結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓電式饋能減振器俘能特性的影響

郝志龍 呂寶占

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

0 引言

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，以化學(xué)電池為主的供能方式的弊端也逐漸顯露出來，如體積大、使用壽命短、特殊場(chǎng)合難以更換等。可替代能源的研究引起了人們的關(guān)注。振動(dòng)是1種自然界普遍存在的物理現(xiàn)象，不僅聲、光、熱現(xiàn)象中包括振動(dòng)，它還以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式廣泛存在，如橋梁和建筑物在陣風(fēng)或地震激勵(lì)下的振動(dòng)，汽車在崎嶇不平的道路上行駛時(shí)的振動(dòng)，機(jī)床和刀具在加工過程中的振動(dòng)等。其中汽車減振器中的振動(dòng)能量可以回收并轉(zhuǎn)換為電能用于為微電子產(chǎn)品供能。振動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換方式主要有壓電式[1-3]、電磁式[4]、靜電式[5]和摩電式[6]4種。應(yīng)用于饋能減振器中多為壓電式換能器。

液壓筒式減振器是汽車懸架上最重要的原件之一，也是應(yīng)用最廣泛的減振器，在研究饋能懸架時(shí)主要以電磁式[7]、液-電式[8]、齒輪齒條式式[9]為主。其中電磁式汽車懸架響應(yīng)速度較高，能量轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和利用方便，但是電磁式饋能懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精密性高，加工和后期維修成本較高。液電式饋能減振器的能量傳遞效率較低，并且設(shè)計(jì)不當(dāng)容易造成空程崎變現(xiàn)象。齒輪齒條式如果加工安裝精度差，會(huì)引起較大的傳動(dòng)噪聲。如果在沒有安裝機(jī)械整流橋的方案中，電機(jī)轉(zhuǎn)子頻繁地正反轉(zhuǎn)，這嚴(yán)重影響了電機(jī)使用壽命和饋能減振器的能量回收效率。

該文首先設(shè)計(jì)了饋能減振器的結(jié)構(gòu)，建立FLUENT二維數(shù)學(xué)模型，以此模型為基礎(chǔ)，改變數(shù)學(xué)模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)、油液參數(shù)、充入氣體的種類等得出在這些參數(shù)變化下饋能減振器有桿腔與無桿腔的壓力差。運(yùn)用Simulink仿真軟件仿真得到不同參數(shù)條件下饋能減振器的俘能特性規(guī)律。

1 饋能減振器的結(jié)構(gòu)原理

該文在結(jié)合雙筒式液壓減振器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1種壓電式饋能減振器，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

壓電式饋能減振器的結(jié)構(gòu)主要由活塞缸、活塞總成、密封、活塞桿、內(nèi)缸筒、外缸筒、補(bǔ)償室以及底閥組成。液壓缸無桿腔與無桿腔的油液通過活塞總成中的常通孔相連，無桿腔的油液經(jīng)底閥上的壓縮閥和補(bǔ)償閥連接補(bǔ)償腔，饋能減振器壓電振子產(chǎn)生的電能由活塞總成中的導(dǎo)線通過中空活塞桿儲(chǔ)存在減振器外部的儲(chǔ)能器中。

圖1 壓電式饋能減振器結(jié)構(gòu)原理圖

2 壓電式饋能型液壓減振器工作原理

減振器處于壓縮行程時(shí)，底閥中壓縮閥工作。下腔中的一部分油液經(jīng)過常通孔流入上腔，而另一部分油液則經(jīng)過壓縮閥流入儲(chǔ)油腔，油液經(jīng)過壓縮閥和常通節(jié)流孔產(chǎn)生壓縮節(jié)流壓力。當(dāng)減振器速度低于壓縮行程開閥速度時(shí)，壓縮閥不開閥，油液僅流經(jīng)常通節(jié)流孔而產(chǎn)生節(jié)流壓力；當(dāng)減振器速度大于壓縮行程開閥速度時(shí)，壓縮閥開閥，油液流經(jīng)常通孔及節(jié)流閥片變形形成的節(jié)流縫隙，產(chǎn)生節(jié)流壓力。

減振器處于復(fù)原行程時(shí)，減振器活塞桿相對(duì)腔室拉伸，此時(shí)減振器活塞向上移動(dòng)。活塞上腔油壓升高，上腔內(nèi)的油液便通過活塞上的常通孔流入下腔。同樣，由于活塞桿的存在，自上腔流來的油液不足以充滿下腔做增加的容積，在壓差的作用下，儲(chǔ)液腔中的油液便通過底閥上的補(bǔ)償閥流入下腔。

從工作原理可以看出：在壓縮行程中，油液流經(jīng)壓電式饋能減振器的常通孔及壓縮閥片變形所形成的節(jié)流縫隙，產(chǎn)生節(jié)流壓力，起到了傳統(tǒng)懸架的作用；而在復(fù)原行程中，油液流經(jīng)常通孔和補(bǔ)償閥，產(chǎn)生的阻尼力能夠迅速衰減振動(dòng)，這一過程起到了減振的作用，而在2個(gè)行程中壓電振子都會(huì)產(chǎn)生變形，產(chǎn)生電壓和電能，進(jìn)而回收了本應(yīng)該以熱能形式耗散掉的汽車能量。

3 求解壓電振子發(fā)電電壓與電能

饋能液壓減振器中的壓電振子在載荷作用下產(chǎn)生了彎曲變形，其中均布載荷q=P1-P2，P1為有桿腔的油液壓力，P2為無桿腔的油液壓力。

3.1 饋能減振器產(chǎn)生的電壓

壓電振子在載荷作用下產(chǎn)生的電壓公式如公式（1）所示。

其中：

式中：g31為壓電電壓常數(shù)；D為活塞缸直徑；Epzt為壓電陶瓷的彈性模量；νpzt為壓電陶瓷的泊松比；hpzt為壓電陶瓷的厚度，mm；hp為基板的厚度，mm；νp為基板的泊松比；C3為基板與壓電陶瓷的厚度比；δ為基板與壓電陶瓷的彈性模量比；η為壓電材料與基板復(fù)合等效泊松比；λ1為壓電材料與基板復(fù)合的等效彈性模量；λ0為壓電材料與基板復(fù)合的等效彎曲剛度。

3.2 饋能減振器產(chǎn)生的電能壓

電振子在載荷作用下產(chǎn)生的電能公式如公式（2）所示。

式中：Eg為壓電振子產(chǎn)生的電能；為恒應(yīng)變下介電隔離率。

4 建立饋能減振器FLUENT二維數(shù)學(xué)模型

結(jié)合饋能減振器的結(jié)構(gòu)原理圖，構(gòu)建饋能減振器簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。

饋能減振器的活塞總成中，為了考慮壓電材料和基板的工作區(qū)域，以及盡可能地將其表面面積設(shè)計(jì)最大，因此在模型中，活塞總成上只設(shè)計(jì)了2個(gè)常通孔和壓電材料與基板。饋能減振器的底座部分有2個(gè)閥分別是壓縮閥和補(bǔ)償閥，無論減振器在壓縮行程還是在復(fù)原行程時(shí)，底部都是1個(gè)閥在工作，因此在FLUENT仿真時(shí)，將底部設(shè)計(jì)為1個(gè)閥門。

圖2 饋能減振器FLUENT仿真數(shù)學(xué)模型圖

5 壓電式饋能型液壓減振器FLUENT仿真

由于減振器運(yùn)動(dòng)的周期性，且壓縮和拉伸過程時(shí)油液流動(dòng)大體相同，因此下面以壓縮過程為例分析了減振器流場(chǎng)參數(shù)分布和變化情況。如圖3所示為某一工況下減振器壓縮過程時(shí)的內(nèi)流場(chǎng)壓力分布云圖，由于計(jì)算是基于油液的不可壓縮性，油液具有壓力的傳遞性，所以同一個(gè)腔內(nèi)油液壓力基本相同。工作時(shí)上下腔壓力明顯不同，最大壓力位于工作紅下腔，上下腔主要區(qū)域壓力變化基本相同，只在常通孔區(qū)域會(huì)有較為明顯的顏色變化，這與減振器的實(shí)際工作情況相符。

圖3 饋能減振器內(nèi)流場(chǎng)壓力分布云圖（左側(cè)為饋能減震器內(nèi)流場(chǎng)壓力值）

減振器在工作時(shí)，上下腔處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此活塞作為上下腔的連接處，其壓力分布會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。圖3為饋能減振器內(nèi)部油液壓力分布云圖，由圖4可以看出活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)有桿腔和無桿腔有明顯的壓力差，根據(jù)減振器內(nèi)部油液的流動(dòng)情況，顯然壓力發(fā)生突變的位置會(huì)出現(xiàn)在常通孔和節(jié)流孔處。

6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)饋能減振器俘能特性的影響

設(shè)置饋能減振器活塞桿的運(yùn)動(dòng)為正弦運(yùn)動(dòng)，通過改變饋能減振器二維數(shù)學(xué)模型中常通孔直徑、底閥過流直徑，導(dǎo)出在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下饋能減振器有桿腔和無桿腔的壓力差，再通過Simulink仿真軟件分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)饋能減振器俘能特性的影響。

由圖5（a）可知，常通孔的直徑dz對(duì)壓電振子產(chǎn)生的開路電壓和電能有顯著的影響，由圖5（b）電壓和電能隨著阻尼孔的直徑dz的增加而減小，參數(shù)改變對(duì)懸架俘能特性的影響在還原行程比壓縮行程更加明顯。

改變底閥的直徑進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到圖6（a）為底閥過流直徑dj對(duì)壓電振子產(chǎn)生的開路電壓的影響，圖6（b）為底閥過流直徑dj對(duì)壓電振子產(chǎn)生的電能的影響，由圖可以看出，壓電式饋能減振器產(chǎn)生的電壓和電能隨著底閥直徑的減小而增大，再還原行程，底閥直徑對(duì)產(chǎn)生的電壓和電能不產(chǎn)生影響，但是在壓縮行程中卻產(chǎn)生了顯著的影響，并隨著直徑的減小，電壓和電能的變化會(huì)越來越明顯。

7 結(jié)語

通過饋能減振器的結(jié)構(gòu)原理圖建立FLUENT數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上通過改變減振器的常通孔參數(shù)、底閥過流直徑參數(shù)得到這些參數(shù)的變化對(duì)饋能減振器有桿腔與無桿腔的壓力差的影響。再結(jié)合Simulink仿真軟件仿真得出在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下饋能減振器的俘能特性曲線。仿真結(jié)果表明，在饋能減振器中活塞桿的運(yùn)動(dòng)為正弦運(yùn)動(dòng)下，饋能減振器產(chǎn)生的電壓和電能隨著常通孔直徑的增加而減小；隨底閥過流直徑的增加而減小。

圖5 常通孔直徑對(duì)饋能減振器俘能特性的影響

圖6 常底閥過流直徑對(duì)饋能減振器俘能特性的影響