馈能悬架设计及仿真研究

沈青原 詹黎明

摘 要：本文提出了一种直线电机、弹簧、阻尼器并联的馈能悬架，用于回收车辆行驶过程中所产生的振动能量。首先建立了馈能悬架的动力学模型，确定了能量回收的方式；然后对馈能悬架进行仿真分析，与传统被动悬架进行了隔振性与操稳性的对比，计算得出了能量回收的效率，验证了馈能悬架在能够进行能量回收的同时保证一定的动力学性能。

关键词：馈能悬架；直线电机；隔振；操稳；阻尼

1 前言

传统悬架通过阻尼器将悬架振动能量以热量的形式消耗掉，馈能悬架能够在保证悬架动力学性能的同时，将一部分振动能量转化为电能储存起来，起到能量回收的作用。

上海交通大学的喻凡等人对包含滚珠丝杠装置的馈能悬架进行了研究，通过滚珠丝杠装置将悬架的上下运动转变为旋转运动，通过旋转电机进行能量回收。重庆大学的来飞等人设计了圆筒型直线电机，将其用作悬架作动器，对悬架进行主动控制的同时回收振动能量，并通过试验验证表明，直线电机式馈能悬架在保证车辆乘坐舒适性的前提下，可回收部分振动能量。荷兰埃因霍温理工大学的Bart等人将直线电机、弹簧进行了集成设计，并且在BMW530i上进行了实车试验，验证了馈能悬架能够有效进行能量回收。

以上研究表明，馈能悬架能够有效进行振动能量的回收，并且保证了车辆的舒适性和操稳性。但是，目前馈能悬架基本采用电机加弹簧的结构，此结构形式在电机出现故障时悬架就會停止工作，不具备fail-safe特性。本文研究的馈能悬架采用直线电机、被动阻尼器、弹簧并联的结构形式，被动阻尼器的加入使得馈能悬架具备fail-safe特性。

本文建立了馈能悬架的四分之一二自由度模型，对其馈能特性和动力学性能进行了仿真研究。

2 馈能悬架系统建模

馈能悬架四分之一二自由度拓扑模型如图1所示。ms、mt分别为簧载质量和非簧载质量，kg、ks、kt分别为弹簧刚度和轮胎刚度，N/m；cs和ce分别为阻尼器和直线电机等效阻尼系数，N·s/m；zs、zt和zg分别为车身位移、车轮位移和路面位移，m。直线电机产生的电流通过整流器储存到车载电源中。

建立1/4车辆馈能悬架系统动力学方程及路面模型为：

本文采用有限带宽白噪声作为路面输入：

式中，G0为路面不平度系数，m3/cycle；v0为车速，m/s2；f0为下截止频率，Hz；w（t）为均值为0的高斯白噪声。

3 仿真分析

在讨论过馈能悬架系统模型之后，为了验证其动力学性能以及馈能性能，搭建了馈能悬架simulink模型进行仿真。仿真环境为：C级路面，车速20m/s，进行时域仿真，仿真时间为10s，仿真的一些其他参数如表1所示。以车身质心加速度以及车轮动载荷为动力学评价指标，以超级电容充电结束后的端电压为馈能情况评价指标，仿真结果如下图2和表2所示。

由图2和表2可知，馈能悬架在给定工况下，表征其动力学性能的三项指标：车身质心加速度，车轮动载荷以及悬架动挠度相比于被动悬架分别增加了1.0%、0.5%和7.3%，说明馈能悬架动力学性能有所下降。根据超级电容端电压变化情况，见图

3所示，结合能量计算公式：，可以算出超级电容回收能量30.89J。

综合馈能悬架动力学性能和馈能性能可以分析：虽然馈能悬架动力学性能有所恶化，但是各项指标恶化均未超过10%；与此同时馈能悬架在给定工况的10s时间内，回收了30.89J能量，馈能性能良好。

4 结论

本文提出了一种直线电机、阻尼器、弹簧并联的馈能悬架结构，阻尼器的加入增加了悬架的可靠性。关于馈能悬架，得出了结论如下：馈能悬架的馈能效率较高，具备回收振动能量的能力；馈能悬架相比于传统被动悬架动力学性能有所恶化，但在可接受范围之内。

参考文献

[1]喻凡，张勇超.馈能型车辆主动悬架技术[J].农业机械学报，2010，（1）：1-6.

[2]曹民，刘为，喻凡.车辆主动悬架用电机作动器的研制[J].机械工程学报，2008，（11）：224-228.

[3]陈星，罗虹，邓兆祥.直线电机馈能悬架控制系统设计与馈能分析[J].振动与冲击，2012，31（8）：124-129.

（作者单位：江苏大学京江学院）