新型液電饋能式汽車減振器的設計

□ 杜巧連 □ 陳旭輝

1.浙江師范大學行知學院 浙江金華 321004

2.金華市醫療器械協會 浙江金華 321017

1 設計背景

汽車懸架是一個含有彈性和阻尼元件的非線性振動系統，這一系統在路面不平和發動機等振源激勵下會產生隨機振動［1］。通常情況下，這部分振動機械能由汽車懸架減振器轉化為熱能耗散掉，如果能夠將這些能量加以回收利用，則可以降低汽車能耗，從而實現節約能源的目的。能量回收是現代電動汽車與混合動力車的重要技術之一。在一般內燃機汽車上，當車輛減速、制動時，車輛的運動能量通過制動系統轉化為熱能，并向大氣中釋放。而在電動汽車與混合動力車上，這些被浪費掉的運動能量已可通過能量制動回收技術轉化為電能并儲存于蓄電池中，并進一步轉化為驅動能量［2］。

為回收汽車減振器工作過程中的能量損失，筆者設計了一種新型液電饋能式汽車減振器。這一減振器采用機電液耦合系統，結合了電磁式減振器和液壓式減振器的優點，將車輛懸架系統中減振器產生的振動液壓能轉化為電能，實現能量回收。這樣不僅可以給車輛電池充電，或啟動一些相關電力設備，而且可以減少發動機的油耗，實現節約能源的目的。

2 原理樣機設計

2.1 工作原理

▲圖1 液電饋能式汽車減振器原理樣機

液電饋能式汽車減振器由減振器液壓缸、單向閥、蓄能器、液壓馬達、發電機及液壓管道等組成［2］，其原理樣機如圖1所示。當減振器處于壓縮行程時，活塞將減振器液壓缸內的油液向上腔推動，油液行至節點A處，由于單向閥1閉合而單向閥2開啟，油液向單向閥2處流動。油液行至節點D處，由于壓縮行程時節點D右側管道是高壓油路，而液壓缸下腔正處于低壓狀態，因此絕大部分油液會進入缸內下腔。但有桿腔容積相對較小，部分油液無法進入下腔，會自節點D流向蓄能器2。當減振器處于伸長行程時，活塞將減振器缸內的油液向下腔推動，油液行至節點D處，由于單向閥2閉合，油液向右流動。油液行至節點C處，由于蓄能器2已經在壓縮行程時被充液，因此此時大部分油液會繼續由管道通往液壓馬達，帶動液壓馬達對發電機做功，發電機在液壓馬達的帶動下發電。從液壓馬達出口流出的油液沿管道經過節點B時已處于低壓狀態，蓄能器1內事先儲存的部分油液流出，與液流一起通過單向閥1進入上腔。

在液電饋能式汽車減振器方案設計中，設計思路如下：

（1）壓縮行程并未通過饋能管道，只有伸長行程可產生能量回收，目的在于使伸長行程阻尼力大于壓縮行程阻尼力，使其示功特性、速度特性更貼近傳統車用減振器；

（2）設計采用液壓傳動技術，使減振器兼具穩定的減振與發電性能；

（3）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；

（4）通過使用傳感器和微控制器，利用MATLAB軟件進行仿真試驗，可確定減振器活塞的位置和速度，為汽車懸架系統提供合適的主動阻尼；

（5）通過得到活塞的位置，并利用發動機的反電動勢，能夠動態調整減振器的阻尼特性。

提高液壓回路中單向閥的靈敏度和減小阻抗是提升系統性能的最關鍵因素［3］。由于液壓整流橋在高頻激勵時會受到響應速度及傳動效率降低的影響，因此使用的單向閥越少越好。在液電饋能式汽車減振器方案設計中，簡化了以往液電饋能技術方案，采用了兩個單向閥的結構，提高了系統響應速度。這一設計主要在于回收減振器在伸長行程的振動能量，使壓縮行程中的液壓缸上腔油液直接通過單向閥2進入液壓缸下腔中，從而減小壓縮行程阻尼力。

2.2 主要零部件選型

2.2.1 減振液壓缸

液電饋能式汽車減振器液壓缸的工作方式與普通油缸的工作方式類似，都有一個密封的活塞，通過活塞桿推動活塞做功［4］。液壓缸工作缸的下吊耳與車輪相連，上吊耳與車身相連。單向閥1、單向閥2均采用鋼球加定位彈簧結構。通過單向閥、蓄能器、液壓馬達、液壓管道等，與液壓缸有桿腔所設置的伸長行程出油口及無桿腔所設置的壓縮行程出油口相連，構成一個液壓饋能回路。原理樣機中的液壓缸在傳統雙筒液壓減振器液壓缸基礎上加以改造，通過替換活塞密封圈使之可承受高頻運動，同時取消活塞上的流通閥和伸長閥，利用原有的壓縮閥和補償閥，從而減少零部件，優化減振器結構。

2.2.2 液壓馬達

液電饋能式汽車減振器需要傳動效率高、體積小、轉速變化范圍大的液壓馬達，綜合考慮各種液壓馬達的特點，選擇TCM系列內嚙合齒輪馬達作為原理樣機中的試驗馬達。該液壓馬達的排量為10 cm3/r，質量為2.8 kg，額定壓力為17.5 MPa，額定壓力下轉矩為27 N·m，轉速最大值為4 000 r/min，轉速最小值為2 000 r/min。該液壓馬達主要特點為低噪聲，部件數量少，結構簡單，效率高，壽命長，可高速轉動，在轉速范圍內均可得到穩定的轉矩。

2.2.3 蓄能器

液電饋能式汽車減振器蓄能器的功能將液壓系統中多余的能量轉化為液體內能、彈簧勢能或重力勢能存儲起來，當執行元件所需能量大于系統所提供的能量時再釋放出來。由于蓄能器自身柔性機構的彈性、內部摩擦及質量單元的往復運動，使蓄能器在儲存和釋放能量的同時具有減小壓力波動和平穩液流的作用。考慮到蓄能器的參數和性能會直接影響液壓系統的壓力和流量的變化特征，因此在原理樣機中選用活塞彈簧式蓄能器。

2.2.4 發電機

液電饋能式汽車減振器可采用旋轉發電機，這種發動機效率高、體積小。目前常見的旋轉發電機主要有交流異步發電機、直流有刷發電機及直流無刷發電機三類。直流無刷發電機具有運行效率高、結構簡單、運行可靠等交流發電機的一系列優點，又有無勵磁損耗、調速性能好等直流發電機的諸多優點，基于此，選擇體積小、效率高的永磁稀土直流無刷發電機作為原理樣機中的饋能及阻尼力單元。

3 阻尼力及阻尼系數分析

液電饋能式汽車減振器液壓缸自由體受力如圖2所示。F1為壓縮腔油液作用在活塞底部上的壓力。F2為伸長腔油液作用在活塞桿一側活塞環面上的壓力。F3為活塞桿油封作用在活塞桿上的摩擦力，它的方向始終與運動方向相反。F4為活塞與缸筒上的機械摩擦力，它的方向也始終與運動方向相反。F5為外部連接作用在活塞桿上的機械壓縮力。F6為大氣壓作用在活塞桿截面上的壓力，當油液系統壓力用表壓力表達時，F6=0。 減振器的阻尼力∑F 為［5-6］：

▲圖2 減振器液壓缸自由體受力

液電饋能式汽車減振器作為一種新型減振器，阻尼力特性及組成均不同于普通的雙筒作用減振器，因此有必要對減振器的阻尼力進行推導與分析。分析之前進行適當簡化與假設，在阻尼力及阻尼系數的推導過程中，忽略油液在管道中由于管道局部擴張或收縮而引起的局部損失，主要考慮由單向閥組成的液壓整流橋引起的壓降損失、液壓管道沿程損失，以及蓄能器與液壓馬達引起的損失。

減振器應當具有較大的阻尼系數，以獲得較大的阻尼力，快速消減振動。較大的阻尼系數是減振器的一個突出優點。但是，減振器的阻尼力越大，并聯的彈性元件就越不能充分發揮作用。過大的阻尼力還可能導致減振器連接零件及車架損壞。因此，在設計時，減振器的阻尼力應當滿足以下要求：

（1）在懸架壓縮行程內，減振器的阻尼力應較小，以便充分利用彈性元件的彈性來緩和沖擊；

（2）在懸架伸長行程內，減振器的阻尼力應較大，以求迅速減振；

（3）當車橋與車架的相對速度過大時，減振器應當能自動加大液流通道截面積，使阻尼力始終保持在一定限度之內，以避免承受過大的沖擊載荷。

4 樣機試驗臺架

液電饋能式汽車減振器作為懸架系統中的重要組成部分，從原理設計到實際應用需要經過大量理論研究和試驗驗證［7］。減振器的仿真試驗模型方案中，通過將懸架系統的相對直線運動轉換為液壓馬達的旋轉運動，推動發電機產生電能，實現能量回收。同時利用發電機的反電動勢作用產生阻尼力，可實現主動控制［6］。根據減振器各組成零件部及液壓管道，分析液壓回路的壓降，推導減振器的理論阻尼力方程。同時根據減振器原理樣機，搭建減振器仿真試驗模型，如圖3所示。參照 QC／T 545—1999（2005）《汽車筒式減振器臺架試驗方法》，進行減振器的相關阻尼特性測試［8-11］。

通過仿真試驗得到減振器原理樣機示功特性曲線和速度特性曲線，分別如圖4、圖5所示。利用MATLAB軟件搭建數值仿真模型進行仿真計算，以頻率為 1.67 Hz，振幅為 5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm正弦位移作為輸入工況，正的阻尼力為壓縮行程阻尼力，負的阻尼力為伸長行程阻尼力。從圖4、圖5可知，伸長行程阻尼力大于壓縮行程阻尼力，圖形顯示符合傳統減振器外特性趨勢，具備與車輛懸架系統匹配的基本要求，且速度特性仿真數據與臺架試驗數據吻合較好。通過分析可知，示功特性仿真數據與試驗數據在小幅值，如5 mm、10 mm、15 mm位移工況時，圖形整體吻合度較好，但是峰值阻尼力相對誤差較大；20 mm、25 mm、30 mm位移工況時，由于蓄能器帶來的影響導致仿真曲線與試驗曲線有一定偏差，圖形整體吻合度稍差，但是峰值阻尼力相對誤差較小。由此可見，通過對示功特性及速度特性的仿真分析，驗證了回收振動能量的可行性。

▲圖3 液電饋能式汽車減振器仿真試驗模型

▲圖4 液電饋能式汽車減振器原理樣機示功特性曲線

▲圖5 液電饋能式汽車減振器速度特性曲線

5 結論

筆者設計的液電饋能式汽車減振器采用機電液耦合系統，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，實現能量回收。這一減振器有以下幾方面優點：

（1）減振器設計方案結合了液壓式和電磁式兩種減振器的優點，既具有電磁饋能的高效性，又具有液壓系統布置的靈活性；

（2）通過單向閥與蓄能器的整流作用，將減振器的振動能量轉化為基本趨于穩定推動液壓馬達的液流，進而帶動發電機連續旋轉發電，提高饋能效率；

（3）懸架阻尼力可以由發電機的反電動勢來提供，無需額外能量輸入；

（4）通過調節發電機反電動勢的大小來改變系統的阻尼力，可實現懸架的主動控制或半主動控制。

對于這種新型液電饋能式汽車減振器，方案選型及核心零部件參數匹配需要進行細致的計算與分析。當方案確定后，必然存在不可避免的能量損失，如管道壓降、單向閥壓降、馬達效率等。對能量回收可能影響車輛的行駛平順性及操作穩定性問題，有必要對減振器能量回收的潛力作進一步深入研究。