electromagneticenergy-harvestingshockabsorbers:design,modeling,androadtests[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology, 2013, 62(3): 1065-1074.

[3]LiC,ZhuRR.Integrationofshockabsorptionandenergyharvestingusingahydraulicrectifier[J].JournalofSoundandVibration， 2014(33)：3904-3916.

[4] 于長淼，王偉華，王慶年. 饋能懸架阻尼特性及其影響因素[J]. 吉林大學學報：工學版，2010，40(6)：1482-1485.

[5] 王慶年,劉松山.滾珠絲杠式饋能型減振器的結構設計及參數匹配[J].吉林大學學報：工學版,2012,42(5):1100-1106.

[6] 張晗, 過學迅. 液電式饋能減振器外特性仿真與試驗[J]. 農業工程學報,2014,30(2)：38-46.

[7] 長春汽車研究所.QC/T545—1999汽車筒式減振器臺架試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社，1999.

[8] 陳士安，何仁，陸森林. 饋能型懸架的仿真與性能評價研究[J]. 汽車工程，2006，28(2)：167-171.

* 浙江省科技計劃資助項目(2013C31110)

責任編輯馬彤

DesignandSimulationforNewTypeEnergyRegenerationShockAbsorberofVehicle

CAOZhenxin,WANGZhishen,JIANGHongkui

(ZhejiangNormalUniversity,CollegeofEngineering,Jinhua321004,China)

Theelectro-hydraulichybridshockabsorberisdesignedinordertorecoverthevibrationenergyofvehicle.Thereciprocatinghydraulicflowischangedintotheunidirectionalhydraulicflowbythehydraulicbridgecomposedofone-wayvalve.Thehydraulicflowdrivemotorrotatesoastomakegeneratorswork,whiletheshockabsorberdampingforceisachievedbytheresistanceofthegenerator.Thedynamicsmodelofelectro-hydraulicregenerativesuspensionisestablishedbasedontheprincipleofbalanceofpowerandtorquebalance.Theresultsshowthatthedampingforceofshockabsorbercouldbecontrolledbyadjustingtheloadofthegeneratorandaccumulator.

shockabsorberofvehicle,electro-hydraulicenergyregeneration,energyharvesting,simulation

U 461

A

曹振新(1976-)，男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事新能源汽車零部件的設計制造與仿真等方面的研究。

2016-03-29