李仲興，陳 望，江 洪

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于AMESim-Simulink的饋能空氣懸架設(shè)計(jì)與性能分析

李仲興1，陳 望1，江 洪2

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

設(shè)計(jì)了一種饋能空氣懸架，利用新型減振器回收振動(dòng)能量，并儲(chǔ)存為壓縮空氣有效能；介紹了該饋能懸架的結(jié)構(gòu)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(duì)車身振動(dòng)能量的利用效能。結(jié)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(shí)間內(nèi)為高壓儲(chǔ)氣罐充氣至規(guī)定壓力，故該懸架可為車輛節(jié)省用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)空氣壓縮機(jī)的電能，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與現(xiàn)實(shí)意義。

車輛工程；減振器特性；振動(dòng)能量；饋能空氣懸架

0 引 言

空氣懸架是一種采用非金屬?gòu)椈杉夹g(shù)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(kāi)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(dòng)壓縮空氣機(jī)給空氣彈簧充氣必須消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率[3]，并且應(yīng)用于空氣懸架的傳統(tǒng)減振器將車輛行駛中的振動(dòng)能量以液壓油通過(guò)阻尼孔進(jìn)行摩擦的形式轉(zhuǎn)化為油液的內(nèi)能，隨后通過(guò)空氣的流動(dòng)耗散掉。這種方式不僅使得減振器內(nèi)的液壓油溫度升高，影響其減振性能，而且造成能源的浪費(fèi)[4]。

如今節(jié)能是汽車設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一，解決空氣懸架高能耗問(wèn)題勢(shì)在必行，而能量回饋是降低能耗和成本的一個(gè)重要手段[5-6]。采用饋能懸架回收汽車振動(dòng)能量，是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。其中電磁式饋能懸架因其具有響應(yīng)速度快、執(zhí)行精度高，可將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿葍?yōu)點(diǎn)，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(jī)的體積和質(zhì)量大、發(fā)電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，減振器的死區(qū)較大等缺點(diǎn)[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(dòng)能量利用的問(wèn)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(dòng)能量利用組件。見(jiàn)圖1。

圖1 饋能空氣懸架結(jié)構(gòu)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(dá)、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(wú)桿腔兩部分，下腔為有桿腔，上腔為無(wú)桿腔。如圖1虛線箭頭所示，當(dāng)壓縮行程時(shí)，上腔中油液流經(jīng)單向閥c、液壓馬達(dá)，單向閥b至下腔；如圖1實(shí)線箭頭所示，當(dāng)伸張行程時(shí)，下腔中油液流經(jīng)單向閥d、液壓馬達(dá)，單向閥a至上腔。少量油液直接通過(guò)常通閥在上下腔之間流動(dòng)。因此液壓止回橋能將減振器活塞上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的液體流動(dòng)轉(zhuǎn)變成方向不變的液壓流驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)單方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單向閥d具有一定的開(kāi)啟壓力，以實(shí)現(xiàn)減振器工作過(guò)程中拉伸行程阻尼力大于壓縮行程阻尼力，進(jìn)而達(dá)到快速衰減振動(dòng)的要求；其余單向閥開(kāi)啟壓力均為0。容積變換橋是為了補(bǔ)償減振器在工作過(guò)程中由于有桿腔和無(wú)桿腔的存在而產(chǎn)生的容積動(dòng)態(tài)變化[10]。

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

這種懸架將車身的振動(dòng)能量通過(guò)液壓馬達(dá)直接轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)工作的機(jī)械能，空氣壓縮機(jī)給高壓儲(chǔ)氣罐充氣，最終由高壓儲(chǔ)氣罐為空氣彈簧提供高壓氣體。這一過(guò)程能夠節(jié)省驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)空氣懸架中電動(dòng)空氣壓縮機(jī)所使用的電能并且振動(dòng)能量的直接利用，避免了傳統(tǒng)饋能懸架將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。

2 饋能空氣懸架節(jié)能性能評(píng)價(jià)

2.1 液壓馬達(dá)輸出功率

液壓馬達(dá)的輸出功率P1可由作用于輸出轉(zhuǎn)軸上的扭矩與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速表示：

(1)

式中：T為作用于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，N/m；n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)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(dòng)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(zhǔn)，壓縮空氣具有的對(duì)外做功能力。該有效能是一個(gè)相對(duì)于大氣狀態(tài)基準(zhǔn)的相對(duì)量，是建立在氣動(dòng)系統(tǒng)都工作在大氣環(huán)境下這樣一個(gè)事實(shí)基礎(chǔ)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(duì)壓力；V為空氣體積；pa為大氣絕對(duì)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(shí)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(dòng)能量為減振器消耗能量與液壓馬達(dá)所獲得液壓能的總和，而饋能部分則為高壓儲(chǔ)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(shí)間。

3 仿真模型與路面輸入時(shí)域模型

根據(jù)所設(shè)計(jì)的饋能空氣懸架結(jié)構(gòu)原理，利用AMESim軟件在其元件庫(kù)中選擇合適的元件，并為元件設(shè)置能夠反映相應(yīng)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(shí)域上進(jìn)行仿真，故必須根據(jù)頻域上的路面功率譜密度產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)域上的隨機(jī)路面不平度輸入。產(chǎn)生隨機(jī)路面不平度的時(shí)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(shí)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(guò)Simulink軟件模擬計(jì)算得到的車輛以60km/h速度通過(guò)C級(jí)路面時(shí)的路面垂直位移時(shí)域信號(hào)。

圖2 C級(jí)路面60 km/h路面垂直位移時(shí)域信號(hào)

4 饋能空氣懸架減振器的特性研究

在AMESim軟件中，對(duì)減振器特性進(jìn)行仿真分析時(shí)，對(duì)其活塞桿施加外部激勵(lì)。

參照國(guó)標(biāo) QC/T 491—1999《汽車筒式減振器尺寸系列及技術(shù)條件》的要求，測(cè)取減振器特性應(yīng)采用正弦激勵(lì)。針對(duì)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(duì)減振器特性進(jìn)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(jiàn)圖3。該阻尼力主要由管路和液壓馬達(dá)的負(fù)載提供。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)活塞速度達(dá)到最大速度0.52 m/s時(shí)，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(dāng)液壓缸缸徑為 50 mm 時(shí)，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?yàn)閴嚎s行程阻尼力主要由液壓馬達(dá)負(fù)載提供，阻尼力與油液流速無(wú)關(guān)。拉伸行程應(yīng)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(shí)，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(shè)計(jì)應(yīng)用于饋能空氣懸架的減振器產(chǎn)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(dòng)能量利用效能

將減振器模型應(yīng)用于1/4車輛仿真模型中，通過(guò)Simulink軟件提供不同路面等級(jí)和行駛速度的路面輸入，對(duì)模型進(jìn)行仿真，分析饋能空氣懸架振動(dòng)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(dá)功率

表3為不同路面等級(jí)、不同車速情況下液壓馬達(dá)的功率。當(dāng)車輛以60 km/h速度行駛于B級(jí)路面時(shí)，液壓馬達(dá)的最大功率為376.9 W，平均功率為10.1 W。

表3 不同等級(jí)路面不同車速下液壓馬達(dá)功率

當(dāng)車輛以60 km/h行駛于C級(jí)路面時(shí)，由于路面垂直位移大幅增加，液壓馬達(dá)最大功率與平均功率相對(duì)于車輛以相同速度行駛于B級(jí)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(shí)，隨著車速增加，車輛行駛于同一等級(jí)路面時(shí)，最大功率與平均功率有小幅增加，當(dāng)車速為70 km/h時(shí)，最大功率為1 075.5 W，平均功率為36.3 W；車速為80 km/h時(shí)，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(shí)，饋能空氣懸架才能夠發(fā)揮出其回收振動(dòng)能量的優(yōu)勢(shì)，且速度越大，液壓馬達(dá)的最大功率與平均功率也越大。并且液壓馬達(dá)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(jí)路面，不同車速、不同仿真時(shí)間下饋能空氣懸架的饋能效率，此時(shí)高壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)初始?jí)毫橐粋€(gè)大氣壓。表中液壓馬達(dá)所具有的液壓能始終大于高壓儲(chǔ)氣罐中有效能增量，這是因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)與高壓儲(chǔ)氣罐間的管路存在損耗。在相同車速下，隨著仿真時(shí)間的延長(zhǎng)，饋能效率略微增加。但在相同仿真時(shí)間，不同車速情況下，饋能效率有所下降，這是因?yàn)檐囁僭黾?，車身振?dòng)能量也大幅增加，而減振器所消耗能量的增加幅度相對(duì)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(shí)間下的饋能效率

表5為高壓儲(chǔ)氣罐不同初始?jí)毫?、相同工況、相同仿真時(shí)間下的饋能效率，仿真時(shí)間為20 s。隨著高壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)初始?xì)鈮旱脑龃?，液壓馬達(dá)的負(fù)載也相應(yīng)增大，液壓馬達(dá)獲得的液壓能增大，饋能效率增大，這也符合表4中仿真時(shí)間增長(zhǎng)而饋能效率增大的規(guī)律。

表5 高壓儲(chǔ)氣罐不同初始?jí)毫ο碌酿伳苄?/p>

5.3 充氣時(shí)間

由于實(shí)際運(yùn)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(diào)定壓力定為5 bar，使得當(dāng)高壓儲(chǔ)氣罐中壓力達(dá)到5 bar后，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體向大氣中溢流。

圖5是不同初始?jí)毫η闆r下，車輛以60 km/h行駛于C級(jí)路面，高壓儲(chǔ)氣罐中壓力隨時(shí)間的變化。高壓儲(chǔ)氣罐中壓力從0時(shí)刻開(kāi)始呈線性上升，但上升過(guò)程中有微小波動(dòng)，這是因?yàn)橐簤厚R達(dá)輸出功率受隨機(jī)路面的影響而無(wú)規(guī)律波動(dòng)。由于溢流閥的作用，其內(nèi)部壓力最終為5 bar。當(dāng)初始?jí)毫?.013 bar時(shí)，可反映車輛剛起步時(shí)情形，此時(shí)饋能空氣懸架需100 s將高壓儲(chǔ)氣罐壓力充至規(guī)定值；當(dāng)初始?jí)毫?和3 bar時(shí)，所需時(shí)間為81和58 s。當(dāng)初始?jí)毫? bar時(shí)，可反映車輛行駛過(guò)程中對(duì)空氣彈簧充氣后罐內(nèi)氣壓下降的情形，此時(shí)僅需31 s就能將高壓儲(chǔ)氣罐壓力充至規(guī)定值。

圖5 高壓儲(chǔ)氣罐壓力變化

綜上所述，當(dāng)車輛行駛于有較大垂直位移的路面時(shí)，饋能空氣懸架中液壓馬達(dá)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(jí)、相同時(shí)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(shí)，高壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)初始?xì)鈮涸酱?，饋能效率越高?/p>

當(dāng)車輛起步后，饋能空氣懸架利用振動(dòng)能量，能夠在100 s內(nèi)為初始?jí)毫橐粋€(gè)大氣壓的高壓儲(chǔ)氣罐充氣至規(guī)定壓力；當(dāng)車輛在行駛過(guò)程中，高壓儲(chǔ)氣罐為空氣彈簧充氣后，罐內(nèi)壓力下降，該饋能懸架同樣可在很短時(shí)間內(nèi)為高壓儲(chǔ)氣罐充滿高壓氣體。且車速越高，路面垂直位移越大，充氣時(shí)間越短。因此，所設(shè)計(jì)的饋能空氣懸架相比于傳統(tǒng)空氣懸架，可節(jié)省用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)空氣壓縮機(jī)的電能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

6 結(jié) 語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種能夠利用車輛振動(dòng)能量的饋能空氣懸架。該懸架將車輛行駛中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能提供給空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)為高壓儲(chǔ)氣罐充氣，高壓儲(chǔ)氣罐為空氣彈簧提供高壓氣體。

通過(guò)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(jié)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(chǎn)生合適的阻尼力。通過(guò)Simulink軟件輸出隨機(jī)路面垂直位移時(shí)域信號(hào)對(duì)1/4車輛仿真模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明饋能懸架能夠回收車身振動(dòng)能量并具有優(yōu)良的饋能效率，可在較短時(shí)間內(nèi)為高壓儲(chǔ)氣罐充氣至規(guī)定壓力。故所設(shè)計(jì)的饋能空氣懸架可以為車輛節(jié)省用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)空氣壓縮機(jī)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305111)；江蘇省六大人才高峰資助項(xiàng)目(2012-ZBZZ-030)

李仲興(1963—)，男，上海人，教授，博士，主要從事車輛動(dòng)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