可回收振動(dòng)能量的新型汽車減振器設(shè)計(jì)與仿真*

曹振新，王智深，蔣洪奎

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院，浙江 金華321014)

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可回收振動(dòng)能量的新型汽車減振器設(shè)計(jì)與仿真*

曹振新，王智深，蔣洪奎

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院，浙江 金華321014)

為回收汽車行駛過程中的振動(dòng)能量，設(shè)計(jì)了一種機(jī)-電-液混合的液電饋能式汽車減振器。通過由單向閥組構(gòu)成的液壓橋路，將減振器內(nèi)的往復(fù)液壓流整合為單向液壓流。單向液壓流驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；同時(shí)，利用發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的阻力實(shí)現(xiàn)減振器的阻尼力效果。依據(jù)功率平衡和轉(zhuǎn)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(dòng)力學(xué)模型。通過對(duì)示功特性及速度特性的仿真分析, 驗(yàn)證了回饋振動(dòng)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(lì)引起的振動(dòng)通常是經(jīng)減振器吸收轉(zhuǎn)化為油液的熱能而發(fā)散掉，達(dá)到衰減振動(dòng)，提高車輛平順性的目的[1]。減振器作為車輛懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要作用是衰減路面輸入帶來的沖擊振動(dòng)，使車輛運(yùn)動(dòng)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(shè)置在車架與車橋之間。減振器內(nèi)的活塞上下移動(dòng)， 使減振器腔內(nèi)的油液循環(huán)地從一個(gè)腔經(jīng)過不同孔隙進(jìn)入另一個(gè)腔內(nèi)，此時(shí)孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內(nèi)摩擦對(duì)振動(dòng)形成阻尼力，利用流體阻尼把機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成摩擦熱能而耗散。如果能夠?qū)⑦@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(dòng)能量耗散主要來自減振器，耗散的能量歸根結(jié)底來源于發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力電池，如果能夠?qū)⑦@些振動(dòng)能量加以回收利用，則可以降低車輛的能耗。2004年，美國(guó)博斯(Bose)公司開發(fā)出一種可用于電動(dòng)車的發(fā)電減振器PGSA，用直線電動(dòng)機(jī)取代彈簧與減振器。當(dāng)懸架系統(tǒng)伸張或壓縮時(shí)，直線電動(dòng)機(jī)猶如一個(gè)發(fā)電機(jī)可以將產(chǎn)生的能量返送給功率放大器。當(dāng)處于發(fā)電機(jī)工況時(shí),功率放大器回收電能；當(dāng)處于電動(dòng)機(jī)工況時(shí),功率放大器向直線電動(dòng)機(jī)輸送能量產(chǎn)生阻尼力。據(jù)稱每個(gè)饋能減振器至少可產(chǎn)生25W的能量。2009年，黎凡特電源(LevantPower)公司(前身為麻省理工學(xué)院MIT的研發(fā)小組)成功研制了一種液電復(fù)合式懸架能量回收裝置，采用一套整流管路和液壓馬達(dá)，將活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為持續(xù)的單向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)饋電。該項(xiàng)目迅速得到美國(guó)軍方的支持，在悍馬H1上成功試裝。通過裝在一個(gè)6輪的卡車上試驗(yàn)，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(guó)LevantPower公司聯(lián)合開發(fā)出全球首款實(shí)現(xiàn)“會(huì)發(fā)電”的主動(dòng)懸架，該項(xiàng)技術(shù)被命名為GenShock，其在懸掛系統(tǒng)安裝一套包括電子控制元件、電動(dòng)機(jī)以及電動(dòng)液壓齒輪泵等3個(gè)單元組件，還應(yīng)用了目前技術(shù)成熟的自適應(yīng)阻尼器系統(tǒng)(CDC)，打造完成的懸架發(fā)電系統(tǒng)，將成為一款能耗低、成本低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的主動(dòng)可調(diào)懸架。美、日、法等國(guó)相繼開展了振動(dòng)能量回收的研究工作，近些年國(guó)內(nèi)一些高校也開始了這方面的研究。國(guó)外對(duì)機(jī)械振動(dòng)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(duì)振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換方式和能量捕獲裝置也各不同，但這些方式產(chǎn)生的能量都可以用來驅(qū)動(dòng)小功率的電子器件。

可發(fā)電的汽車減振器能將車輛懸掛系統(tǒng)中減振器產(chǎn)生的振動(dòng)液壓能轉(zhuǎn)化為電能，為汽車電池充電或驅(qū)動(dòng)相關(guān)電子設(shè)備。液電饋能式減振器可實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)耗散的能量加以回收利用，同時(shí)通過調(diào)節(jié)回收能量的負(fù)載改變減振器的阻尼力，可以較好地實(shí)現(xiàn)車輛減振，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架系統(tǒng)的主動(dòng)控制或半主動(dòng)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(tǒng)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(duì)動(dòng)力電池的消耗，延長(zhǎng)車輛的續(xù)駛里程，對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1　液電饋能式減振器工作原理

回收振動(dòng)能量發(fā)電的液電饋能式減振器設(shè)計(jì)采用機(jī)-電-液混合系統(tǒng)，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(fù)振動(dòng)變成流動(dòng)方向不變的液壓油流動(dòng)，由液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1　回收振動(dòng)能量發(fā)電的汽車減振器原理圖

2　液電饋能式減振器設(shè)計(jì)方案

由于液壓整流橋在高頻激勵(lì)時(shí)會(huì)受到響應(yīng)速度以及傳動(dòng)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(tǒng)性能的最關(guān)鍵因素。該方案的設(shè)計(jì)主要是回收減振器在伸張行程的振動(dòng)能量，而使壓縮行程中的上腔油液直接通過單向閥2進(jìn)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(jī)-電-液的混合系統(tǒng)，其工作原理類似電子學(xué)上的“二級(jí)管整流器+電容濾波”標(biāo)準(zhǔn)電路(二級(jí)管類似于單向閥，電容類似于蓄能器)，將直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能；利用發(fā)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)作用產(chǎn)生阻尼力，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。該減振器由1個(gè)多歧管的液壓馬達(dá)、1個(gè)發(fā)電機(jī)、幾個(gè)單向閥和1個(gè)連接到活塞式減振器上的外部環(huán)路等組成。采用可靠的液壓傳動(dòng)技術(shù)，使車輛液壓減振器兼具穩(wěn)定的減振與發(fā)電性能。通過升壓變換、超級(jí)電容器及穩(wěn)壓器，將系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)提供合適的主動(dòng)阻尼。通過得到活塞的位置和利用發(fā)動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整該減振器的阻尼特性。

減振器阻尼力是由在減振器振動(dòng)時(shí)間歷程之內(nèi)的壓力降所決定的。在對(duì)減振器建立計(jì)算模型時(shí)，通常將各閥看成常通道的流動(dòng)和卸荷閥的組合。活塞的流通閥和底閥的補(bǔ)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(gè)力值都很小。在活塞和底閥上還開有若干個(gè)常通的小孔，它們的作用是在減振器受到小負(fù)荷、高頻率振動(dòng)時(shí)提供壓力降。活塞上的復(fù)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(dá)到一定值時(shí)才會(huì)開起和上浮，復(fù)原閥和壓縮閥主要是在紊流狀態(tài)下產(chǎn)生很大的壓力降。當(dāng)活塞桿及活塞總成向上運(yùn)動(dòng)時(shí)(復(fù)原行程)，油液通過活塞總成的常通孔或復(fù)原閥(當(dāng)油壓足夠高時(shí))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(bǔ)充工作腔的體積變化，一部分油液便通過底閥上的補(bǔ)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(shí)都會(huì)產(chǎn)生壓力降，從而消耗大量能量，使振動(dòng)迅速衰弱；當(dāng)活塞桿及活塞總成向下運(yùn)動(dòng)時(shí)(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(huì)通過底閥上的常通孔或壓縮閥(當(dāng)油液壓力足夠高時(shí))工作腔流向貯油筒，在油液流過所有這些閥和孔時(shí)都會(huì)產(chǎn)生壓力降，從而消耗能量，由于活塞桿和工作缸之間的相對(duì)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(dòng)力學(xué)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(dá)引起的損失。

3.1壓縮行程阻尼力的計(jì)算

減振器壓縮行程阻尼力Fc計(jì)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(chǎn)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(jīng)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(gè)充液過程：

(6)

在壓縮行程完畢時(shí)，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(jì)算

在伸張行程，油液驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)工作，所輸出的轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。液壓回路中單向閥的進(jìn)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(dá)進(jìn)出口的壓力差為：

(9)

則有：

(10)

式中，paccf是壓縮行程結(jié)束時(shí)刻蓄能器對(duì)應(yīng)的壓力。

3.3減振器饋能仿真分析

根據(jù)原理框圖，搭建了液電饋能式減振器原理樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架(見圖2 )。參照QC/T545—1999《汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)范，可進(jìn)行減振器的相關(guān)阻尼特性測(cè)試[6-8]。仿真實(shí)驗(yàn)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(shù)值仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)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(fù)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(shù)值上大于壓縮行程阻尼力。

圖2　饋能式減振器仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖3　示功特性與速度特性仿真曲線

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型車用液電饋能式減振器，建立了阻尼特性的數(shù)學(xué)模型，為液電饋能式減振器與懸架系統(tǒng)的匹配提供了理論支持。該液電饋能式減振器結(jié)合了液力傳動(dòng)和電磁系統(tǒng)發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，既有液壓系統(tǒng)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(xiàn)有方案中，諸如由電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)帶來的“慣量損失”和純機(jī)械饋能式懸架在高頻區(qū)域響應(yīng)差等問題，預(yù)計(jì)其在能量回收效率和懸架特性等方面的指標(biāo)能夠得到顯著提高。液電饋能式減振器作為懸架系統(tǒng)中的重要組成部分，其從原理設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用還需經(jīng)過樣機(jī)制作、仿真及臺(tái)架試驗(yàn)等大量的研究工作。通過對(duì)示功特性及速度特性的仿真分析, 驗(yàn)證了回饋振動(dòng)能量的可行性。

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* 浙江省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013C31110)

責(zé)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(dǎo)師，主要從事新能源汽車零部件的設(shè)計(jì)制造與仿真等方面的研究。

2016-03-29