饋能懸架設計及仿真研究

沈青原 詹黎明

摘 要：本文提出了一種直線電機、彈簧、阻尼器并聯(lián)的饋能懸架，用于回收車輛行駛過程中所產(chǎn)生的振動能量。首先建立了饋能懸架的動力學模型，確定了能量回收的方式；然后對饋能懸架進行仿真分析，與傳統(tǒng)被動懸架進行了隔振性與操穩(wěn)性的對比，計算得出了能量回收的效率，驗證了饋能懸架在能夠進行能量回收的同時保證一定的動力學性能。

關鍵詞：饋能懸架；直線電機；隔振；操穩(wěn)；阻尼

1 前言

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

上海交通大學的喻凡等人對包含滾珠絲杠裝置的饋能懸架進行了研究，通過滾珠絲杠裝置將懸架的上下運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，通過旋轉(zhuǎn)電機進行能量回收。重慶大學的來飛等人設計了圓筒型直線電機，將其用作懸架作動器，對懸架進行主動控制的同時回收振動能量，并通過試驗驗證表明，直線電機式饋能懸架在保證車輛乘坐舒適性的前提下，可回收部分振動能量。荷蘭埃因霍溫理工大學的Bart等人將直線電機、彈簧進行了集成設計，并且在BMW530i上進行了實車試驗，驗證了饋能懸架能夠有效進行能量回收。

以上研究表明，饋能懸架能夠有效進行振動能量的回收，并且保證了車輛的舒適性和操穩(wěn)性。但是，目前饋能懸架基本采用電機加彈簧的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)形式在電機出現(xiàn)故障時懸架就會停止工作，不具備fail-safe特性。本文研究的饋能懸架采用直線電機、被動阻尼器、彈簧并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，被動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，對其饋能特性和動力學性能進行了仿真研究。

2 饋能懸架系統(tǒng)建模

饋能懸架四分之一二自由度拓撲模型如圖1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電機等效阻尼系數(shù)，N·s/m；zs、zt和zg分別為車身位移、車輪位移和路面位移，m。直線電機產(chǎn)生的電流通過整流器儲存到車載電源中。

建立1/4車輛饋能懸架系統(tǒng)動力學方程及路面模型為：

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

在討論過饋能懸架系統(tǒng)模型之后，為了驗證其動力學性能以及饋能性能，搭建了饋能懸架simulink模型進行仿真。仿真環(huán)境為：C級路面，車速20m/s，進行時域仿真，仿真時間為10s，仿真的一些其他參數(shù)如表1所示。以車身質(zhì)心加速度以及車輪動載荷為動力學評價指標，以超級電容充電結(jié)束后的端電壓為饋能情況評價指標，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，表征其動力學性能的三項指標：車身質(zhì)心加速度，車輪動載荷以及懸架動撓度相比于被動懸架分別增加了1.0%、0.5%和7.3%，說明饋能懸架動力學性能有所下降。根據(jù)超級電容端電壓變化情況，見圖

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

綜合饋能懸架動力學性能和饋能性能可以分析：雖然饋能懸架動力學性能有所惡化，但是各項指標惡化均未超過10%；與此同時饋能懸架在給定工況的10s時間內(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電機、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，具備回收振動能量的能力；饋能懸架相比于傳統(tǒng)被動懸架動力學性能有所惡化，但在可接受范圍之內(nèi)。

參考文獻

[1]喻凡，張勇超.饋能型車輛主動懸架技術[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，（1）：1-6.

[2]曹民，劉為，喻凡.車輛主動懸架用電機作動器的研制[J].機械工程學報，2008，（11）：224-228.

[3]陳星，羅虹，鄧兆祥.直線電機饋能懸架控制系統(tǒng)設計與饋能分析[J].振動與沖擊，2012，31（8）：124-129.

（作者單位：江蘇大學京江學院）