沈青原 詹黎明

摘 要：本文提出了一種直線(xiàn)電機(jī)、彈簧、阻尼器并聯(lián)的饋能懸架，用于回收車(chē)輛行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)能量。首先建立了饋能懸架的動(dòng)力學(xué)模型，確定了能量回收的方式；然后對(duì)饋能懸架進(jìn)行仿真分析，與傳統(tǒng)被動(dòng)懸架進(jìn)行了隔振性與操穩(wěn)性的對(duì)比，計(jì)算得出了能量回收的效率，驗(yàn)證了饋能懸架在能夠進(jìn)行能量回收的同時(shí)保證一定的動(dòng)力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：饋能懸架；直線(xiàn)電機(jī)；隔振；操穩(wěn)；阻尼

1 前言

傳統(tǒng)懸架通過(guò)阻尼器將懸架振動(dòng)能量以熱量的形式消耗掉，饋能懸架能夠在保證懸架動(dòng)力學(xué)性能的同時(shí)，將一部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，起到能量回收的作用。

上海交通大學(xué)的喻凡等人對(duì)包含滾珠絲杠裝置的饋能懸架進(jìn)行了研究，通過(guò)滾珠絲杠裝置將懸架的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行能量回收。重慶大學(xué)的來(lái)飛等人設(shè)計(jì)了圓筒型直線(xiàn)電機(jī)，將其用作懸架作動(dòng)器，對(duì)懸架進(jìn)行主動(dòng)控制的同時(shí)回收振動(dòng)能量，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，直線(xiàn)電機(jī)式饋能懸架在保證車(chē)輛乘坐舒適性的前提下，可回收部分振動(dòng)能量。荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的Bart等人將直線(xiàn)電機(jī)、彈簧進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，并且在BMW530i上進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)，驗(yàn)證了饋能懸架能夠有效進(jìn)行能量回收。

以上研究表明，饋能懸架能夠有效進(jìn)行振動(dòng)能量的回收，并且保證了車(chē)輛的舒適性和操穩(wěn)性。但是，目前饋能懸架基本采用電機(jī)加彈簧的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)形式在電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)懸架就會(huì)停止工作，不具備fail-safe特性。本文研究的饋能懸架采用直線(xiàn)電機(jī)、被動(dòng)阻尼器、彈簧并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，被動(dòng)阻尼器的加入使得饋能懸架具備fail-safe特性。

本文建立了饋能懸架的四分之一二自由度模型，對(duì)其饋能特性和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究。

2 饋能懸架系統(tǒng)建模

饋能懸架四分之一二自由度拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。ms、mt分別為簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量，kg、ks、kt分別為彈簧剛度和輪胎剛度，N/m；cs和ce分別為阻尼器和直線(xiàn)電機(jī)等效阻尼系數(shù)，N·s/m；zs、zt和zg分別為車(chē)身位移、車(chē)輪位移和路面位移，m。直線(xiàn)電機(jī)產(chǎn)生的電流通過(guò)整流器儲(chǔ)存到車(chē)載電源中。

建立1/4車(chē)輛饋能懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程及路面模型為：

本文采用有限帶寬白噪聲作為路面輸入：

式中，G0為路面不平度系數(shù)，m3/cycle；v0為車(chē)速，m/s2；f0為下截止頻率，Hz；w（t）為均值為0的高斯白噪聲。

3 仿真分析

在討論過(guò)饋能懸架系統(tǒng)模型之后，為了驗(yàn)證其動(dòng)力學(xué)性能以及饋能性能，搭建了饋能懸架simulink模型進(jìn)行仿真。仿真環(huán)境為：C級(jí)路面，車(chē)速20m/s，進(jìn)行時(shí)域仿真，仿真時(shí)間為10s，仿真的一些其他參數(shù)如表1所示。以車(chē)身質(zhì)心加速度以及車(chē)輪動(dòng)載荷為動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以超級(jí)電容充電結(jié)束后的端電壓為饋能情況評(píng)價(jià)指標(biāo)，仿真結(jié)果如下圖2和表2所示。

由圖2和表2可知，饋能懸架在給定工況下，表征其動(dòng)力學(xué)性能的三項(xiàng)指標(biāo)：車(chē)身質(zhì)心加速度，車(chē)輪動(dòng)載荷以及懸架動(dòng)撓度相比于被動(dòng)懸架分別增加了1.0%、0.5%和7.3%，說(shuō)明饋能懸架動(dòng)力學(xué)性能有所下降。根據(jù)超級(jí)電容端電壓變化情況，見(jiàn)圖

3所示，結(jié)合能量計(jì)算公式：，可以算出超級(jí)電容回收能量30.89J。

綜合饋能懸架動(dòng)力學(xué)性能和饋能性能可以分析：雖然饋能懸架動(dòng)力學(xué)性能有所惡化，但是各項(xiàng)指標(biāo)惡化均未超過(guò)10%；與此同時(shí)饋能懸架在給定工況的10s時(shí)間內(nèi)，回收了30.89J能量，饋能性能良好。

4 結(jié)論

本文提出了一種直線(xiàn)電機(jī)、阻尼器、彈簧并聯(lián)的饋能懸架結(jié)構(gòu)，阻尼器的加入增加了懸架的可靠性。關(guān)于饋能懸架，得出了結(jié)論如下：饋能懸架的饋能效率較高，具備回收振動(dòng)能量的能力；饋能懸架相比于傳統(tǒng)被動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)性能有所惡化，但在可接受范圍之內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：江蘇大學(xué)京江學(xué)院）