饋能式懸架能量回收潛力試驗研究*

張　晗， 過學(xué)迅， 方志剛， 徐　琳， 張　杰

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室 武漢，430070）（2.萬向集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 杭州，311200）

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饋能式懸架能量回收潛力試驗研究*

張晗1， 過學(xué)迅1， 方志剛1， 徐琳1， 張杰2

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室 武漢，430070）（2.萬向集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 杭州，311200）

傳統(tǒng)被動懸架通過減振器將車輛振動能量轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中以達(dá)到車輛減振的目的，而饋能式懸架正是要將這一部分能量回收利用，因此對減振器耗散能量的大小進(jìn)行估算對預(yù)測饋能式懸架的能量回收潛力具有重要意義。通過建立二自由度懸架模型對懸架動位移、動速度以及可回收能量進(jìn)行了仿真計算，并通過實車道路試驗驗證了仿真模型及計算方法的正確性，同時對影響可回收能量大小的各個因素進(jìn)行了分析，明確了輪胎剛度、路面等級、車速是影響可回收能量的關(guān)鍵因素。通過對可回收能量數(shù)值的分析得出，饋能式懸架更適合應(yīng)用在重載車輛之上，并且可回收能量數(shù)量十分可觀。

汽車；懸架；饋能式懸架；能量回收

引 言

車輛在道路上行駛時，會持續(xù)地承受路面不平帶來的振動，這類振動直接影響車輛的平順性與操縱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)中的減振器是專門用于耗散這類振動能量的機構(gòu)，它將路面?zhèn)鬟f到車身的振動能量轉(zhuǎn)化為減振器內(nèi)油液的熱能發(fā)散掉，從而達(dá)到減振的效果。而饋能式懸架則利用能量回收裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減振器，為懸架提供阻尼力用于減振的同時，將一部分振動能量回收發(fā)電，為汽車電子設(shè)備提供電能。

近20年來，國內(nèi)外許多學(xué)者在懸架振動能量回收方面做了一些研究。早期的懸架可回收能量理論研究開始于20年前，Segel等［1］分析了公路路面不平度、輪胎、懸架阻尼對車輛行駛阻力的影響，并指出客車以48 km/h車速行駛時減振器耗散的能量大約為200 W。Hsu［2］對基于LQG控制的電動主動懸架做出了深入研究，指出車輛在高速行駛條件下，當(dāng)車速達(dá)96 km/h時，將有400 W能量可以回收。Kawamoto等［3］研制了滾珠絲桿式電磁主動懸架，通過試驗得出：以80 km/h車速在C級路面行駛時，單個減振器可回收能量為15.3 W。與此同時，國內(nèi)許多學(xué)者同樣對饋能式懸架的能量回收潛力做出了探索性的嘗試。喻凡等［4-5］分析了饋能式主動懸架的可行性，仿真結(jié)果表明車輛以72 km/h的速度在C級路面行駛20 s，被動懸架耗散能量為651 kJ。于長淼等［6-8］研究了齒輪齒條式電磁主動懸架，以某混合動力車輛為目標(biāo)車型，對不同路面等級減振器消耗的能量進(jìn)行了仿真計算。陳士安等［9-10］提了一種新型饋能懸架，通過仿真結(jié)果顯示：饋能型懸架吸收發(fā)動機的平均功率小于被動懸架，并且有高達(dá)84％的吸收功率可以被饋能裝置回收。

盡管這些研究工作對饋能式懸架的能量回收潛力做出了分析，但是，對于可回收能量到底有多少這一問題，始終沒有確定的答案，從之前學(xué)者的研究來看，所提出的可回收能量在40 W～32 k W之間，范圍非常之廣。同時，這些數(shù)值也都是基于仿真計算得來，未經(jīng)過試驗驗證。所以，筆者將對饋能式懸架可回收能量進(jìn)行理論計算并通過試驗驗證計算結(jié)果。

1 懸架動力學(xué)模型

1.1路面模型

路面模型采用濾波白噪聲法，對一均值為零的高斯白噪聲經(jīng)過變換得到模擬的路面位移信息：

其中：q為路面位移；f0為下截止頻率；n0為空間頻率；Gq（n0）為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，也可稱之為路面不平度系數(shù)；u為車速；wt為均值為零的高斯白噪聲。

1.2懸架模型

采用二自由度懸架模型，如圖1所示：

圖1　車身-車輪二自由度模型Fig.1 Two degree freedom model of vehicle suspension

圖1中：m2為簧載質(zhì)量；m1為非簧載質(zhì)量；K為懸架剛度；c為懸架阻尼；z2為車身位移；z1為車輪位移；q為路面位移。

懸架系統(tǒng)的動力學(xué)方程為

由式（1），（2）可列出懸架系統(tǒng)空間狀態(tài)方程：

1.3評價指標(biāo)

考慮到為了對饋能式懸架能量回收潛力做出評估，故將可回收能量，以及對可回收能量具有直接影響的懸架動位移、動速度作為指標(biāo)進(jìn)行考量。路面速度輸入下的懸架動位移、動速度的傳遞函數(shù)為［11］

根據(jù)懸架動位移、動速度的傳遞函數(shù)可以分別得到其均方根值表達(dá)式：

車輛在路面行駛時所受到的路面激勵，通過減振器阻尼消耗掉。因此，這一部分的能量即為饋能式可回收的能量。懸架可回收能量的瞬時值為

由式（7），式（8）可得到懸架可回收能量的均方根值表達(dá)式為

2 仿真與分析

根據(jù)式（3）搭建懸架系統(tǒng)動力仿真模型，仿真利用到的車輛參數(shù)如表1所示。

表1　車輛參數(shù)Tab.1 Vehicle paramters

結(jié)合懸架系統(tǒng)模型分別對B級路面工況下懸架簧載質(zhì)量m2與非簧載質(zhì)量m1之間的相對動位移、懸架簧載質(zhì)量m2與非簧載質(zhì)量m1之間的相對動速度以及懸架可回收能量的峰值、均方根值進(jìn)行了計算，結(jié)果如表2所示。由表2可以明顯看出：上述三個參數(shù)的峰值與均方根值隨著車速升高呈線性遞增趨勢。

表2　B級路面下仿真數(shù)據(jù)的峰值與均方根值統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of peak value and root mean square value of simulation data at different vehicle speed on B grade road

同時，以常用車速30 km/h為例，對其在不同等級路面下的懸架動位移、動速度以及可回收能量進(jìn)行了計算，結(jié)果如表3所示。由表中數(shù)值可以看出，懸架動位移、動速度以及可回收能量隨著路面等級的遞增呈幾何增長趨勢。A，B，C，D，E級路面下可回收能量均方根值分別為：2.083 8，8.331，33.342 5，133.370 1，533.215 7 W，以整車具有4個減振器為例，從C級路面開始可回收能量達(dá)到百瓦級別，而其能量峰值則更是達(dá)到千瓦級別。隨著等級路面的升高，路況越惡劣，可回收能量也逐級增多。

表3　30 km/h車速下仿真數(shù)據(jù)的峰值與均方根值統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of peak value and root mean square value of simulation data at 30 km/h vehicle speed on different road

3 實車試驗與數(shù)據(jù)分析

為了對上述仿真結(jié)果進(jìn)行驗證，考查實際車輛行駛時的可回收能量潛力，開展了懸架可回收能量評估的道路試驗。

3.1實車試驗

試驗車輛采用某7座微型面包車，懸架動位移通過對減振器缸筒與活塞桿在車輛行駛過程中的相對位移進(jìn)行測量得出。減振器缸筒與活塞桿的相對位移采用德國美爾激光位移傳感器測量；數(shù)據(jù)采集采用比利時LMS公司的SCADAS MOBILE/ SCM05 40通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及Test.Lab/Advanced Signature Testing軟件完成，試驗儀器如圖2所示，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)型號為SCADAS MOBILE/SCM05，由比利時LMS生產(chǎn)廠商提供，位移傳感器型號為M7L/200，其量程±100 mm，精度0. 2 mm，由德國MEL生產(chǎn)廠商提供。電瓶是國內(nèi)產(chǎn)品。

圖2　試驗儀器Fig.2 Test instruments

由于試驗車輛為實驗室科學(xué)實驗車，只能在校內(nèi)行駛，因此試驗路段選定在校內(nèi)人流量較小的地段。選定三種不同路面：平直水泥路面（相當(dāng)于B級路面）、坑洼瀝青路面、有減速帶的水泥路面。其中平直水泥路面人流量極小，便于試驗開展，因此分別進(jìn)行了10，20，30，40，50 km/h勻速行駛工況的試驗；后兩種路面區(qū)域由于人流量較大難以開展試驗，因此都只進(jìn)行了20 km/h勻速行駛工況的試驗。同時，還在校園內(nèi)各路段自由行駛（根據(jù)實際行車狀況隨機調(diào)整車速、換擋等操作）模擬城市行駛工況。

選取帶有坑洼的瀝青路面、有過減速帶的水泥路面進(jìn)行試驗是為了考察車輛在路況較差的情況下行駛時所產(chǎn)生的可回收能量大?。贿x擇各個路段自由行駛試驗是為了獲取模擬城市工況下懸架可回收能量的數(shù)值。

3.2試驗數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)利用Matlab軟件進(jìn)行處理與分析。減振器位移時間歷程（10 km/h勻速行駛工況）如圖3所示。采用0.1～100 Hz帶通濾波器對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后求導(dǎo)得出的懸架速度曲線如圖4所示。

圖3　10 km/h勻速行駛工況下懸架動位移時間歷程Fig.3 Measured displacement of shock absorber at constant vehicle speed 10 km/h

圖4　10 km/h勻速行駛工況下懸架動速度時間歷程Fig.4 Velocity of shock absorber at constant vehicle speed 10 km/h

通過上述方法對所有工況試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，統(tǒng)計其幅值的峰值以及均方根值如表4所示。

表4　不同工況下試驗數(shù)據(jù)的峰值與均方根值統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of peak value and root mean square value at different working condition

需要指出的是，由于客觀原因無法獲得試驗車輛懸架特性參數(shù)，所以采用了試驗車輛的競爭車型的懸架參數(shù)做仿真計算，即仿真計算中采用的參數(shù)來源于另一款7座微型面包車。考慮到競爭車型都具有同質(zhì)化特點，其整車布置形式、懸架形式等都較為一致，故認(rèn)為其懸架各參數(shù)差異較小，數(shù)量級應(yīng)在同一水平。再考慮到饋能懸架可回收到能量的大致水平以及影響可回收能量的因素，并不要求精準(zhǔn)的定量分析，因此，可將仿真車型與試驗車型近似看做同一車型，對比其仿真與試驗的結(jié)果。

圖5　10 km/h勻速行駛工況可回收能量瞬時值隨時間的累積Fig.5 Accumulation value of instantaneous recyclable energy at a constant vehicle speed 10 km/h

試驗路況中，平直的水泥路面與B級路面相當(dāng)，因此，將表5中水泥平直路面上10～40 km/h車速工況的試驗數(shù)據(jù)與表2中10～40 km/h工況仿真數(shù)值進(jìn)行對比，可以看出：仿真數(shù)值略大于試驗所測數(shù)值，導(dǎo)致仿真能量均方根值略大于試驗數(shù)據(jù)計算得出的能量均方根值，但其數(shù)值差別并不大。

過帶坑洼的瀝青路面工況、減速帶路面工況以及城市工況時的可回收能量均較為可觀，以整車4個減振器計，這幾種工況下的可回收能量均達(dá)百瓦級別；其中帶坑洼的瀝青路面及城市行駛工況下可回收能量近400 W。并且，前2個工況的行駛車速只有20 km/h，若車速提高，則可回收能量還會增加。

4 可回收能量影響因素分析

通過以上討論，已經(jīng)明確了行駛車速與路面等級對懸架可回收能量的影響。而懸架自身特性參數(shù)對懸架可回收能量的影響未知，因此結(jié)合懸架動力學(xué)模型對可回收能量的影響因素進(jìn)行分析，由式（2）可以看出，懸架系統(tǒng)組成參數(shù)有：簧載質(zhì)量m2，非簧載質(zhì)量m1，剛度K，阻尼C，輪胎剛度Kt。同樣以仿真車型參數(shù)為基礎(chǔ)，以原仿真車型參數(shù)的20％為變化的間隔考查各個參數(shù)變化對懸架可回收能量帶來的影響。為了具有可對比性，依舊選取B級路面、30 km/h車速工況進(jìn)行仿真分析，計算結(jié)果如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)N代表懸架各個參數(shù)的原始設(shè)計值。

圖6　B級路面、30 km/h車速下可回收能量隨懸架各參數(shù)變化的趨勢Fig.6 Effect of suspension parameters on recyclable energy at 30 km/h speed on B grade road

由圖6看出：a.除非簧載質(zhì)量m1外的所有懸架參數(shù)對可回收能量的影響均呈線性關(guān)系，非簧載質(zhì)量m1的在設(shè)計值的80％處之前有小幅波動，之后可回收能量趨于穩(wěn)定，不隨非簧載質(zhì)量變化而變化；b.可回收能量隨輪胎剛度Kt、簧載質(zhì)量m2的變化呈線性遞增趨勢，隨懸架阻尼C呈線性遞減趨勢，而懸架剛度K、非簧載m180％設(shè)計值后段對可回收能量無明顯影響；c.輪胎剛度Kt是對懸架可回收能量影響最大的因素，其余各參數(shù)變化帶來的可回收能量增量極其有限，甚至可忽略；d.由前述分析結(jié)果可以推斷出，由于重載商用車具備較大的輪胎剛度與簧載質(zhì)量，并且行駛路況可能較惡劣，因此其可回收能量將更加可觀。在暫不考慮行駛平順性、操縱穩(wěn)定性前提下，僅就能量回收角度而言，饋能式懸架在商用車上的應(yīng)用更具前途。

根據(jù)第1節(jié)懸架模型，結(jié)合某款商用車參數(shù)（如表5），對商用車單個減振器可回收能量均方根值進(jìn)行估算，結(jié)果如表6所示。從結(jié)果可以看出，商用車懸架可回收能量較乘用車成倍增長，再結(jié)合圖7所示的結(jié)果，因重載商用車輛輪胎剛度普遍較乘用車輛大，因此饋能式懸架更適用于重載商用車輛。

表5　某重載車輛參數(shù)Tab.5 A heavy duty vehicle parameters

表6　某重載車輛單個減振器可回收能量均方根值（單位：W）Tab.6 RMS value of single absorber recyclable energy of a heavy duty vehicle（Unit：/W）

5 結(jié)論

1）對于普通乘用車輛，在良好路面（A，B級）、常用車速（10～60 km/h）行駛時，其可回收能量均方根值較小，不具備回收價值；只有在C級及以上等級路面時，其回收能量才能達(dá)到百瓦級別，初步具備回收價值。

2）輪胎剛度、路面等級、車速以及簧載質(zhì)量是影響?zhàn)伳苁綉壹芸苫厥漳芰康闹匾蛩?，可回收能量隨這些參數(shù)變化呈單調(diào)遞增趨勢。

3）僅就能量回收角度而言，暫不考慮車輛行駛平順性及操縱穩(wěn)定性的前提下，饋能式懸架在重載車輛上的應(yīng)用更具價值，其在各個工況下的可回收能量較普通乘用車成倍增長。以整車2個減振器計，在B級路面40 km/h以上車速行駛時回收到百瓦級的能量，而重載商用車往往行駛路況會更加惡劣，因此實際回收能量應(yīng)更加巨大。

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U461.99

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.02.005

張晗，男，1985年8月生，博士生。主要研究方向為汽車動力學(xué)及其控制、車輛半主動懸架系統(tǒng)曾發(fā)表《液電式饋能減振器外特性仿真與試驗》（《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》2014年第30卷第2期）等論文。

E-mail：zh1985@163.com

*國家自然科學(xué)基金資助項目（51075312）

2013-05-02；

2013-06-05