李華辰，孫 鳳，單光坤，周 冉，金俊杰，張曉友

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870；2.日本工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工學(xué)科,日本 埼玉 345-8501)

0 引言

車輛行駛過程中，傳統(tǒng)阻尼器將車軸與車身之間的振動(dòng)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(fèi)。所以，將振動(dòng)能量回收并利用也成為國內(nèi)外研究學(xué)者的熱門課題。饋能懸架將車輛振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存或二次利用，在提高車輛平順性的同時(shí)回收振動(dòng)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(shè)計(jì)方案，采用獨(dú)特的算法來計(jì)算懸架的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度；通過計(jì)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(xué)的王戡等[2，3]將直線電機(jī)與磁流變減振器相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種新式汽車饋能式磁流變半主動(dòng)懸架，通過直線電機(jī)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，并使用饋能電路回收能量，為半主動(dòng)懸架提供電能。Guo等[4]設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)模型并仿真分析高壓蓄能器和慣性對(duì)饋能電壓的影響。上海交通大學(xué)的喻凡等[5-7]通過仿真設(shè)計(jì)并制造出一款滾珠絲杠式電磁作動(dòng)器，針對(duì)電磁作動(dòng)器的力特、隨動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)來驗(yàn)證該方案的可行性。Okada等[8,9]開發(fā)了一種新型饋能減振器，旨在不損失減振效率的同時(shí)降低能耗；并通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)較純被動(dòng)減振系統(tǒng)具有更好的減振性能，且能夠回收能量；為了克服死區(qū)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(duì)車輛懸架能量浪費(fèi)的問題，設(shè)計(jì)出一種新型二自由度能量回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在較小的體積下實(shí)現(xiàn)無接觸、無摩擦、無需潤滑和轉(zhuǎn)換裝置的情況下將振動(dòng)勢能轉(zhuǎn)化為電能，并對(duì)所設(shè)計(jì)的饋能懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

1 饋能懸架的工作原理與結(jié)構(gòu)

1.1 饋能懸架的工作原理

饋能懸架的能量回收系統(tǒng)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律所設(shè)計(jì)的，其工作原理如圖1所示，當(dāng)懸架處于工作狀態(tài)時(shí)，由于崎嶇路面引起的振動(dòng)使車身與輪胎產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，并經(jīng)過饋能電路處理后，可實(shí)現(xiàn)無接觸、無摩擦、無需潤滑地將振動(dòng)勢能轉(zhuǎn)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(zhì)量、輪胎質(zhì)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(lì)的幅值，F(xiàn)s為能量回收裝置所產(chǎn)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(jié)構(gòu)

磁力饋能懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示，磁力饋能懸架能量回收系統(tǒng)與懸架彈簧并聯(lián)，主要分為定子和動(dòng)子。其中，定子由充磁方向相反的兩塊永磁環(huán)、引導(dǎo)磁路走勢的軟鐵環(huán)、形成閉合磁通回路的外鐵環(huán)以及固定柱構(gòu)成；動(dòng)子由骨架與線圈構(gòu)成。線圈以交替方向纏繞，用于回收懸架的振動(dòng)能量。當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，動(dòng)子相對(duì)于定子在軸向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。

圖2 磁力饋能懸架結(jié)構(gòu)示意圖

為了加強(qiáng)能量回收效率，選用釹鐵硼作為永磁環(huán)的材料，選用導(dǎo)磁性較高的DT-4C作為軟鐵環(huán)和外鐵環(huán)的材料，選用不導(dǎo)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(yīng)，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(tǒng)的特性，將輪胎等效成一個(gè)可以忽略阻尼的彈簧，并根據(jù)圖1建立一個(gè)2自由度磁力饋能懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在能量回收裝置工作時(shí)，繞組線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)產(chǎn)生的安培力用來代替原有被動(dòng)懸架的阻尼力。根據(jù)牛頓第二定律可以得出能量回收裝置運(yùn)動(dòng)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(yīng)強(qiáng)度；Lcoil為繞組線圈的電感；Rcoil為繞組線圈的內(nèi)阻；Rload為負(fù)載電阻。

為了準(zhǔn)確估計(jì)能量回收裝置的輸出電壓，需建立饋能模型，對(duì)式(1)進(jìn)行拉普拉斯變換得：

(2)

從而得出車身位移、輪胎位移對(duì)路面激勵(lì)的傳遞函數(shù)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(dāng)S=jω，懸架動(dòng)行程(xc-xw)對(duì)路面激勵(lì)的幅頻特性為：

(5)

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

(6)

其中：X為正弦激勵(lì)的幅值；ω為正弦激勵(lì)的頻率；K為電動(dòng)勢系數(shù)，可表示為K=Bl。

式(6)表明能量回收系統(tǒng)的輸出電壓與饋能懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)、路面激勵(lì)和外接負(fù)載阻值有關(guān)。若懸架系統(tǒng)參數(shù)確定后，可通過改變外接負(fù)載阻值來調(diào)節(jié)能量回收系統(tǒng)的輸出電壓。

3 磁力饋能懸架的仿真分析

本節(jié)采用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)磁力饋能懸架系統(tǒng)的輸出電壓特性進(jìn)行仿真，仿真流程如圖3所示。當(dāng)路面激勵(lì)輸入到饋能系統(tǒng)時(shí)，饋能懸架定子與動(dòng)子之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁感線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)行能量回收。由于線圈的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，回收的電能屬于交流電信號(hào)，經(jīng)過整流處理后轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電信號(hào)，但仍然無法直接為負(fù)載提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，故使用濾波電容對(duì)整流后的電壓進(jìn)行濾波，處理后的電壓為紋波電壓，存在較小的電壓波動(dòng)，可直接為車載的傳感器供電，或儲(chǔ)存到儲(chǔ)能元件中。由于能量回收裝置工作時(shí)，氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)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(dòng)勢系數(shù)K=Bl需進(jìn)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(lì)作為路面輸入，饋能懸架的電動(dòng)勢系數(shù)K和懸架動(dòng)行程如圖4所示。在正弦激勵(lì)頻率為5 Hz時(shí)，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(lì)時(shí)的峰值輸出電壓為14 V。

圖4 電動(dòng)勢系數(shù)K和懸架動(dòng)行程

圖5 不同幅值下饋能懸架輸出電壓

當(dāng)正弦激勵(lì)的幅值增大時(shí)，饋能懸架的動(dòng)行程增大，磁場中線圈長度l隨之增加，從而導(dǎo)致饋能懸架電動(dòng)勢系數(shù)K提高。饋能懸架的輸出電壓與正弦激勵(lì)幅值正相關(guān)，究其原因是：正弦激勵(lì)的幅值增大引起饋能懸架的動(dòng)行程增大，在單位時(shí)間內(nèi)，饋能懸架動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)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(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種磁力饋能懸架，將懸架的振動(dòng)勢能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，并建立磁力饋能懸架的運(yùn)動(dòng)方程和饋能模型。最后使用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)磁力饋能懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以5 mm、5 Hz的正弦激勵(lì)作為路面輸入，研究了饋能懸架的電動(dòng)勢系數(shù)；在正弦激勵(lì)的頻率為5 Hz時(shí)，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。