某電動(dòng)汽車(chē)饋能懸架設(shè)計(jì)及其發(fā)電效率仿真

李長(zhǎng)玉 林嘉蓉

（廣州城市理工學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引言

近日發(fā)布的《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》中提到，經(jīng)過(guò)未來(lái)5年發(fā)展，中國(guó)新能源汽車(chē)的年生產(chǎn)銷(xiāo)售額將要占汽車(chē)總量的25%，即新能源的年銷(xiāo)量將達(dá)到700萬(wàn)輛。汽車(chē)的傳統(tǒng)被動(dòng)懸架無(wú)法根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此在行駛過(guò)程中不能同時(shí)滿足車(chē)輛的操縱性和平順性，并且傳統(tǒng)被動(dòng)懸架減少振動(dòng)的過(guò)程中白白浪費(fèi)掉了很大一部分的能量，因其通過(guò)阻尼器將懸架振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，這與現(xiàn)代社會(huì)提倡的“節(jié)能減排”背道而馳[1-3]。因此當(dāng)下汽車(chē)行業(yè)的研發(fā)難題是如何將車(chē)輛行駛過(guò)程中懸架振動(dòng)能量有效轉(zhuǎn)換為車(chē)輛可利用的能量。饋能型主動(dòng)懸架或許能解決該難題，這是一款同時(shí)具備饋能和減振效果的懸架。這款懸架安裝了能量回收設(shè)備，可將懸架中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為車(chē)輛其他部件可利用的能量，有利于汽車(chē)的節(jié)能環(huán)保，又能兼顧汽車(chē)的行駛操縱性和平順性，非常符合當(dāng)下社會(huì)對(duì)節(jié)能環(huán)保的時(shí)代要求。

該文對(duì)直線電機(jī)式饋能懸架的彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振器、直線電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并使用三維建模軟件CATIA進(jìn)行懸架各部件的建模。最后利用COMSOL軟件進(jìn)行仿真分析，計(jì)算直線電機(jī)式饋能懸架的效率。

1 直線電機(jī)式饋能懸架建模

1.1 饋能懸架的類型及選取

饋能懸架主要分為機(jī)械式和電磁式2種。機(jī)械式饋能懸架指使用適合于懸架的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將受到路面激勵(lì)時(shí)車(chē)輪產(chǎn)生的振動(dòng)能量傳給液壓的儲(chǔ)存罐，在需要時(shí)放出儲(chǔ)備能量用來(lái)減少車(chē)身和車(chē)輪的振動(dòng)和能量消耗。該裝置回收再利用能量的過(guò)程如下。1）進(jìn)油過(guò)程：懸架伸展時(shí)，饋能裝置中的增壓包開(kāi)始工作，使液壓油從油箱經(jīng)過(guò)閥門(mén)（饋能裝置中所有閥門(mén)都為單向）和輸油通道輸進(jìn)饋能液壓缸的上部分空間，即為進(jìn)油過(guò)程。2）饋能過(guò)程：懸架壓縮時(shí)，饋能液壓缸中的活動(dòng)活塞具有向上活動(dòng)的能量，上部空間有壓力，使閥門(mén)打開(kāi)，油液經(jīng)過(guò)閥門(mén)油通道進(jìn)入蓄能器，即為饋能過(guò)程；與此同時(shí)饋能裝置提供饋能阻尼力給簧載質(zhì)量，蓄能器中存儲(chǔ)積累的液壓能可以提供給車(chē)輛上液壓耗能部件。

電磁式饋能的原理從物理本質(zhì)上來(lái)講，就是將線圈和磁場(chǎng)安裝在簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量上，二者用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有多種，如齒輪齒條式、滾珠絲桿式、曲柄連桿式以及直線電機(jī)式等[4-5]。

1.1.1 齒輪齒條式

當(dāng)汽車(chē)受到道路激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)能量時(shí)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)可以將懸架的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用該原理驅(qū)使電動(dòng)機(jī)發(fā)電，并存儲(chǔ)和再使用此電能。該機(jī)構(gòu)在1995年被人提出。

1.1.2 滾珠絲桿式

由于滾珠絲桿機(jī)構(gòu)是無(wú)間隙配合，因此傳動(dòng)效率和能量反饋效率都比較高。又因?yàn)闈L珠絲桿和電機(jī)需要布局在同一直線上，結(jié)構(gòu)尺寸不同于傳統(tǒng)減振器，所以具有易于安裝、安裝空間小的優(yōu)點(diǎn)。但不足之處是，該懸架的關(guān)鍵部件滾珠絲杠和饋能電機(jī)制造成本高。

1.1.3 曲柄連桿式

在傳統(tǒng)懸架上加設(shè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)將懸架的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以驅(qū)使電動(dòng)機(jī)發(fā)電，并最終存儲(chǔ)和再利用該電能。但是該懸架存在缺點(diǎn)：一是曲柄連桿式懸架依然采用傳統(tǒng)減振器，懸架振動(dòng)能量大部分以熱能的形式白白浪費(fèi)掉，饋能效率不高；二是曲柄連桿機(jī)構(gòu)體積大，占用空間大，安裝非常不方便。

1.1.4 直線電機(jī)式

當(dāng)汽車(chē)受到路面激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)將車(chē)身的縱向振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，并最終存儲(chǔ)和再利用該電能。再利用電能時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，以此提供阻尼力給懸架。

分析以上幾種可選的饋能懸架結(jié)構(gòu)方案，電磁式饋能懸架更適合用于實(shí)際生產(chǎn)生活中，因此該文研究中采用直線電機(jī)式的電磁式饋能懸架結(jié)構(gòu)。

1.2 懸架主要參數(shù)的選取及確定

該研究選取某純電汽車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，車(chē)輛具體參數(shù)如下[6]，見(jiàn)表1。

表1 車(chē)輛的具體參數(shù)

計(jì)算懸架的靜撓度f(wàn)c，指當(dāng)汽車(chē)滿載時(shí)懸架上的載荷Fw與懸架剛度c之比。

現(xiàn)代汽車(chē)的質(zhì)量分配系數(shù)ε近似取1，前車(chē)身固有頻率n1（又稱偏頗）計(jì)算如下。

其中c1為前懸架剛度，m1為前懸架的簧載質(zhì)量。當(dāng)懸架的彈簧特性為線性方程時(shí)，前懸架的靜撓度f(wàn)c1計(jì)算如下。

其中g(shù)取9.8。將式（3）代入式（2）中計(jì)算如下。

滿載時(shí)，前懸架偏頗要求為1.00Hz～1.45Hz。取n1為1.2Hz，根據(jù)公式計(jì)算如下。

懸架的動(dòng)撓度f(wàn)d，指車(chē)輪中心相對(duì)車(chē)身的最大形變位移，對(duì)于乘用車(chē)，fd取70mm～90mm。該研究取d=80mm。已知整車(chē)整備質(zhì)量m=1520 kg，取簧上質(zhì)量1440 kg，簧下質(zhì)量80kg?？蛰d時(shí)前軸單輪軸荷取50%則前懸架的簧載質(zhì)量m1的計(jì)算如下。

滿載前軸單輪軸荷取50%，則后懸架的簧載質(zhì)量m2的計(jì)算如下。

懸架剛度計(jì)算如下。

直線電機(jī)線圈電流需要密度適中且有一定阻力，當(dāng)電流在線圈中流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)發(fā)生損耗，線圈溫度升高?？赏ㄟ^(guò)增加線圈直徑和減少電流的疏密程度來(lái)減小電阻，但需要改善線圈材料和改變線圈的數(shù)量。增加線圈面積可以增強(qiáng)鐵芯的磁密度和勵(lì)磁電流大小。通常直線電機(jī)取3A/m2～7A/m2。

1.3 饋能懸架三維建模

該文采用CATIA軟件對(duì)該電動(dòng)汽車(chē)饋能懸架進(jìn)行三維建模建立的模型主要機(jī)構(gòu)包括懸架螺旋彈簧、懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和直線電機(jī)。該軟件是法國(guó)達(dá)索公司發(fā)布的一款的解決多項(xiàng)方案的軟件。作為PLM協(xié)作解決方案的重要組成部分，通過(guò)建模協(xié)助工程師們研發(fā)未知的模型。從1999年開(kāi)始它逐漸成為世界上最受歡迎的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。是汽車(chē)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，是歐洲、北美和亞洲頂級(jí)汽車(chē)制造商使用的核心系統(tǒng)。該軟件在汽車(chē)的外型、車(chē)身及發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并為各種車(chē)輛的設(shè)計(jì)和制造提供了端對(duì)端的解決方案。該軟件涉及3個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：產(chǎn)品、加工和人員。該軟件的可擴(kuò)展性和并行工程能力可以極大地縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

軟件使用步驟：1） 首先打開(kāi)CATIA軟件，單擊開(kāi)始菜單，查看下拉列表，可以看到CATIA分為很多的大模塊，有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)以及分析與模擬等，最常用的為機(jī)械設(shè)計(jì)以及外形；2） 單擊機(jī)械設(shè)計(jì)，彈出一系列小的模塊，其中有最常用的零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)以及工程制圖，零件設(shè)計(jì)用于零部件實(shí)體；裝配設(shè)計(jì)用于將各部件裝配在一起，形成總成或產(chǎn)品；工程制圖用于將3D模型轉(zhuǎn)化為2D工程圖；3） 以零件設(shè)計(jì)為例“依次單擊開(kāi)始＞機(jī)械設(shè)計(jì)＞零件設(shè)計(jì)，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)草圖，左上角為零件的樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖，包括3D坐標(biāo)平面xy、yz、zx平面。創(chuàng)建的實(shí)體會(huì)生成在零件幾何體中；4） 右邊為工具欄，包括用于創(chuàng)建實(shí)體特征的所有命令，最常用的命令為草圖命令、凸臺(tái)命令、凹槽命令等，草圖命令用于創(chuàng)建3D實(shí)體的草圖；5） 選擇XY平面，單擊草圖命令，進(jìn)入草圖界面，可以看到草圖界面包括創(chuàng)建二維草圖的所有命令包括直線、輪廓、樣條線、矩形、圓以及約束命令等。在使用的過(guò)程中，首先通過(guò)繪制草圖的形狀，然后通過(guò)約束命令對(duì)形狀進(jìn)行約束，然后退出草圖，對(duì)草圖進(jìn)行最基本的拉伸、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱等命令的操作，這樣就可以完成最簡(jiǎn)單的CATIA實(shí)體建模。

其中零部件圖和饋能懸架系統(tǒng)裝配模型圖分別如圖1和圖2所示。其中圖1（a）為懸架的螺旋彈簧，在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中起到緩沖的作用。圖1（b）為懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中起到導(dǎo)向的作用，圖1（c）為汽車(chē)減震器，工作過(guò)程中油液耗散的能量可以起到減震的作用，圖1（d）為饋能懸架的直線電機(jī)模型。其作用是通過(guò)作動(dòng)器帶動(dòng)發(fā)電。

圖1 饋能懸架零部件圖

使用CATIA的裝配設(shè)計(jì)功能，導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的各部件模型，使用約束功能，建立饋能懸架系統(tǒng)裝配模型。裝配好的模型如圖2所示。圖2的裝配關(guān)系減震器在螺旋彈簧中心。發(fā)電機(jī)在整個(gè)懸架底部，工作時(shí)通懸架懸架振動(dòng)，通過(guò)作動(dòng)器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖2 饋能懸架裝配圖

2 饋能懸架電機(jī)仿真

為了清晰體現(xiàn)饋能懸架的性能，設(shè)置凹凸高度為4 cm，寬度為7.5 cm，持續(xù)路面顛簸，道路輪廓線設(shè)為矩形波函數(shù)。另外，設(shè)車(chē)輛行駛的平均速度為40 km/h，道路激勵(lì)在車(chē)輪的底端，只假設(shè)左側(cè)的車(chē)輪在不平的道路上行駛。參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1[7]。

表1 COMSOL仿真參數(shù)表

從仿真的結(jié)果來(lái)看，可以觀察到車(chē)輛左前輪和左后輪的道路激勵(lì)情況和前后輪勵(lì)磁的相位差。在給定的道路激勵(lì)下，橫向搖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)比俯仰的旋轉(zhuǎn)要大很多。橫向搖動(dòng)、俯仰通過(guò)分析，在正弦的道路激勵(lì)振幅即X=20 mm，圓形頻率ω=20rad/s的工作狀況條件下，車(chē)輛和車(chē)輪的自身頻率越靠近道路激勵(lì)頻率，車(chē)輛的加速度越大，導(dǎo)致汽車(chē)的乘坐舒適性越低。道路傳遞振動(dòng)的能力越高以及懸架饋能越高，二者成正比。當(dāng)車(chē)身自身頻率與道路激勵(lì)頻率相同時(shí)，汽車(chē)的乘坐舒適性最低。證明在確定汽車(chē)的懸架動(dòng)撓度和輪胎載荷的情況下，懸架的饋能效率和車(chē)輛車(chē)身加速度之間存在直接關(guān)系。因此在確保汽車(chē)的乘坐舒適性的前提下，饋能懸架最大程度地回收受到道路激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量，提高饋能效率。仿真結(jié)果表明，當(dāng)汽車(chē)在受到正弦的道路激勵(lì)行駛時(shí)，道路激勵(lì)頻率與車(chē)身加速度存在一定關(guān)系，輸入作動(dòng)器中的能量與直線電機(jī)輸出的能量也存在一定關(guān)系。道路激勵(lì)頻率越大，懸架饋能輸出的能量越大，并且經(jīng)過(guò)直線電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的效率也越高。然而，這是以犧牲汽車(chē)的乘坐舒適性作為代價(jià)的。當(dāng)?shù)缆凡黄教苟?、振幅增大時(shí)，饋能懸架的阻尼性能也會(huì)降低。主動(dòng)懸架的關(guān)鍵在于使用主動(dòng)控制來(lái)達(dá)到主動(dòng)懸架的下一個(gè)狀態(tài)，如果將主動(dòng)懸架的控制算法添加到主動(dòng)控制邏輯中，使饋能懸架具有主動(dòng)懸架的反饋和性能。這樣對(duì)汽車(chē)振動(dòng)能量回收再利用，饋能懸架比其他形式的懸架具有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)電動(dòng)車(chē)的饋能懸架做了介紹。對(duì)直線電機(jī)式饋能懸架各部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，用CATIA軟件完成了各部件的建模與組裝。然后利用仿真軟件對(duì)懸架動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真模擬分析。結(jié)果表明，懸架系統(tǒng)的各參數(shù)選擇合理，可以滿足設(shè)計(jì)要求。研究過(guò)程仍然存在很多不足：1）仿真模擬需要在不同的條件、不同的道路坡度下進(jìn)行，研究懸架的性能，并在駕駛條件下采用控制策略來(lái)控制車(chē)輛的俯仰角，避免導(dǎo)致汽車(chē)中的“點(diǎn)頭”現(xiàn)象；2）在車(chē)型選取、各零部件的參數(shù)確定時(shí)，應(yīng)該更全面計(jì)算有關(guān)數(shù)值。改善直線電機(jī)結(jié)構(gòu)、懸架參數(shù)和饋電電路參數(shù)，提高懸架的饋能效率。