可回收振动能量的新型汽车减振器设计与仿真*

曹振新，王智深，蒋洪奎

(浙江师范大学 工学院，浙江 金华321014)



可回收振动能量的新型汽车减振器设计与仿真*

曹振新，王智深，蒋洪奎

(浙江师范大学 工学院，浙江 金华321014)

为回收汽车行驶过程中的振动能量，设计了一种机-电-液混合的液电馈能式汽车减振器。通过由单向阀组构成的液压桥路，将减振器内的往复液压流整合为单向液压流。单向液压流驱动马达工作，从而带动发电机发电；同时，利用发电机反电动势的阻力实现减振器的阻尼力效果。依据功率平衡和转矩平衡原理，建立了减振器压缩行程和伸张行程的阻尼力动力学模型。通过对示功特性及速度特性的仿真分析, 验证了回馈振动能量的可行性。

汽车减振器；液电馈能式；能量回收；仿真

汽车在行驶过程中，由路面激励引起的振动通常是经减振器吸收转化为油液的热能而发散掉，达到衰减振动，提高车辆平顺性的目的[1]。减振器作为车辆悬架系统的关键部件，主要作用是衰减路面输入带来的冲击振动，使车辆运动收敛最合理化，以给驾驶者舒适感。目前，普遍使用的车辆液压减振器设置在车架与车桥之间。减振器内的活塞上下移动， 使减振器腔内的油液循环地从一个腔经过不同孔隙进入另一个腔内，此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻尼力，利用流体阻尼把机械振动能量转换成摩擦热能而耗散。如果能够将这一部分耗散的能量回收并加以利用，则可以提高能量利用效率，降低燃油消耗。

车辆悬架的振动能量耗散主要来自减振器，耗散的能量归根结底来源于发动机或动力电池，如果能够将这些振动能量加以回收利用，则可以降低车辆的能耗。2004年，美国博斯(Bose)公司开发出一种可用于电动车的发电减振器PGSA，用直线电动机取代弹簧与减振器。当悬架系统伸张或压缩时，直线电动机犹如一个发电机可以将产生的能量返送给功率放大器。当处于发电机工况时,功率放大器回收电能；当处于电动机工况时,功率放大器向直线电动机输送能量产生阻尼力。据称每个馈能减振器至少可产生25W的能量。2009年，黎凡特电源(LevantPower)公司(前身为麻省理工学院MIT的研发小组)成功研制了一种液电复合式悬架能量回收装置，采用一套整流管路和液压马达，将活塞往复运动转化为持续的单向转动，从而驱动发电机馈电。该项目迅速得到美国军方的支持，在悍马H1上成功试装。通过装在一个6轮的卡车上试验，回收装置平均能够回收1kW能量。2013年8月，ZF(采埃孚)公司官方宣布，携手美国LevantPower公司联合开发出全球首款实现“会发电”的主动悬架，该项技术被命名为GenShock，其在悬挂系统安装一套包括电子控制元件、电动机以及电动液压齿轮泵等3个单元组件，还应用了目前技术成熟的自适应阻尼器系统(CDC)，打造完成的悬架发电系统，将成为一款能耗低、成本低和结构简单的主动可调悬架。美、日、法等国相继开展了振动能量回收的研究工作，近些年国内一些高校也开始了这方面的研究。国外对机械振动能量回收装置的研究主要有静电式、电磁式、压电式、滚珠丝杆式和液电馈能式等[2-5]，这几种形式对振动能量的转换方式和能量捕获装置也各不同，但这些方式产生的能量都可以用来驱动小功率的电子器件。

可发电的汽车减振器能将车辆悬挂系统中减振器产生的振动液压能转化为电能，为汽车电池充电或驱动相关电子设备。液电馈能式减振器可实现悬架系统耗散的能量加以回收利用，同时通过调节回收能量的负载改变减振器的阻尼力，可以较好地实现车辆减振，从而实现对悬架系统的主动控制或半主动控制，获得最佳的整车行驶平顺性。液电馈能式悬架可用于传统燃油车及新能源汽车，比如乘用车、大客车和越野车等，尤其是新能源车辆，可减少对动力电池的消耗，延长车辆的续驶里程，对实现汽车节能减排具有重大的现实意义。

1　液电馈能式减振器工作原理

回收振动能量发电的液电馈能式减振器设计采用机-电-液混合系统，通过单向阀组成的液压回路，将由路面不平引起的车身与道路间的往复振动变成流动方向不变的液压油流动，由液压油驱动液压马达，进而带动发电机发电，从而将振动机械能转化为电能，设计原理如图1所示。

图1　回收振动能量发电的汽车减振器原理图

2　液电馈能式减振器设计方案

由于液压整流桥在高频激励时会受到响应速度以及传动效率降低的影响，故采用的单向阀越少越好。如何提高液压回路中单向阀的灵敏度和减小其阻抗是提升系统性能的最关键因素。该方案的设计主要是回收减振器在伸张行程的振动能量，而使压缩行程中的上腔油液直接通过单向阀2进入到下腔中，从而减小压缩行程阻尼力。液电馈能式减振器采用机-电-液的混合系统，其工作原理类似电子学上的“二级管整流器+电容滤波”标准电路(二级管类似于单向阀，电容类似于蓄能器)，将直线往复运动转化为液压马达的旋转，推动发电机产生电能；利用发电机的反电动势作用产生阻尼力，可实现主动控制。该减振器由1个多歧管的液压马达、1个发电机、几个单向阀和1个连接到活塞式减振器上的外部环路等组成。采用可靠的液压传动技术，使车辆液压减振器兼具稳定的减振与发电性能。通过升压变换、超级电容器及稳压器，将系统产生的电压用来为汽车的蓄电池充电。通过使用传感器和微控制器，利用软件算法,可确定减振器活塞的位置和速度，为车辆悬挂系统提供合适的主动阻尼。通过得到活塞的位置和利用发动机的反电动势，能够动态地调整该减振器的阻尼特性。

减振器阻尼力是由在减振器振动时间历程之内的压力降所决定的。在对减振器建立计算模型时，通常将各阀看成常通道的流动和卸荷阀的组合。活塞的流通阀和底阀的补偿阀都是单向阀，阻力主要由弹簧阀片和螺旋弹簧提供，通常这个力值都很小。在活塞和底阀上还开有若干个常通的小孔，它们的作用是在减振器受到小负荷、高频率振动时提供压力降。活塞上的复原阀和底阀上的压缩阀，是由压力弹簧和阀片控制的压力阀，只有在压力达到一定值时才会开起和上浮，复原阀和压缩阀主要是在紊流状态下产生很大的压力降。当活塞杆及活塞总成向上运动时(复原行程)，油液通过活塞总成的常通孔或复原阀(当油压足够高时)从工作缸活塞杆腔流向工作腔，由于活塞杆体积的存在，从活塞杆腔流向工作腔的油液不足以补充工作腔的体积变化，一部分油液便通过底阀上的补偿阀和常通孔从贮油筒流向工作腔，在油液流过所有这些阀和孔时都会产生压力降，从而消耗大量能量，使振动迅速衰弱；当活塞杆及活塞总成向下运动时(压缩行程)，油液通过活塞总成的常通孔和流通阀，从工作腔流向活塞杆腔，由于活塞杆体积的存在，从工作腔流向活塞杆腔的油液量大于活塞杆腔的体积变化，一部分油液便会通过底阀上的常通孔或压缩阀(当油液压力足够高时)工作腔流向贮油筒，在油液流过所有这些阀和孔时都会产生压力降，从而消耗能量，由于活塞杆和工作缸之间的相对速度的变化，使得作用在活塞上的力也是变化的。

3　液电馈能式减振器动力学模型与仿真

液电馈能式减振器作为一种新型减振器，其阻尼力的特性以及组成均不同于普通的双筒作用减振器，主要考虑由单向阀组成的液压整流桥形成的压降损失、液压管路沿程损失、蓄能器以及液压马达引起的损失。

3.1压缩行程阻尼力的计算

减振器压缩行程阻尼力Fc计算公式如下：

Fc=phSh-plSl

(1)

式中，ph为液压缸上腔压力；Sh为活塞上端面面积；pl为液压缸下腔压力；Sl为活塞下端面面积。

压缩行程中产生压差的有单向阀2、蓄能器2、回路的沿程损失及局部损失，压力平衡方程为：

ph=pl+Δp2+Δpc+3Δpjc

(2)

液流经过单向阀2的压力差为：

(3)

液压管路的沿程压力损失为：

(4)

局部压力损失为：

(5)

蓄能器2有一个充液过程：

(6)

在压缩行程完毕时，蓄能器2的气体压力与液压腔下腔压力平衡，pl=pacc，则有：

(7)

3.2伸张行程阻尼力的计算

在伸张行程，油液驱动液压马达工作，所输出的转矩带动发电机发电。液压回路中单向阀的进出口压差、局部压力损失以及沿程压力损失均与压缩行程类似，压力平衡方程为：

pl=ph+Δp1+Δpe+Δpr+Δpjr

(8)

液压马达进出口的压力差为：

(9)

则有：

(10)

式中，paccf是压缩行程结束时刻蓄能器对应的压力。

3.3减振器馈能仿真分析

根据原理框图，搭建了液电馈能式减振器原理样机试验台架(见图2 )。参照QC/T545—1999《汽车筒式减振器台架试验方法》的相关规范，可进行减振器的相关阻尼特性测试[6-8]。仿真实验得到的示功特性和速度特性如图3 所示。利用MATLAB软件搭建数值仿真模型进行仿真计算，以1.67Hz的频率，振幅分别为5、10、15、20、25和30mm的正弦位移为输入工况。其中，正的阻尼力为压缩行程阻尼力，负的阻尼力为伸张行程阻尼力。从图3可知，伸张行程阻尼力数值上大于压缩行程阻尼力。

图2　馈能式减振器仿真实验模型

图3　示功特性与速度特性仿真曲线

4　结语

本文设计了一种新型车用液电馈能式减振器，建立了阻尼特性的数学模型，为液电馈能式减振器与悬架系统的匹配提供了理论支持。该液电馈能式减振器结合了液力传动和电磁系统发电的优势，既有液压系统的布置灵活性，又有电磁馈能的高效性。在原理上，该方案可克服现有方案中，诸如由电动机反转带来的“惯量损失”和纯机械馈能式悬架在高频区域响应差等问题，预计其在能量回收效率和悬架特性等方面的指标能够得到显著提高。液电馈能式减振器作为悬架系统中的重要组成部分，其从原理设计到实际应用还需经过样机制作、仿真及台架试验等大量的研究工作。通过对示功特性及速度特性的仿真分析, 验证了回馈振动能量的可行性。

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* 浙江省科技计划资助项目(2013C31110)

责任编辑马彤

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，硕士生导师，主要从事新能源汽车零部件的设计制造与仿真等方面的研究。

2016-03-29