饋能懸架的設(shè)計與仿真分析*

李華辰，孫 鳳，單光坤，周 冉，金俊杰，張曉友

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870；2.日本工業(yè)大學(xué) 機械工學(xué)科,日本 埼玉 345-8501)

0 引言

車輛行駛過程中，傳統(tǒng)阻尼器將車軸與車身之間的振動以熱能的形式耗散在空氣中，這部分熱能既影響到車輛的工作性能和使用壽命，又是一種能源浪費。所以，將振動能量回收并利用也成為國內(nèi)外研究學(xué)者的熱門課題。饋能懸架將車輛振動能量轉(zhuǎn)化為電能儲存或二次利用，在提高車輛平順性的同時回收振動能量，以減小車輛的能耗。Tvrdi等[1]提出了一種液壓式饋能懸架的設(shè)計方案，采用獨特的算法來計算懸架的動態(tài)強度；通過計算，1500 kg的車輛可獲得最大饋能功率526 W和平均饋能功率224 W。重慶大學(xué)的王戡等[2，3]將直線電機與磁流變減振器相結(jié)合，設(shè)計出一種新式汽車饋能式磁流變半主動懸架，通過直線電機將振動能量轉(zhuǎn)換為電能，并使用饋能電路回收能量，為半主動懸架提供電能。Guo等[4]設(shè)計出一款用于重型車輛的液壓電磁式饋能懸架，為了研究其特性，建立了動態(tài)模型并仿真分析高壓蓄能器和慣性對饋能電壓的影響。上海交通大學(xué)的喻凡等[5-7]通過仿真設(shè)計并制造出一款滾珠絲杠式電磁作動器，針對電磁作動器的力特、隨動特性進行仿真分析，并進行實車試驗來驗證該方案的可行性。Okada等[8,9]開發(fā)了一種新型饋能減振器，旨在不損失減振效率的同時降低能耗；并通過臺架實驗驗證了該系統(tǒng)較純被動減振系統(tǒng)具有更好的減振性能，且能夠回收能量；為了克服死區(qū)的問題，引入升壓斬波器，更有效地提高了能量回收效率。

本文針對車輛懸架能量浪費的問題，設(shè)計出一種新型二自由度能量回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在較小的體積下實現(xiàn)無接觸、無摩擦、無需潤滑和轉(zhuǎn)換裝置的情況下將振動勢能轉(zhuǎn)化為電能，并對所設(shè)計的饋能懸架系統(tǒng)進行仿真分析。

1 饋能懸架的工作原理與結(jié)構(gòu)

1.1 饋能懸架的工作原理

饋能懸架的能量回收系統(tǒng)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律所設(shè)計的，其工作原理如圖1所示，當(dāng)懸架處于工作狀態(tài)時，由于崎嶇路面引起的振動使車身與輪胎產(chǎn)生相對運動，線圈在磁場中做切割磁感線運動產(chǎn)生感生電動勢，并經(jīng)過饋能電路處理后，可實現(xiàn)無接觸、無摩擦、無需潤滑地將振動勢能轉(zhuǎn)化為電能，提高汽車的能量利用率。圖1中，mc、mw分別為車身質(zhì)量、輪胎質(zhì)量，kc、kw分別為懸架剛度、輪胎剛度，xc、xw、xl分別為車身位移、輪胎位移以及路面激勵的幅值，F(xiàn)s為能量回收裝置所產(chǎn)生的安培力。

圖1 磁力饋能懸架工作原理圖

1.2 磁力饋能懸架結(jié)構(gòu)

磁力饋能懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示，磁力饋能懸架能量回收系統(tǒng)與懸架彈簧并聯(lián)，主要分為定子和動子。其中，定子由充磁方向相反的兩塊永磁環(huán)、引導(dǎo)磁路走勢的軟鐵環(huán)、形成閉合磁通回路的外鐵環(huán)以及固定柱構(gòu)成；動子由骨架與線圈構(gòu)成。線圈以交替方向纏繞，用于回收懸架的振動能量。當(dāng)振動產(chǎn)生時，動子相對于定子在軸向做往復(fù)直線運動，線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

圖2 磁力饋能懸架結(jié)構(gòu)示意圖

為了加強能量回收效率，選用釹鐵硼作為永磁環(huán)的材料，選用導(dǎo)磁性較高的DT-4C作為軟鐵環(huán)和外鐵環(huán)的材料，選用不導(dǎo)磁的鋁合金6061作為固定柱和底座的材料，為了降低渦流效應(yīng)，選用聚四氟乙烯作為骨架的材料。

2 磁力饋能懸架模型的建立

為了便于研究磁力饋能懸架能量回收系統(tǒng)的特性，將輪胎等效成一個可以忽略阻尼的彈簧，并根據(jù)圖1建立一個2自由度磁力饋能懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在能量回收裝置工作時，繞組線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時產(chǎn)生的安培力用來代替原有被動懸架的阻尼力。根據(jù)牛頓第二定律可以得出能量回收裝置運動方程：

(1)

其中：l為繞組線圈的長度；i為繞組線圈中的電流；B為繞組線圈所處氣隙中的磁感應(yīng)強度；Lcoil為繞組線圈的電感；Rcoil為繞組線圈的內(nèi)阻；Rload為負(fù)載電阻。

為了準(zhǔn)確估計能量回收裝置的輸出電壓，需建立饋能模型，對式(1)進行拉普拉斯變換得：

(2)

從而得出車身位移、輪胎位移對路面激勵的傳遞函數(shù)如下所示：

(3)

(4)

其中：

Δ(S)=LcoilmcmwS5+mcmw(Rcoil+Rload)S4+[(mc+mw)(kcLcoil+B2l2)+mckwLcoil]S3+[(mckc+mckw+mwkc)(Rcoil+Rload)]S2+kw(kcLcoil+B2l2)S+kwkc(Rcoil+Rload).

當(dāng)S=jω，懸架動行程(xc-xw)對路面激勵的幅頻特性為：

(5)

若以正弦激勵xl=Xsin(ωt)作為路面輸入，能量回收裝置所產(chǎn)生的感生電動勢U0可表示為：

(6)

其中：X為正弦激勵的幅值；ω為正弦激勵的頻率；K為電動勢系數(shù)，可表示為K=Bl。

式(6)表明能量回收系統(tǒng)的輸出電壓與饋能懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)、路面激勵和外接負(fù)載阻值有關(guān)。若懸架系統(tǒng)參數(shù)確定后，可通過改變外接負(fù)載阻值來調(diào)節(jié)能量回收系統(tǒng)的輸出電壓。

3 磁力饋能懸架的仿真分析

本節(jié)采用MATLAB/Simulink仿真軟件對磁力饋能懸架系統(tǒng)的輸出電壓特性進行仿真，仿真流程如圖3所示。當(dāng)路面激勵輸入到饋能系統(tǒng)時，饋能懸架定子與動子之間產(chǎn)生相對運動，線圈切割磁感線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進行能量回收。由于線圈的往復(fù)運動，回收的電能屬于交流電信號，經(jīng)過整流處理后轉(zhuǎn)換為脈動直流電信號，但仍然無法直接為負(fù)載提供一個穩(wěn)定的電壓，故使用濾波電容對整流后的電壓進行濾波，處理后的電壓為紋波電壓，存在較小的電壓波動，可直接為車載的傳感器供電，或儲存到儲能元件中。由于能量回收裝置工作時，氣隙中的磁感應(yīng)強度B和磁場中線圈長度l的乘積為變化量，所以為了研究電動勢系數(shù)K=Bl需進行仿真分析。

圖3 磁力饋能懸架仿真流程圖

以5 mm、5 Hz的正弦激勵作為路面輸入，饋能懸架的電動勢系數(shù)K和懸架動行程如圖4所示。在正弦激勵頻率為5 Hz時，不同幅值下饋能懸架輸出電壓如圖5所示。饋能懸架在5 mm、5 Hz正弦激勵時的峰值輸出電壓為14 V。

圖4 電動勢系數(shù)K和懸架動行程

圖5 不同幅值下饋能懸架輸出電壓

當(dāng)正弦激勵的幅值增大時，饋能懸架的動行程增大，磁場中線圈長度l隨之增加，從而導(dǎo)致饋能懸架電動勢系數(shù)K提高。饋能懸架的輸出電壓與正弦激勵幅值正相關(guān)，究其原因是：正弦激勵的幅值增大引起饋能懸架的動行程增大，在單位時間內(nèi)，饋能懸架動子的運動速度加快，即線圈切割磁感線的速度提高，使得饋能懸架的輸出電壓隨之上升。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種磁力饋能懸架，將懸架的振動勢能轉(zhuǎn)化為電能，以提高汽車的能量利用率。介紹了磁力饋能懸架的工作原理以及結(jié)構(gòu)，并建立磁力饋能懸架的運動方程和饋能模型。最后使用MATLAB/Simulink仿真軟件對磁力饋能懸架系統(tǒng)進行仿真分析，以5 mm、5 Hz的正弦激勵作為路面輸入，研究了饋能懸架的電動勢系數(shù)；在正弦激勵的頻率為5 Hz時，研究了幅值分別為5 mm、10 mm、15 mm的工況下，饋能懸架的輸出電壓特性。