基于AMESim-Simulink的饋能空氣懸架設計與性能分析

李仲興，陳 望，江 洪

(1. 江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于AMESim-Simulink的饋能空氣懸架設計與性能分析

李仲興1，陳 望1，江 洪2

(1. 江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

設計了一種饋能空氣懸架，利用新型減振器回收振動能量，并儲存為壓縮空氣有效能；介紹了該饋能懸架的結構與工作原理，并建立該饋能空氣懸架的AMESim-Simulink聯(lián)合仿真模型，分析減振器外特性及饋能空氣懸架對車身振動能量的利用效能。結果表明：新型減振器具有優(yōu)良的外特性；饋能空氣懸架具有優(yōu)良的饋能效率，可在較短時間內為高壓儲氣罐充氣至規(guī)定壓力，故該懸架可為車輛節(jié)省用于驅動電動空氣壓縮機的電能，具有很好的經(jīng)濟效益與現(xiàn)實意義。

車輛工程；減振器特性；振動能量；饋能空氣懸架

0 引 言

空氣懸架是一種采用非金屬彈簧技術的懸架，它帶有壓縮空氣供給裝置，能根據(jù)路況的變化改變空氣彈簧的剛度，有效限制振幅，避開共振，防止沖擊，因此具有較好的行駛平順性[1-2]。然而，空氣懸架由于使用電動壓縮空氣機給空氣彈簧充氣必須消耗發(fā)動機的功率[3]，并且應用于空氣懸架的傳統(tǒng)減振器將車輛行駛中的振動能量以液壓油通過阻尼孔進行摩擦的形式轉化為油液的內能，隨后通過空氣的流動耗散掉。這種方式不僅使得減振器內的液壓油溫度升高，影響其減振性能，而且造成能源的浪費[4]。

如今節(jié)能是汽車設計中重點考慮的問題之一，解決空氣懸架高能耗問題勢在必行，而能量回饋是降低能耗和成本的一個重要手段[5-6]。采用饋能懸架回收汽車振動能量，是目前國內外學者的研究熱點。其中電磁式饋能懸架因其具有響應速度快、執(zhí)行精度高，可將振動能量轉變?yōu)殡娔艿葍?yōu)點，得到快速發(fā)展[7-8]。但這種懸架存在發(fā)電效率低、發(fā)電機的體積和質量大、發(fā)電機正反向轉動，減振器的死區(qū)較大等缺點[9]。筆者提出一種新型饋能空氣懸架，用于解決空氣懸架高能耗及振動能量利用的問題。

1 饋能空氣懸架的工作原理

饋能空氣懸架主要包含3部分：懸架組件、液壓回路組件和振動能量利用組件。見圖1。

圖1 饋能空氣懸架結構原理

液壓回路組件包含減振器缸體、由單向閥(a，b，c，d)和常通閥組成的液壓止回橋、液壓馬達、由單向閥(e，f)和油箱組成的容積變換橋以及它們之間的連接管路。其中減振器缸體分為有桿腔和無桿腔兩部分，下腔為有桿腔，上腔為無桿腔。如圖1虛線箭頭所示，當壓縮行程時，上腔中油液流經(jīng)單向閥c、液壓馬達，單向閥b至下腔；如圖1實線箭頭所示，當伸張行程時，下腔中油液流經(jīng)單向閥d、液壓馬達，單向閥a至上腔。少量油液直接通過常通閥在上下腔之間流動。因此液壓止回橋能將減振器活塞上下運動過程中產生的液體流動轉變成方向不變的液壓流驅動液壓馬達單方向轉動。單向閥d具有一定的開啟壓力，以實現(xiàn)減振器工作過程中拉伸行程阻尼力大于壓縮行程阻尼力，進而達到快速衰減振動的要求；其余單向閥開啟壓力均為0。容積變換橋是為了補償減振器在工作過程中由于有桿腔和無桿腔的存在而產生的容積動態(tài)變化[10]。

振動能量利用組件包含了空氣壓縮機、單向閥g、溢流閥和高壓儲氣罐。液壓馬達輸出軸與空氣壓縮機輸入軸連接，空氣壓縮機給高壓儲氣罐充氣。單向閥g和溢流閥的作用是使高壓儲氣罐內所能達到的最高壓力保持恒定。

這種懸架將車身的振動能量通過液壓馬達直接轉變?yōu)轵寗涌諝鈮嚎s機工作的機械能，空氣壓縮機給高壓儲氣罐充氣，最終由高壓儲氣罐為空氣彈簧提供高壓氣體。這一過程能夠節(jié)省驅動傳統(tǒng)空氣懸架中電動空氣壓縮機所使用的電能并且振動能量的直接利用，避免了傳統(tǒng)饋能懸架將振動能量轉化為電能過程中產生的能量損耗，提高了能量轉換效率。

2 饋能空氣懸架節(jié)能性能評價

2.1 液壓馬達輸出功率

液壓馬達的輸出功率P1可由作用于輸出轉軸上的扭矩與轉軸轉速表示：

(1)

式中：T為作用于轉軸的轉矩，N/m；n為轉軸的轉速，r/min。

2.2 減振器功率

減振器的功率P2可由作用于減振器活塞桿上的力與活塞速度表示：

P2=F·v

(2)

式中：F為作用于活塞桿的力，N；v為活塞速度，m/s。

2.3 壓縮空氣的有效能

氣動系統(tǒng)中壓縮空氣的有效能定義為：以大氣溫度和壓力狀態(tài)為外界基準，壓縮空氣具有的對外做功能力。該有效能是一個相對于大氣狀態(tài)基準的相對量，是建立在氣動系統(tǒng)都工作在大氣環(huán)境下這樣一個事實基礎上[11]。有效能在大氣溫度下表示如式(3)：

(3)

式中:p為高壓腔中對壓力；V為空氣體積；pa為大氣絕對壓力。

根據(jù)式(3)，有效能取決于壓縮空氣的壓力和體積，在其壓力等于大氣壓力時有效能為0，壓力越高有效能越大。

2.4 饋能效率

饋能空氣懸架所消耗的振動能量為減振器消耗能量與液壓馬達所獲得液壓能的總和，而饋能部分則為高壓儲氣罐中壓縮空氣增加的有效能，因此懸架的饋能效率為：

(4)

式中：η為饋能效率；ΔE為壓縮空氣增加的有效能；t為時間。

3 仿真模型與路面輸入時域模型

根據(jù)所設計的饋能空氣懸架結構原理，利用AMESim軟件在其元件庫中選擇合適的元件，并為元件設置能夠反映相應特性的子模型，搭建減振器及1/4車輛仿真模型。

因所建的1/4車輛仿真模型要在時域上進行仿真，故必須根據(jù)頻域上的路面功率譜密度產生相應時域上的隨機路面不平度輸入。產生隨機路面不平度的時域模型有多種方法，筆者采用濾波白噪聲法作為路面輸入時域模型[12]，即：

(5)

式中：q(t)為路面位移；f0為下截止頻率；Gq(n0)為路面不平度系數(shù)；w(t)為均值為0、方差為1的高斯白噪聲。

圖2為通過Simulink軟件模擬計算得到的車輛以60km/h速度通過C級路面時的路面垂直位移時域信號。

圖2 C級路面60 km/h路面垂直位移時域信號

4 饋能空氣懸架減振器的特性研究

在AMESim軟件中，對減振器特性進行仿真分析時，對其活塞桿施加外部激勵。

參照國標 QC/T 491—1999《汽車筒式減振器尺寸系列及技術條件》的要求，測取減振器特性應采用正弦激勵。針對活塞行程為100 mm，最大速度為0.52 m/s，激振頻率為1.67 Hz的情況對減振器特性進行仿真分析。表1為減振器的主要仿真參數(shù)。

表1 主要仿真參數(shù)

減振器阻尼力-速度特性見圖3。該阻尼力主要由管路和液壓馬達的負載提供。由圖3可見，當活塞速度達到最大速度0.52 m/s時，該減振器拉伸行程的最大阻尼力為5 500 N，壓縮行程的最大阻尼力為1 850 N，符合當液壓缸缸徑為 50 mm 時，需提供不大于7 000 N 的拉伸行程阻力和不大于2 800 N的壓縮行程阻力的要求。并且隨著速度的增大，減振器阻尼力不斷上升，曲線所包含的面積較大，因此該減振器的阻尼效率較高，具有優(yōu)良的速度特性。

圖3 減振器F-V特性

圖4是減振器示功圖。壓縮行程阻尼力迅速上升至峰值且維持穩(wěn)定，這是因為壓縮行程阻尼力主要由液壓馬達負載提供，阻尼力與油液流速無關。拉伸行程應迅速減振，因此阻尼力主要靠管路提供，其阻尼力符合在流通面積一定時，油液流速越大阻尼力越大的規(guī)律。

圖4 減振器示功圖

綜上分析，所設計應用于饋能空氣懸架的減振器產生的阻尼力滿足使用要求，具有良好的速度特性和阻力位移特性，減振效果優(yōu)良。

5 饋能空氣懸架振動能量利用效能

將減振器模型應用于1/4車輛仿真模型中，通過Simulink軟件提供不同路面等級和行駛速度的路面輸入，對模型進行仿真，分析饋能空氣懸架振動能量的利用效能。表2為1/4車輛仿真模型參數(shù)。

表2 1/4車輛仿真模型參數(shù)

5.1 液壓馬達功率

表3為不同路面等級、不同車速情況下液壓馬達的功率。當車輛以60 km/h速度行駛于B級路面時，液壓馬達的最大功率為376.9 W，平均功率為10.1 W。

表3 不同等級路面不同車速下液壓馬達功率

當車輛以60 km/h行駛于C級路面時，由于路面垂直位移大幅增加，液壓馬達最大功率與平均功率相對于車輛以相同速度行駛于B級路面有大幅提高，最大功率為961.8 W，平均功率為31.9 W。同時，隨著車速增加，車輛行駛于同一等級路面時，最大功率與平均功率有小幅增加，當車速為70 km/h時，最大功率為1 075.5 W，平均功率為36.3 W；車速為80 km/h時，最大功率為1 216.7 W，平均功率為40.6 W。

因此，車輛只有行駛于有較大路面垂直位移的路面時，饋能空氣懸架才能夠發(fā)揮出其回收振動能量的優(yōu)勢，且速度越大，液壓馬達的最大功率與平均功率也越大。并且液壓馬達的最大功率較大，能夠起到優(yōu)良的饋能效果。

5.2 饋能效率

表4為車輛行駛于C級路面，不同車速、不同仿真時間下饋能空氣懸架的饋能效率，此時高壓儲氣罐內初始壓力為一個大氣壓。表中液壓馬達所具有的液壓能始終大于高壓儲氣罐中有效能增量，這是因為空氣壓縮機與高壓儲氣罐間的管路存在損耗。在相同車速下，隨著仿真時間的延長，饋能效率略微增加。但在相同仿真時間，不同車速情況下，饋能效率有所下降，這是因為車速增加，車身振動能量也大幅增加，而減振器所消耗能量的增加幅度相對于有效能增量的增加幅度略大，因此饋能效率小幅減小。

表4 不同車速不同仿真時間下的饋能效率

表5為高壓儲氣罐不同初始壓力、相同工況、相同仿真時間下的饋能效率，仿真時間為20 s。隨著高壓儲氣罐內初始氣壓的增大，液壓馬達的負載也相應增大，液壓馬達獲得的液壓能增大，饋能效率增大，這也符合表4中仿真時間增長而饋能效率增大的規(guī)律。

表5 高壓儲氣罐不同初始壓力下的饋能效率

5.3 充氣時間

由于實際運用中一般要求空氣彈簧的充氣壓力為5 bar，因此將溢流閥的調定壓力定為5 bar，使得當高壓儲氣罐中壓力達到5 bar后，空氣壓縮機產生的高壓氣體向大氣中溢流。

圖5是不同初始壓力情況下，車輛以60 km/h行駛于C級路面，高壓儲氣罐中壓力隨時間的變化。高壓儲氣罐中壓力從0時刻開始呈線性上升，但上升過程中有微小波動，這是因為液壓馬達輸出功率受隨機路面的影響而無規(guī)律波動。由于溢流閥的作用，其內部壓力最終為5 bar。當初始壓力為1.013 bar時，可反映車輛剛起步時情形，此時饋能空氣懸架需100 s將高壓儲氣罐壓力充至規(guī)定值；當初始壓力為2和3 bar時，所需時間為81和58 s。當初始壓力為4 bar時，可反映車輛行駛過程中對空氣彈簧充氣后罐內氣壓下降的情形，此時僅需31 s就能將高壓儲氣罐壓力充至規(guī)定值。

圖5 高壓儲氣罐壓力變化

綜上所述，當車輛行駛于有較大垂直位移的路面時，饋能空氣懸架中液壓馬達能夠提供高振幅的輸出功率，雖平均功率不高，但依然能夠起到優(yōu)良的饋能效果；在相同路面等級、相同時間、不同車速情況下，車速越大，饋能效率有所下降；工況相同時，高壓儲氣罐內初始氣壓越大，饋能效率越高。

當車輛起步后，饋能空氣懸架利用振動能量，能夠在100 s內為初始壓力為一個大氣壓的高壓儲氣罐充氣至規(guī)定壓力；當車輛在行駛過程中，高壓儲氣罐為空氣彈簧充氣后，罐內壓力下降，該饋能懸架同樣可在很短時間內為高壓儲氣罐充滿高壓氣體。且車速越高，路面垂直位移越大，充氣時間越短。因此，所設計的饋能空氣懸架相比于傳統(tǒng)空氣懸架，可節(jié)省用于驅動電動空氣壓縮機的電能，實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

6 結 語

筆者設計了一種能夠利用車輛振動能量的饋能空氣懸架。該懸架將車輛行駛中的振動能量轉化為機械能提供給空氣壓縮機，空氣壓縮機為高壓儲氣罐充氣，高壓儲氣罐為空氣彈簧提供高壓氣體。

通過AMESim軟件建立了適用于饋能空氣懸架的減振器仿真模型，仿真結果表明，減振器具有良好的速度特性和阻力位移特性，能夠產生合適的阻尼力。通過Simulink軟件輸出隨機路面垂直位移時域信號對1/4車輛仿真模型進行仿真分析，結果表明饋能懸架能夠回收車身振動能量并具有優(yōu)良的饋能效率，可在較短時間內為高壓儲氣罐充氣至規(guī)定壓力。故所設計的饋能空氣懸架可以為車輛節(jié)省用于驅動電動空氣壓縮機的電能。

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Design and Performance of Energy-Regenerative Air SuspensionBased on AMESim-Simulink

Li Zhongxing1, Chen Wang1, Jiang Hong2

(1. School of Automotive & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China;2. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

An energy-regenerative air suspension was designed, which used the new absorber to regenerate vibration energy and then store into effective energy of high-pressure air. Its structure and working principle was introduced, and its simulation model combining with AMESim-Simulink was established to analyze its damping characteristics and the energy utilizing capacity of the energy-regenerative air suspension on the vehicle vibration. The results show that the new absorber has good external characteristics; the energy-regenerative air suspension could regenerate vibration energy with high efficiency and inflate the high-pressure gas tank to the requested pressure in a short time. So the proposed suspension could save electric energy which is used to drive electric air compressor for vehicle, which has good economic benefit and practical significance.

vehicle engineering; absorber characteristics; vibration energy; energy-regenerative air suspension

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.31

2014-10-24；

2014-12-28

國家自然科學基金項目(51305111)；江蘇省六大人才高峰資助項目(2012-ZBZZ-030)

李仲興(1963—)，男，上海人，教授，博士，主要從事車輛動態(tài)性能模擬與控制方面的研究。E-mail：la55@163.com。

U461.99

A

1674-0696(2015)06-167-04