饋能懸架的設計與仿真分析*

李華辰，孫 鳳，單光坤，周 冉，金俊杰，張曉友

(1.沈陽工業大學 機械工程學院,遼寧 沈陽 110870；2.日本工業大學 機械工學科,日本 埼玉 345-8501)

0 引言

車輛行駛過程中，傳統阻尼器將車軸與車身之間的振動以熱能的形式耗散在空氣中，這部分熱能既影響到車輛的工作性能和使用壽命，又是一種能源浪費。所以，將振動能量回收并利用也成為國內外研究學者的熱門課題。饋能懸架將車輛振動能量轉化為電能儲存或二次利用，在提高車輛平順性的同時回收振動能量，以減小車輛的能耗。Tvrdi等[1]提出了一種液壓式饋能懸架的設計方案，采用獨特的算法來計算懸架的動態強度；通過計算，1500 kg的車輛可獲得最大饋能功率526 W和平均饋能功率224 W。重慶大學的王戡等[2，3]將直線電機與磁流變減振器相結合，設計出一種新式汽車饋能式磁流變半主動懸架，通過直線電機將振動能量轉換為電能，并使用饋能電路回收能量，為半主動懸架提供電能。Guo等[4]設計出一款用于重型車輛的液壓電磁式饋能懸架，為了研究其特性，建立了動態模型并仿真分析高壓蓄能器和慣性對饋能電壓的影響。上海交通大學的喻凡等[5-7]通過仿真設計并制造出一款滾珠絲杠式電磁作動器，針對電磁作動器的力特、隨動特性進行仿真分析，并進行實車試驗來驗證該方案的可行性。Okada等[8,9]開發了一種新型饋能減振器，旨在不損失減振效率的同時降低能耗；并通過臺架實驗驗證了該系統較純被動減振系統具有更好的減振性能，且能夠回收能量；為了克服死區的問題，引入升壓斬波器，更有效地提高了能量回收效率。

本文針對車輛懸架能量浪費的問題，設計出一種新型二自由度能量回收系統。該系統能夠在較小的體積下實現無接觸、無摩擦、無需潤滑和轉換裝置的情況下將振動勢能轉化為電能，并對所設計的饋能懸架系統進行仿真分析。

1 饋能懸架的工作原理與結構

1.1 饋能懸架的工作原理

饋能懸架的能量回收系統是基于法拉第電磁感應定律所設計的，其工作原理如圖1所示，當懸架處于工作狀態時，由于崎嶇路面引起的振動使車身與輪胎產生相對運動，線圈在磁場中做切割磁感線運動產生感生電動勢，并經過饋能電路處理后，可實現無接觸、無摩擦、無需潤滑地將振動勢能轉化為電能，提高汽車的能量利用率。圖1中，mc、mw分別為車身質量、輪胎質量，kc、kw分別為懸架剛度、輪胎剛度，xc、xw、xl分別為車身位移、輪胎位移以及路面激勵的幅值，Fs為能量回收裝置所產生的安培力。

圖1 磁力饋能懸架工作原理圖

1.2 磁力饋能懸架結構

磁力饋能懸架結構如圖2所示，磁力饋能懸架能量回收系統與懸架彈簧并聯，主要分為定子和動子。其中，定子由充磁方向相反的兩塊永磁環、引導磁路走勢的軟鐵環、形成閉合磁通回路的外鐵環以及固定柱構成；動子由骨架與線圈構成。線圈以交替方向纏繞，用于回收懸架的振動能量。當振動產生時，動子相對于定子在軸向做往復直線運動，線圈切割磁感線產生感應電動勢。

圖2 磁力饋能懸架結構示意圖

為了加強能量回收效率，選用釹鐵硼作為永磁環的材料，選用導磁性較高的DT-4C作為軟鐵環和外鐵環的材料，選用不導磁的鋁合金6061作為固定柱和底座的材料，為了降低渦流效應，選用聚四氟乙烯作為骨架的材料。

2 磁力饋能懸架模型的建立

為了便于研究磁力饋能懸架能量回收系統的特性，將輪胎等效成一個可以忽略阻尼的彈簧，并根據圖1建立一個2自由度磁力饋能懸架系統的數學模型。在能量回收裝置工作時，繞組線圈內產生感應電流，同時產生的安培力用來代替原有被動懸架的阻尼力。根據牛頓第二定律可以得出能量回收裝置運動方程：

(1)

其中：l為繞組線圈的長度；i為繞組線圈中的電流；B為繞組線圈所處氣隙中的磁感應強度；Lcoil為繞組線圈的電感；Rcoil為繞組線圈的內阻；Rload為負載電阻。

為了準確估計能量回收裝置的輸出電壓，需建立饋能模型，對式(1)進行拉普拉斯變換得：

(2)

從而得出車身位移、輪胎位移對路面激勵的傳遞函數如下所示：

(3)

(4)

其中：

Δ(S)=LcoilmcmwS5+mcmw(Rcoil+Rload)S4+[(mc+mw)(kcLcoil+B2l2)+mckwLcoil]S3+[(mckc+mckw+mwkc)(Rcoil+Rload)]S2+kw(kcLcoil+B2l2)S+kwkc(Rcoil+Rload).

當S=jω，懸架動行程(xc-xw)對路面激勵的幅頻特性為：

(5)

若以正弦激勵xl=Xsin(ωt)作為路面輸入，能量回收裝置所產生的感生電動勢U0可表示為：

(6)

其中：X為正弦激勵的幅值；ω為正弦激勵的頻率；K為電動勢系數，可表示為K=Bl。

式(6)表明能量回收系統的輸出電壓與饋能懸架結構參數、路面激勵和外接負載阻值有關。若懸架系統參數確定后，可通過改變外接負載阻值來調節能量回收系統的輸出電壓。

3 磁力饋能懸架的仿真分析

本節采用MATLAB/Simulink仿真軟件對磁力饋能懸架系統的輸出電壓特性進行仿真，仿真流程如圖3所示。當路面激勵輸入到饋能系統時，饋能懸架定子與動子之間產生相對運動，線圈切割磁感線，從而產生感應電動勢，進行能量回收。由于線圈的往復運動，回收的電能屬于交流電信號，經過整流處理后轉換為脈動直流電信號，但仍然無法直接為負載提供一個穩定的電壓，故使用濾波電容對整流后的電壓進行濾波，處理后的電壓為紋波電壓，存在較小的電壓波動，可直接為車載的傳感器供電，或儲存到儲能元件中。由于能量回收裝置工作時，氣隙中的磁感應強度B和磁場中線圈長度l的乘積為變化量，所以為了研究電動勢系數K=Bl需進行仿真分析。

圖3 磁力饋能懸架仿真流程圖

以5 mm、5 Hz的正弦激勵作為路面輸入，饋能懸架的電動勢系數K和懸架動行程如圖4所示。在正弦激勵頻率為5 Hz時，不同幅值下饋能懸架輸出電壓如圖5所示。饋能懸架在5 mm、5 Hz正弦激勵時的峰值輸出電壓為14 V。

圖4 電動勢系數K和懸架動行程

圖5 不同幅值下饋能懸架輸出電壓

當正弦激勵的幅值增大時，饋能懸架的動行程增大，磁場中線圈長度l隨之增加，從而導致饋能懸架電動勢系數K提高。饋能懸架的輸出電壓與正弦激勵幅值正相關，究其原因是：正弦激勵的幅值增大引起饋能懸架的動行程增大，在單位時間內，饋能懸架動子的運動速度加快，即線圈切割磁感線的速度提高，使得饋能懸架的輸出電壓隨之上升。

4 結論

本文設計了一種磁力饋能懸架，將懸架的振動勢能轉化為電能，以提高汽車的能量利用率。介紹了磁力饋能懸架的工作原理以及結構，并建立磁力饋能懸架的運動方程和饋能模型。最后使用MATLAB/Simulink仿真軟件對磁力饋能懸架系統進行仿真分析，以5 mm、5 Hz的正弦激勵作為路面輸入，研究了饋能懸架的電動勢系數；在正弦激勵的頻率為5 Hz時，研究了幅值分別為5 mm、10 mm、15 mm的工況下，饋能懸架的輸出電壓特性。