基于AMESim-Simulink的液電饋能式懸架聯合仿真分析

裴雙紅，過學迅，袁 龍

Pei Shuanghong, Guo Xuexun, Yuan Long

（武漢理工大學汽車工程學院，現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北武漢 430070）

0 引 言

汽車行駛時，車軸與簧載質量之間會存在振動，傳統汽車減振器以液壓油通過阻尼孔摩擦的形式將這部分機械能轉變為熱能，從空氣中耗散掉。如果將這些能量加以回收利用，供汽車上耗能部件使用，則可以實現汽車的節能減排。武漢理工大學過學迅教授等人[1]提出了一種新型的液電饋能式懸架結構，采用機-電-液混合系統，其結構原理如圖1所示。這種特殊的懸架可將由地面不平引起的簧載質量與非簧載質量之間的相對直線運動轉變成方向不變的液壓流驅動液壓電機旋轉，由液壓電機帶動發電機發電，從而將振動機械能轉化為電能予以回收。液壓止回橋和容積變換橋分別由液壓管路與單向閥組成。減振器系統所需的阻尼力主要由發電機工作時產生的反電動勢的作用力提供。文中在研究該饋能式懸架結構的基礎上，分別利用AMESim[2]和Simulink建立饋能式懸架和路面白噪聲[3]激勵仿真模型，設置仿真參數并進行聯合仿真，分析了該液電饋能式懸架的能量回收以及主動控制特性。

1 液電饋能式懸架聯合仿真模型的建立

該液電饋能式懸架的聯合仿真模型如圖2所示，其中主要包含3部分：1、機械組件；2、液壓回路組件；3、能量回收及控制組件。

機械組件中包含了路面白噪聲激勵輸入、輪胎等效彈簧、非簧載質量、懸架彈簧、簧載質量、兩個位移傳感器、聯軸器以及3個零力源等。其中，路面激勵輸入為q，輪胎等效彈簧剛度為k1，非簧載質量為m1，輪胎位移為Z1，懸架彈簧剛度為k2，簧載質量為m2，車身位移為Z2，在輪胎與懸架以及懸架與車體連接部位分別設置位移傳感器1和2。該懸架模型的控制方式為采集位移信號Z1和Z2，將它們的差值輸入PID控制器，從而產生控制信號，通過調節能量回收電路中的可變電阻的阻值來改變發電機工作時產生的反電動勢的作用力，從而實現該饋能式懸架的主動控制。

液壓回路組件包含減振器活塞和缸體、由單向閥（a，b，c，d）組成的液壓止回橋、蓄能器、液壓電機、由單向閥（e，f）和油箱組成的容積變換橋以及它們之間的連接管路。其中減振器腔體由活塞分為有桿腔和無桿腔兩部分，下腔為有桿腔，上腔為無桿腔。6個單向閥中下腔出口處的單向閥d采用有一定開啟壓力的單向閥，以模擬減振器工作過程中拉伸行程阻尼力大于壓縮行程阻尼力，達到快速衰減振動的要求，其余均采用開啟壓力為0的單向閥。液壓止回橋能將減振器活塞上下運動過程中產生的液體流動轉變成方向不變的液壓流驅動液壓電機轉動。容積變換橋是為了補償系統在工作過程中由于有桿腔和無桿腔的存在而產生的容積動態變化。

能量回收及控制組件包含了直流發電機、零電壓源、電容、電感、理想二極管、蓄電池、可變電阻、邏輯門限開關、PID控制器以及對 Z1和 Z2信號進行相減處理的減法器。電容和電感是能量回收電路中的穩壓恒流元件，能保證穩定地對蓄電池進行充電。通過PID控制器產生的控制信號調節可變電阻的阻值，改變發電機的反電動勢的作用力，從而能在回收能量的同時對懸架進行主動控制。

路面激勵白噪聲模型如圖3所示，所選取的路面為B級路面。根據汽車理論，如果車速為定值，速度為時域功率譜即為白噪聲信號，則譜密度為常數，令，于是路面輪廓可由譜密度為的白噪聲通過一積分器產生，公式描述為：其中()w t為單位白噪聲。設車速為 v=20 m/s，n0=0.1 m-1，查表得 B級路面于是利用 Simulink建立的時域路面輪廓如圖4所示。

在模型的仿真參數設置中，機械組件參照整車 1/4懸架模型；液壓回路組件參照國標 QC/T 491—1999（汽車筒式減振器尺寸系列及技術條件）的要求，其試驗條件是測試活塞速度為0.52 m/s時的阻尼力，當液壓缸缸徑為50 mm時，需提供4 000～7 000 N的拉伸行程阻力或700～2 800 N的壓縮行程阻力，由于該液電饋能式懸架與傳統懸架減振器的結構不同，因此應盡量保證其拉伸行程和壓縮行程阻尼力在該范圍內；能量回收及控制組件則是自行設計的，是可以實現充放電以及主動控制功能的模型。

該模型的主要仿真參數設置如下：

路面激勵：采用B級路面白噪聲激勵；

輪胎等效彈簧：剛度k1=18 000 N/m；

非簧載質量：m1=30 kg；

懸架彈簧：剛度k2=15 000 N/m；

簧載質量：m2=300 kg；

活塞直徑：d1=50 mm；活塞桿直徑：d2=10 mm；

單向閥d開啟壓力：p4=2.5 Mpa；

蓄能器：充氣體積v=0.6 L，初始壓力p0=2 Mpa；

液壓電機：排量10 cc/rev，額定轉速4 000 r/min；

液壓油特性：密度850 kg/m3，體積彈性模量17 000 bar，絕對粘度51 cP。

將路面激勵Simulink模型導入AMESim環境下，然后建立仿真模型，設置仿真參數，即在運行模式（run）中設置運行時間為5 s，采樣周期為0.1 s。點擊開始運行（start run），仿真結束后即可對結果進行分析。

2 液電饋能式懸架饋能特性的研究

饋能特性是指饋能式懸架回收振動能量，并將其轉變為電能的特性，可以用發電機輸出功率的大小來表示。在分析發電機的饋能特性時，將其輸出端外接充電電路。在B級路面白噪聲激勵下該懸架的饋能功率如圖5所示。從圖中可以看出饋能式懸架回收的振動能量最大功率在500 w左右，有良好的饋能特性。

3 液電饋能式懸架主動控制的研究

仿真結果顯示液壓電機的流量和轉速分別如圖6和圖7所示。由于是在白噪聲路面的激勵下，使得液壓電機的流量和轉速變化范圍較大，若采用周期的正弦信號激勵，則會得到相對較穩定的電機流量和轉速。從圖中可以看出最大值均低于該液壓電機的額定流量和額定轉速。

液壓缸活塞上的阻尼力如圖8所示。結果顯示該饋能式懸架拉伸行程的最大阻尼力為 4 000～5 000 N，壓縮行程的最大阻尼力為1 000～2 000 N，基本符合傳統減振器拉伸行程和壓縮行程的阻尼力要求。但由于仿真結果是在一般路面條件下得出的，因此仍然有必要對該饋能式懸架的控制系統做進一步的研究，以舍去一部分的饋能效率來獲得高速行駛或在壞路面行駛時較好的舒適性。

4 結 論

通過對液電饋能式懸架聯合仿真模型的搭建與結果的分析，表明該方式不僅可以實現汽車懸架上的能量回收，還可以根據車身控制，為汽車的節能減排提供了一種實際可行與車輪的位移信號來實現該懸架的主動的方案。今后的工作重點在于搭建試驗臺架，加工制造液電饋能式懸架的關鍵零部件，并進行真實路面下的試驗。通過試驗結果與仿真結果的對比來校核該方案的可行性，以及合理地對該方案進行完善和優化，提高其懸架的饋能效率及穩定可靠的主動控制能力，使得該液電饋能式懸架在汽車上的應用成為現實。

[1]過學迅，徐琳，吳昊天，等. 液電饋能式減振器[P]. 中國專利：ZL 2010101088897，2008-1-09.

[2]（法）IMAGINE 公司. AMESim 用戶手冊.

[3]勞毅仁. 汽車主動懸架控制系統的研究[D]. 天津大學，2007.