汽車(chē)饋能懸架技術(shù)研究綜述

劉慧軍，陳雙，薛少科，金旭

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

前言

全球能源日趨緊缺，自然環(huán)境也不斷惡化，使用新能源和保護(hù)環(huán)境已迫在眉睫。饋能懸架技術(shù)是指懸架具有將車(chē)輪行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)能量進(jìn)行一定量回收、存儲(chǔ)并加以利用的能力[1]。饋能懸架將汽車(chē)振動(dòng)能量回收、儲(chǔ)存并利用，可大幅度提升汽車(chē)的能效，饋能懸架不僅能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的能力，還可以將能量回收再利用，減輕能源負(fù)擔(dān)，提升汽車(chē)的綜合性能。

1 饋能懸架的研究現(xiàn)狀

最早進(jìn)行饋能懸架研究的是Karnopp[2]，來(lái)自加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校，他對(duì)主動(dòng)懸架能量耗散情況進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)了減振器能量損失機(jī)理。Velinsky[3]也研究了能量耗散情況，他是首先建立四自由度后懸架模型，然后對(duì)輪胎的相對(duì)速度和懸架減振器進(jìn)行分析研究。Bose 公司開(kāi)發(fā)了一種電磁感應(yīng)式饋能懸架，用于回收路面振動(dòng)能量，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存，與一般的主動(dòng)懸架相比，Bose 公司開(kāi)發(fā)的這種饋能懸架可以節(jié)省三分之一的能量消耗。

2 饋能型懸架的分類(lèi)

機(jī)械式饋能懸架系統(tǒng)的饋能方式主要是通過(guò)增加機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將車(chē)輛振動(dòng)能量傳遞給氣壓或液壓儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量存儲(chǔ)；電磁式饋能懸架系統(tǒng)的饋能方式主要是用電磁作動(dòng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)減振器，將車(chē)輛振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)存。

2.1 齒輪齒條式饋能懸架

當(dāng)車(chē)輛行駛在不平路面發(fā)生振動(dòng)時(shí)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)將懸架上下往復(fù)的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從來(lái)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，最后將這部分電能進(jìn)行儲(chǔ)存并再次利用。

齒輪齒條機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵部件，將振動(dòng)機(jī)械能傳遞給電機(jī)進(jìn)行能量回收。但這種饋能懸架很容易失效，因?yàn)槁访婕?lì)沖擊過(guò)大時(shí)，齒輪齒條很容易斷裂。

2.2 滾珠絲杠式饋能懸架

滾珠絲桿式饋能懸架的滾珠絲杠與電機(jī)安裝在同一條直線上，且結(jié)構(gòu)尺寸與傳統(tǒng)減振器略有不同，所需的安裝空間小，安裝方便。滾珠絲杠式饋能懸架的傳動(dòng)裝置是無(wú)間隙配合，傳動(dòng)效率較高，饋能效率較高。滾珠絲杠和饋能電機(jī)是滾珠絲杠式饋能懸架的關(guān)鍵部件，價(jià)格昂貴，制造成本高。

2.3 直線電機(jī)式饋能懸架

當(dāng)車(chē)輛行駛在不同路面發(fā)生振動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)能將車(chē)身的垂直振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能，同時(shí)也能將電能轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，并為懸架提供阻尼力。與旋轉(zhuǎn)型電機(jī)相比，直線電機(jī)有兩大劣勢(shì)，一是直線電機(jī)功率低、漏磁通大、阻尼力小、功率低；二是直線電機(jī)價(jià)格昂貴，制造成本高。

2.4 曲柄連桿式饋能懸架

曲柄連桿式饋能懸架在傳統(tǒng)懸架的基礎(chǔ)上增加了一種曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)將懸架上下往復(fù)的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，進(jìn)而將這部分電能儲(chǔ)存并再次利用。曲柄連桿式饋能懸架存在兩大問(wèn)題，一是饋能效率低，曲柄連桿式饋能懸架仍然使用傳統(tǒng)的減振器，大部分振動(dòng)能量以熱能的形式耗散掉，能量回收的效果不好；二是安裝性差，曲柄連桿式機(jī)構(gòu)占用空間大，不易安裝。

3 技術(shù)難點(diǎn)與發(fā)展方向

3.1 饋能懸架存在的技術(shù)難點(diǎn)

饋能懸架是一種涉及機(jī)械、電氣、控制等多學(xué)科的新型減振系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)饋能懸架文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn)，饋能懸架至今難以產(chǎn)品化，存在的技術(shù)難題主要是以下四個(gè)方面。

3.1.1 電機(jī)的零供電現(xiàn)象

當(dāng)饋能懸架中電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于發(fā)電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)短暫零供電現(xiàn)象。若是直線電機(jī)式饋能懸架，當(dāng)懸架的運(yùn)動(dòng)速度過(guò)低時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)低于電池電壓，此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電流，減振器輸出的阻尼為零。

3.1.2 能量回收與主動(dòng)控制之間的矛盾[4]

饋能懸架既具有能量回收的特點(diǎn)，又具有主動(dòng)懸架的功能。饋能技術(shù)是指將車(chē)輛上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存并再次利用，而主動(dòng)懸架的主動(dòng)控制功能是抑制車(chē)輛的上下振動(dòng)，讓車(chē)輛具有更好的平順性。因此能量回收與主動(dòng)控制存在不可避免的矛盾。

3.1.3 電壓的存儲(chǔ)問(wèn)題

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，大多數(shù)的路面是較平坦的，因此大多數(shù)情況下，懸架的振動(dòng)幅度不大，饋能懸架產(chǎn)生的電壓也比較小。饋能懸架能量回收的過(guò)程中，只有超過(guò)饋能裝置的電壓閾值才能進(jìn)行充電饋能。在大多數(shù)路面上饋能懸架的振動(dòng)幅度不大，電壓很小，能量回收和存儲(chǔ)效果不好。如果能有效的降低儲(chǔ)能裝置的電壓閾值或者是提高饋能電壓，那就能更好的實(shí)現(xiàn)能量回收和存儲(chǔ)。

3.1.4 饋能懸架的整體控制技術(shù)不成熟

饋能懸架技術(shù)目前大多數(shù)停留在理論研究階段，多數(shù)學(xué)者已經(jīng)研究分析過(guò)工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可行性分析、饋能效率等方面，但完成試驗(yàn)測(cè)試工作的很少。一方面是因?yàn)轲伳苎b置較為復(fù)雜、質(zhì)量大、安裝空間大、安裝性差、不穩(wěn)定等，這樣就不利于實(shí)車(chē)的試驗(yàn)測(cè)試，饋能懸架的集成化和輕量化是制約饋能懸架產(chǎn)品化的關(guān)鍵因素。另一方面，饋能懸架的整體控制技術(shù)仍處于摸索中，還不成熟。雖然很多學(xué)者提出了各自的整體控制策略，但存在很多不成熟的方面，收到的實(shí)際效果也不好，這一方面也是影響?zhàn)伳軕壹馨l(fā)展的技術(shù)難點(diǎn)。

3.2 饋能懸架技術(shù)的發(fā)展方向

饋能懸架的零部件較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，技術(shù)方面涉及的學(xué)科較多，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化較為困難，但隨著傳感器、功率器件、電控單元、儲(chǔ)能裝置等新技術(shù)的出現(xiàn)，為饋能懸架實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化提供了技術(shù)支持和保障。

饋能懸架必須具有可觀的能量回收效果，才能進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。如今饋能懸架技術(shù)發(fā)展方向主要有三方面，首先是有效降低儲(chǔ)能裝置的電壓閾值或者提高饋能裝置的電壓，這樣能使饋能懸架能量回收的靈敏度提高，進(jìn)而使饋能效率提高。其次是整體控制策略有待于提高完善，為試驗(yàn)測(cè)試乃至實(shí)車(chē)試驗(yàn)提供良好的基礎(chǔ)。最后是饋能懸架的集成化和輕量化，要想在實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試和應(yīng)用狀況方面取得進(jìn)步，集成化和輕量化是關(guān)鍵的一環(huán)。

4 結(jié)論

在車(chē)輛技術(shù)趨向于電動(dòng)化、智能化的環(huán)境下，懸架技術(shù)也在發(fā)生重要的變化，其中饋能技術(shù)是懸架系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。饋能懸架技術(shù)不僅可以提高車(chē)輛的能源利用率，還可以有效解決主動(dòng)懸架能耗問(wèn)題，從而提升車(chē)輛的綜合性能。在饋能懸架技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，電機(jī)零供電現(xiàn)象、能量回收與主動(dòng)控制的矛盾、電壓的存儲(chǔ)問(wèn)題、集成化與輕量化等技術(shù)難點(diǎn)限制了饋能懸架進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家們也在積極尋找解決方法。隨著科技的不斷發(fā)展，新材料、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，饋能懸架技術(shù)也將迎來(lái)新的發(fā)展空間，在一些攻堅(jiān)技術(shù)難題得以解決的情況下，饋能懸架技術(shù)將會(huì)以優(yōu)異的性能成為車(chē)輛實(shí)用技術(shù)中一大必備技術(shù)，為車(chē)輛朝著智能化方向發(fā)展貢獻(xiàn)重要的力量。