車輛半橋式液壓饋能減振器設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析

喬麗霞，許利君，劉清濤

（1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南 鄭州 450005；2.河南奧特科技有限公司，河南 鄭州 450005；3.長(zhǎng)安大學(xué)高速公路施工機(jī)械陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

1 引言

組成懸架的各部分結(jié)構(gòu)中減振器屬于一個(gè)核心部件，從饋能懸架的能量轉(zhuǎn)化形式方面分析，可將其分成壓力能與電磁能兩種主要類型，分別對(duì)應(yīng)液壓儲(chǔ)能與電磁儲(chǔ)能過(guò)程［1-3］。其中，液壓儲(chǔ)能懸架可以把懸架在振動(dòng)階段產(chǎn)生的振動(dòng)能以液壓或氣壓的能量形式進(jìn)行存儲(chǔ)，進(jìn)入后續(xù)能量釋放階段時(shí)可以通過(guò)輸送管道與閥件等控制結(jié)構(gòu)完成能量輸出，從而為運(yùn)動(dòng)器件提供驅(qū)動(dòng)力［4-5］。

采用電磁式饋能懸架進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時(shí)主要通過(guò)不同運(yùn)動(dòng)形式間相互轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)，使沿垂直方向的懸架振動(dòng)轉(zhuǎn)變成其它類型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，再通過(guò)轉(zhuǎn)化形成的新運(yùn)動(dòng)形式為發(fā)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)發(fā)電的功能［6］。

饋能減振器分類同樣也按照轉(zhuǎn)化形成的能量形式分類，并且要求運(yùn)動(dòng)形式可被發(fā)電機(jī)進(jìn)行利用［7］。饋能系統(tǒng)可以通過(guò)發(fā)電機(jī)接收轉(zhuǎn)化得到的能量，再通過(guò)儲(chǔ)能部件回收并儲(chǔ)存電能。也有研究人員提出可以新增充電管理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)電能回收過(guò)程并對(duì)蓄電池充電，后續(xù)通過(guò)蓄電池為動(dòng)力結(jié)構(gòu)提供電能［8-10］。在液壓饋能減振器中同時(shí)包含了電子系統(tǒng)、機(jī)械控制以及液壓儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種能量的相互轉(zhuǎn)換，但其缺點(diǎn)是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時(shí)需先把振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成液壓能，接著通過(guò)液壓結(jié)構(gòu)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)發(fā)生能量損耗，此外考慮到液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中受自身結(jié)構(gòu)條件的限制會(huì)形成一定程度的滯后［11］。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是不需要像其它減振器電機(jī)經(jīng)常實(shí)施運(yùn)動(dòng)換向或啟停切的過(guò)程，可以保證液壓油路形成優(yōu)異整流的效果，這使其被廣泛應(yīng)用于懸架能量回收領(lǐng)域［12］。

這里選擇半橋式液壓饋能減振器為研究對(duì)象，為各個(gè)液壓元件和電路元件構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)模型并開(kāi)展了仿真分析。該車輛半橋式液壓饋能減振器具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

2 饋能減振器設(shè)計(jì)

2.1 液壓饋能減振器原理分析

設(shè)計(jì)液壓饋能減振器時(shí)需滿足以下兩項(xiàng)基本原則：第一要具備與傳統(tǒng)懸架相近的減振性能，第二要盡量降低損耗并實(shí)現(xiàn)能量回收。滿足以下條件［13-14］：

（1）應(yīng)保證能夠?qū)⒄駝?dòng)器沿垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w流動(dòng)過(guò)程的液壓能，達(dá)到驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的作用，避免因?yàn)榻?jīng)常換向操作的原因而引起能量損耗。

（2）進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需考慮減振器受到的非對(duì)稱式行程阻尼力的影響，保證液壓饋能減振器在空載與饋能工況下都達(dá)到阻尼力曲線控制要求。

（3）當(dāng)傳統(tǒng)減振器符合阻尼性能要求時(shí)，可以通過(guò)最優(yōu)調(diào)節(jié)模式來(lái)獲得更大的阻尼力調(diào)節(jié)區(qū)間，確?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)液壓饋能減振器的半主動(dòng)控制目標(biāo)。

2.2 半橋式液壓饋能減振器

半橋型液壓饋能減振器各組成部分，如圖1所示。包括兩部分：執(zhí)行器與饋能系統(tǒng)。執(zhí)行器包括液壓缸、蓄能器以及二個(gè)單向閥，饋能系統(tǒng)包含了液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)以及外負(fù)載。與全橋式液壓饋能減振器進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，半橋式液壓饋能減振器具備更簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)，也能夠?qū)崿F(xiàn)液壓馬達(dá)單向轉(zhuǎn)動(dòng)，此外受系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響，該減振器壓縮行程與復(fù)原行程阻尼力的比值相對(duì)傳統(tǒng)減振器更相近。

圖1 半橋式液壓饋能減振器Fig.1 Half-Bridge Type Hydraulic Shock Absorber

在壓縮行程中，液壓缸活塞桿保持往上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，液壓缸無(wú)桿腔發(fā)生了體積縮小，開(kāi)始排出油液，隊(duì)單向閥2進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，油液壓差與開(kāi)啟方向之間形成了相反變化特征，在關(guān)閉狀態(tài)下時(shí)，高壓油液經(jīng)單向閥1到達(dá)有桿腔。

此外，液壓桿二個(gè)腔的體積也具有一定的偏差，剩余部分油液在液壓馬達(dá)作用下到達(dá)執(zhí)行器中。位于單向閥2左側(cè)區(qū)域含有高壓油液，形成了相反的壓差與開(kāi)啟方向，因此這些剩余油液被保留于儲(chǔ)能元件的蓄能器內(nèi)。

進(jìn)入復(fù)原行程時(shí)，液壓缸活塞桿按照從上往下的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，引起有桿腔體積的持續(xù)減小，并將油液不斷排出，此時(shí)單向閥1油液壓差與開(kāi)啟方向呈反向狀態(tài)。閥體關(guān)閉后，高壓油液經(jīng)液壓馬達(dá)為油液提供驅(qū)動(dòng)力將其壓入蓄能器中，這些油液和蓄能器內(nèi)油液共同流入到無(wú)桿腔中。

3 等效可控阻尼力動(dòng)力學(xué)建模

對(duì)液壓饋能減振器進(jìn)行工作原理分析可知，等效可控阻尼力是由饋能模塊發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)引起的，這就要求為饋能模塊建立合適分析模型。

根據(jù)圖1可知，組成饋能模塊的各部分為發(fā)電機(jī)、液壓馬達(dá)、負(fù)載、聯(lián)軸器等，從實(shí)際運(yùn)行控制層面分析，可將發(fā)電機(jī)的組成分為理想發(fā)電機(jī)、內(nèi)部電感以及內(nèi)阻共三類，并對(duì)不同電路負(fù)載實(shí)施整合再將其作為一個(gè)外負(fù)載進(jìn)行處理，大幅簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。從結(jié)構(gòu)框圖中可以看到，液壓油是通過(guò)單向方式對(duì)液壓馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)作用，能量被釋放后，油壓發(fā)生減小。

根據(jù)各元件的實(shí)際工況特征推導(dǎo)可控阻尼力，根據(jù)液壓馬達(dá)油壓與不同流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系并結(jié)合電路的實(shí)際工作原理確定阻尼力和饋能功率表達(dá)式。

根據(jù)圖1建立以下的關(guān)系式：

式中：Qin與Rin依次對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部電感與電阻，通常情況下可以忽略發(fā)電機(jī)內(nèi)部電感；Rgx—發(fā)電機(jī)外負(fù)載。

本研究只對(duì)可控壓降進(jìn)行分析，并將其應(yīng)用于執(zhí)行器活塞兩側(cè)，由此計(jì)算得到饋能減振器等效可控阻尼力，假定執(zhí)行器上腔與下腔可控油液壓強(qiáng)依次為Pupc、Pdownc，進(jìn)入復(fù)原行程后滿足以下關(guān)系：

壓縮行程階段存在以下關(guān)系：

根據(jù)以上式子得到液壓饋能減振器以下所示的等效可控阻尼力Fsa計(jì)算式：

之后構(gòu)建液壓饋能減振器可回收饋能功率Pr計(jì)算式：

確定機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)后，壓縮行程與復(fù)原行程饋能功率受到激勵(lì)速度與負(fù)載電阻的綜合作用。

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

液壓饋能減振器可控阻尼力指的是通過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的過(guò)程中，在發(fā)電機(jī)中形成反電動(dòng)勢(shì)而引起阻尼力，處于恒定的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電路的負(fù)載發(fā)生變化后，電路整體電流值也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)調(diào)整發(fā)電電路中電流值之后，在發(fā)電機(jī)將會(huì)形成不同的反電動(dòng)勢(shì)，由此達(dá)到控住減振器阻尼力的效果。構(gòu)建得到液壓饋能減振器理論模型，并為固有阻尼力和可控阻尼力建立理論計(jì)算式，固有阻尼力與可控阻尼力的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，如表1所示。只有外負(fù)載是一個(gè)可以調(diào)節(jié)的參數(shù)，其余各參數(shù)保持恒定值。

表1 阻尼力參數(shù)設(shè)置表Tab.1 Damping Force Parameter Setting Table

4.2 外負(fù)載對(duì)饋能特性的影響

激勵(lì)頻率為0.6Hz的條件下各負(fù)載與饋能功率的關(guān)系結(jié)果，如圖2所示。在30Ω負(fù)載的條件下以不同激勵(lì)頻率測(cè)試得到的饋能功率，如圖3所示。根據(jù)圖2與圖3可知，當(dāng)激勵(lì)頻率提高或外接電阻減小的時(shí)候，都會(huì)形成更大的饋能功率，發(fā)生壓縮時(shí)，液壓馬達(dá)形成了較低的流量，饋能功率也保持相對(duì)穩(wěn)定，在復(fù)原行程中形成了很大的液壓馬達(dá)流量，形成了大幅波動(dòng)的饋能功率。在外負(fù)載為10Ω的條件下，達(dá)到了258W的峰值回收功率。處于空載斷路的狀態(tài)下時(shí)，饋能功率等于0，系統(tǒng)振動(dòng)形成的能量通過(guò)固有阻尼轉(zhuǎn)換成熱能并散失到了周邊空間中。壓縮的前半段行程中，受蓄能過(guò)程的影響，饋能功率較小，由于本方案是以行程復(fù)原的方式對(duì)能量進(jìn)行回收，不會(huì)造成能量回收狀態(tài)的變化。

圖2 激勵(lì)頻率為0.6Hz時(shí)不同負(fù)載下的饋能功率Fig.2 Energy Regenerative Power Under Different Loads when Excitation Frequency is 0.6Hz

圖3 外負(fù)載為30Ω時(shí)不同激勵(lì)頻率下的饋能功率Fig.3 Energy Regenerative Power Under Different Loads when External Load is 30Ω

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)復(fù)原行程中出現(xiàn)了功率突變的情況，此時(shí)蓄能器壓力被釋放，導(dǎo)致示功特性的明顯改變。

在仿真測(cè)試時(shí)設(shè)置了正弦激勵(lì)，在本減振器結(jié)構(gòu)條件下，饋能功率都是由液壓缸的復(fù)原行程產(chǎn)生的，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程的簡(jiǎn)化，按照復(fù)原頻率速度峰值與阻尼力峰值相乘的方式獲得輸入功率，如表2、表3所示。

表2 不同外負(fù)載效率圖Tab.2 Efficiency Diagram of Different External Load

表3 不同激勵(lì)頻率效率圖Tab.3 Efficiency Diagram of Different Excitation Frequencies

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，改變激勵(lì)頻率得到了幾乎一樣的復(fù)原行程饋能效率，受不同激勵(lì)頻率作用時(shí)，形成了一定波動(dòng)的饋能效率，達(dá)到了約4%的變化幅值。外負(fù)載從10Ω 變?yōu)?00Ω 后，饋能效率從40%減小為8%，并且當(dāng)電阻率增大后，形成了更平緩的下降趨勢(shì)。

4.3 外負(fù)載值及饋能效率

參照QC/T545-1999《汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)范，仿真所使用的液壓缸直徑為50mm，對(duì)仿真負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)后，獲得了目標(biāo)示功特性下的阻尼隨位移變化目標(biāo)示功特性圖，如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)，在外負(fù)載為50Ω的條件下，獲得了-6972N 復(fù)原阻尼力與-2768N 壓縮阻尼力，兩者都達(dá)到最大值，已經(jīng)滿足目標(biāo)阻尼的要求。

圖4 阻尼隨位移變化目標(biāo)示功特性圖Fig.4 Target Indicator Characteristics as the Damping Varies with Displacement

5 結(jié)論

（1）增大激勵(lì)頻率與降低外接電阻后，饋能功率顯著提高。在外負(fù)載為10Ω以及激勵(lì)頻率為0.6Hz的條件下，達(dá)到了256.2W的峰值回收功率。（2）改變激勵(lì)頻率后，復(fù)原行程饋能效率保持基本恒定，饋能效率發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)幅度接近3%。外負(fù)載從10Ω變?yōu)?00Ω 后，饋能效率從40%減小為8%，并且當(dāng)電阻率增大后，形成了更平緩的下降趨勢(shì)。（3）在外負(fù)載為50Ω的條件下，獲得了-6972N復(fù)原阻尼力與-2768N壓縮阻尼力，兩者都達(dá)到最大值，已經(jīng)滿足目標(biāo)阻尼的要求。