车辆馈能悬挂技术综述

张进秋，彭志召，岳 杰，彭颜铭，王 舟

(1.装甲兵工程学院技术保障工程系，北京10072;2.75733部队，广东广州510800)

悬挂系统用于缓冲车辆在行驶过程中不平路面传递给车体的冲击载荷，并衰减车体的振动，对车辆的平顺性、乘坐舒适性及操纵稳定性等有很大影响。主动/半主动悬挂系统需要输入外部能量才能够显著提高悬挂的性能，尤其是主动系统悬挂要消耗大量的能量来抵消路面的冲击。然而，随着战时保障问题的日益突出，能源最终限制了车辆的最大行程以及战技性能的发挥，因此不可能以牺牲其他战技指标为代价来提高悬挂系统性能，解决能源问题就成为先进悬挂系统能否实现工程应用的关键。

被动悬挂的减振器以热量的形式将振动能耗散掉，从而衰减车辆的振动。而被耗散的能量是车辆能耗的重要组成部分，只是一直未被重视及利用。如能够回收利用这些被耗散的振动能量，自然可以降低车辆的能耗。尤其是坦克装甲车辆，行驶路况恶劣，悬挂系统振动剧烈，加之车辆质量大，能量回收潜力更大。馈能式悬挂系统就是用能量回收装置替换热量耗散型减振器，将车辆的振动能量转化为可利用的电能或液(气)压能，为车辆主动/半主动悬挂及其他耗能设备提供能源。因此，将馈能式悬挂系统引入坦克装甲车辆具有重要的军事意义。

1 车辆悬挂的能量耗散与馈能潜力

减振器的能量耗散是不容忽视的。Segel等［1］分析了某乘用车减振器的能耗，以13.4 m/s的车速在不平道路上行驶时，4个减振器约以200 W的功率耗散热量。Browne等［2］对车辆在城市道路上行驶时的减振器能量耗散进行了测量，4个液压减振器约以40～60 W的功率耗散热量。于长淼等［3］用CARSIM软件对四轮驱动的E-Class SUV车辆模型进行整车仿真，在C级路面以10 m/s的速度行驶时，减振器的热量耗散功率占发动机输出功率的42.3%。

减振器耗散的能量归根结底都来源于发动机或蓄电池，为减少能源浪费，很多学者探索了回收这部分能量的可行性。Nakano等人［4］证明:电磁主动悬挂的馈能过程回收的能量完全可以满足耗能过程所需要的能量，从而实现主动悬挂系统的能量自给。Hsu［5］估算了 GM Impact以16 m/s的车速在高速公路上行驶时，平均每个悬挂子系统的能量回收功率可达100 W，约为车辆驱动功率的5%。美国德克萨斯大学为美国军用战车设计了电磁式主动悬挂系统，对该系统和被动系统的能量需求进行的对比研究表明:在有弹性元件支撑车体静载荷的前提下，主动悬挂系统需要的能量明显小于被动悬挂耗散的能量［6］。喻凡等［7］以某型家用轿车为对象，将被动悬挂与主动悬挂的能耗进行比较，通过仿真表明:车辆以20 m/s的车速在C级路面上行驶20 s，被动悬挂系统减振器耗散了651 kJ的能量;而主动悬挂虽然充分利用所允许的悬挂工作空间进行隔振，明显改善了平顺性(车身垂向加速度均方根值较被动悬挂降低了近50%)，但需要消耗高达645 kJ的能量。如果能将悬挂振动的能量有效地回收利用，则可以大幅降低主动悬挂的能耗。梁经芝等［8］采用滚珠丝杠式电机作动器，基于自校正控制方法，分析了主动悬挂的能耗，结果表明:以15 m/s的车速在F级路面行驶10 s，耗能主动悬挂需要消耗289.3 kJ的能量，而馈能式主动悬挂不但实现了主动控制的能量自给，还能输出1.547 kJ的能量。

悬挂阻尼器所耗散的能量取决于路面不平度、车速以及整车的质量。装甲车辆质量较大，对机动性要求较高;行驶路面极端恶劣，则要求悬挂系统的动力学性能更好，同时馈能潜力也更大。

2 馈能悬挂的结构方案

正是看到了车辆悬挂振动能量可回收的潜力，学者们从20世纪80年代开始就对馈能悬挂展开了研究。目前，馈能悬挂主要有机械式馈能、电磁式馈能和复合式3种结构方案。

2.1 机械式馈能悬挂

机械式馈能悬挂的原理是用液/气压蓄能装置，以液/气压势能的形式存储悬挂的振动能量，并在一定的策略控制下释放，降低振动控制的能耗［9］。有的文献中将机械式馈能悬挂称之为静液式［10］。

Jolly等［11］提出一种基于液压机构的再生作动系统，将其应用于汽车座椅悬挂，通过一定的控制策略来回收振动能并控制座椅的垂向振动，试验表明:该系统不但有较好的减振性能，还可以回收一定的能量。尼桑公司开发了一种液压型馈能悬挂，将蓄能器和液压油缸结合，在压力阀的控制下，完成能量蓄积和释放，达到振动抑制的目的［12］。Noritsugu［13］将汽缸排出的废气回收存储，用于主动空气悬挂的控制，降低了悬挂控制的能耗。

机械式馈能悬挂是一种纯机械液压/气压结构，馈能效率高，可靠性好，结构简单，且使用寿命长，方便实现;但缺点是响应速度慢，回馈的能量再利用范围有限。

2.2 电磁式馈能悬挂

电磁式馈能悬挂的基本原理是将车轮和车体间的相对运动转化为直线或旋转运动，驱动电机输出电压，将机械振动能量转化为电能并存储，以用于悬挂系统的自供电或为其他电气设备供电。电磁式悬挂系统的作动器可以在电动机和发电机二者间切换，根据需要实现悬挂振动的主动控制和能量回收。电磁式馈能悬挂的作动器根据运动方式可以分为直线电机式和旋转电机式。

2.2.1 直线电机式馈能悬挂

直线电机式馈能悬挂用直线电机代替传统减振器，将车轮和车体间的直线相对运动机械能与电能直接相互转换，不需要任何中间的传动或转换装置。

Okada等［14-17］提出了电磁式馈能悬挂，以直线电机作为作动器，通过改变负载阻抗以调节阻尼力并回收能量，同时研究了该系统的隔振和馈能性能。Goldner等［18］设计了具有径向磁场的永磁直线电机用于回收车辆悬挂振动能量。Suda等［19-21］提出了一种2级悬挂系统，使用了2个直流直线电机，第1级悬挂电机称之为“馈能阻尼器”，将振动能量转化成电能储存在电容中，而第2级悬挂电机作为作动器使用这些储存的电能来实现主动振动控制，只要第1级电机回收的能量足够提供第2级电机需要消耗的能量，就实现该悬挂系统的自供电。他们将这种系统应用于载重货车，用底盘前悬挂的电机回收悬挂振动能量，为驾驶室悬挂电机提供主动振动控制所需的能量，提高驾驶员的乘坐舒适性［22］。他们还使用一个直流直线电机来实现具有主动振动控制功能和馈能功能的自供电式主动振动控制系统，将电机高速运动回收的能量用于驱动电机的低速运动［23］。Bose公司从1980年就开始秘密研究全主动直线电机式电磁作动器，于2004年才公开其开发的电磁式悬挂系统，其结构如图1所示，由扭杆弹簧支撑车身质量，轮毂阻尼器可提高车轮的接地性，并不将路面冲击传递至车体，4个内置功率放大器的直线电机用于控制车体振动，总功率为12 kW，处于电动机工况时，功率放大器向直线电机输送电能;处于发电机工况时，功率放大器回收电能。因此，该悬挂系统能够抵消道路冲击，显著降低车体振动，并在作动器收缩时可回收部分振动能量，从而降低能耗，该系统的功耗仅为车载空调的1/3［24］。

图1 Bose公司开发的电磁悬挂

直线电机式馈能悬挂的优点是运动部件少，机械摩擦损耗几乎为零，只需很少甚至无需维护，因此工作安全可靠，使用寿命更长。但其缺点是磁漏大、功率因素和效率低，故直线电机式馈能悬挂的馈能效率一般。

2.2.2 旋转电机式馈能悬挂

旋转电机式馈能悬挂利用传动机构将车轮与车体之间的相对运动转化为旋转运动，进而利用旋转电机进行振动控制和能量回收。按照传动机构的不同，旋转电机式馈能悬挂可以分为3种:滚珠丝杠式、齿轮齿条式和行星齿轮式。

1)滚珠丝杠式是最常用的馈能传动机构。Arsem［25］提出了用于车辆悬挂系统的滚珠丝杠式馈电减振器，将机械能转化为电能并储存在蓄电池中。Murty［26］提出了用于车辆悬挂的可变阻尼电动阻尼器，采用滚珠丝杠副将悬挂的垂直运动转化成旋转运动，驱动交流发电机发电，并用整流电路转化为直流电，通过负载电阻来耗散振动能量，改变负载阻抗的大小即可实现阻尼力可调。Suda等［27］也提出了另外一种电磁阻尼器方案，采用滚珠丝杠将车轮与车体间的直线运动转化为旋转运动，进而用旋转直流电机发电馈能，并通过仿真和试验分析了该悬挂系统的运动特性和馈能性能。为了提高馈能效率，他们又在滚珠丝杠式电磁阻尼器的基础上增加了行星增速机构［28］，建立了该阻尼器的模型，并对馈能性能进行了仿真分析。结果表明:当车辆在C级路面上以80 km/h的速度行驶时，能量回收功率为15.3 W［29］。张勇超等［30］在电磁式馈能减振器方面进行了理论和试验研究，他们对滚珠丝杠结构的电磁作动器进行了可行性及减振性能和馈能性能方面的特性试验，并将其应用于某轿车后悬挂结构，通过整车台架试验验证了减振效果和馈能效果。结果表明:该悬挂系统在低频激励下，能够达到悬挂的减振性能要求;在高频激励下，减振效果较差，同时馈能性能也得到了验证，但其馈电能力有限，有待改进。

2)齿轮齿条机构也被广泛用作馈能悬挂的传动机构。Suda等［31］使用了齿轮齿条结合旋转电机的馈能主动悬挂。美国德克萨斯大学和L-3公司等联合研制了电控主动悬挂系统(Electronically Controlled Active Suspension System，ECASS)，可根据实现总体平稳响应的需要，系统的作动器在电动机和发电机二者间切换。ECASS系统能够实现整车的操控及动力学性能的大幅提高，在越野条件下，ECASS主动悬挂系统可以有效地减小车辆的振动、纵向摇动及横向摆动，装有ECASS的“悍马”车越野速度提高了3倍，稳定性提高了5～10倍。该系统还能够将悬挂振动能量加以回收并统一储存和管理，从而提高整个系统的效能。该系统在军用车改装项目中已安装在HMMWV和“枪骑兵”战车等轮式或履带车辆上进行实车试验［32-34］。但该试验的主要目的是提高车辆的平顺性和机动性，而在节能方面有待提高。ECASS系统安装于HMMWV车进行实车试验时，使用的是齿轮齿条式的电磁主动悬挂，结构如图2所示。米其林公司(Michelin)于2008年开发了一种电控主动车轮(如图3所示)，将动力、制动和悬挂都集成于车轮之中，车轮中安装了2个电机，其中一个用于驱动车轮，另一个则用于控制主动悬挂系统，从而改善舒适性、操控性和稳定性。米其林公司声称该主动悬挂系统的响应时间仅为3 ms，并能吸收冲击能量［35］。Simens VDO 公司也正在开发名为eCorner的主动车轮系统。吉林大学的于长森等［36］基于齿轮齿条式馈能主动悬挂方案进行了仿真分析。

3)行星齿轮式电磁悬挂常用于重型车辆。美军的ECASS系统在“枪骑兵”战车上使用的是行星齿轮结合旋转电机的肘内式电磁主动悬挂，如图4所示。行星齿轮机构起到增速作用，将平衡肘的小幅摆动转化为电机所需的旋转运动。该悬挂系统的旋转电机和行星齿轮装置都集成于平衡肘内，结构紧凑，防护性极好。由于电机功率的限制，此系统只能用于20 t以下的车辆。

图4 美军的肘内电磁悬挂系统

旋转电机能量利用与回收的效率高，并且结构紧凑、可靠性好，但将其用于车辆悬挂时，需要一套传动机构将车辆与车体间的相对运动转化为旋转运动。滚珠丝杆式、齿轮齿条式或行星齿轮式的固定联接方式会导致电机随着往复振动而不断改变旋转方向，造成“惯量损失”。这不仅会极大地缩短电机寿命，也会使得电机总是工作于低效率工况，既不利于馈能也不利于节能。尤其对于越野车辆来说，过大的路面冲击极易造成传动机构的损坏，加之传动机构的保养维护比较困难，整个系统的寿命会大幅缩短。

2.3 复合式馈能悬挂

复合式馈能悬挂利用液压缸活塞的往复运动驱动液压油经液压马达转化为旋转运动，从而带动发电装置实现馈能。

美国LevantPower公司正在研发名为GenShock的复合式馈能减振器，该减振器的原理及结构如图5所示，采用一套整流管路和液压马达将活塞往复运动转化为持续的单向转动，从而驱动发电机馈电。他们做出的首个样品利用4个减振器可以产生总计800 W的持续电力，若在崎岖越野路行驶，则最高可产生5 kW的电力，约为普通汽车交流发电机所产生电量的7倍，可将卡车在铺装路面上的燃油公里数提高2% ～5%，军车提高6%，而混合动力车可将GenShock发的电储存起来，最高可节能10%。正是看到了馈能减振器的潜力，这项技术得到了美国通用公司、美国海军研究办公室、陆军战车研究开发工程中心的投资［37］。

徐琳［38］采用了类似的方案，提出了汽车液电馈能式减振器，并进行了仿真分析及特性试验，但方案还不够成熟，有待进一步深入研究。

复合式馈能悬挂方案既有液压系统的布置灵活性，又有电磁馈能的高效性，且不增加保养维护工作量。由于该方案将传统阻尼器以热量形式耗散的机械振动能转化为液压能用于驱动电机，降低了减振器的温度，并且阻尼特性由电机决定，排除了温度对阻尼特性的影响，提高了系统的阻尼稳定性。管路整流使得电机单向旋转而不受活塞往复运动的影响，避免了惯量损失，也提高了电机的寿命和效率。液力驱动加上蓄能器的缓冲作用使得悬挂系统能够经受恶劣路面的冲击，系统的可靠性好。复合式馈能悬挂的缺点是管路会造成一定的能量损耗。

3 尚需解决的问题及发展趋势

文献［9］中总结了馈能悬挂的几个核心问题及相关解决方案，但还存在一些问题尚待解决。

3.1 能量回收与振动控制之间的矛盾

悬挂系统的功能是缓冲和消除车体振动，而馈能则是回收车体和车轮之间的相对振动，馈能功率与振动度成正比。馈能型悬挂的作动器可以在能量回收或振动主动控制2种工况间切换。当作动器处于主动出力工况时，属于耗能器件;当作动器处于馈能工况时，其工作特性与被动阻尼器相同。虽然可以设计控制策略，根据路面激励及悬挂振动使作动器在2种工况间实时切换，但是仍存在2方面的问题:1)不能实现主动控制和能量回收的全过程并存，只有当期望的控制力与悬挂的相对速度方向相反时才能回收能量。此时，尽管可以通过调节负载达到阻尼力的分级控制，但难以实现连续变阻尼控制，因此减振效果也会大打折扣;2)电动机/发电机很难实现高频转换，限制了控制带宽。这2方面的因素使得能量回收效率与振动控制效果之间存在着矛盾。车辆行驶于较为平整的路面时，悬挂系统较为平稳，不需要对其振动进行控制，此时悬挂系统的馈能效率也低;而车辆行驶于极端恶劣的越野路面时，悬挂系统振动剧烈，此时要通过悬挂系统的振动控制来提高车辆的平顺性，进而提高机动性，但是此时也是振动能量回收的好时机。由于2种功能无法实现全过程并存，加之状态切换的影响，已有的馈能式悬挂系统往往采用折衷设计，而无法从根本上解决这一矛盾。

3.2 馈能效率的提高

虽然车辆悬挂系统振动能量的回收潜力很大，甚至一些学者的理论分析或仿真表明，被动悬挂耗散的能量足以提供主动悬挂振动控制所需的能量，但由于电磁主动悬挂无法实现全过程馈能，只有小部分的悬挂振动能量可被回收，加之能量转换装置的效率较低，使得实际回收的振动能量十分有限，悬挂系统的控制仍需要提供较多的外部能量。因此，振动控制仍然是其主要的研究方向，馈能效应仅作为其附属特征。而复合馈能悬挂由于没有惯量损失，能量回收效率较高，但其只能通过切换不同的负载来实现阻尼力的分级控制以适应不同的路面等级，因此振动抑制效果相对主动控制和连续半主动控制较差。在保证振动控制效果的同时，提高馈能效率是馈能悬挂应用的关键。

3.3 系统的可靠性

旋转电机式馈能悬挂由于传动装置的固定联接方式以及较大的转动惯量，恶劣路面的冲击和频繁的转向会导致传动装置和电机极易损坏，因此可靠性差。直线电机式馈能悬挂本身的可靠性较高，而一旦出现故障，悬挂系统就失去了阻尼元件。对于越野车辆，fail-safe特性是可控悬挂的设计准则，要求悬挂的可控元件出现故障时还能作为被动器件继续工作。因此，在可靠性方面，复合式馈能悬挂具有优势，即使电机或负载出现故障，还可通过调节阻尼阀快速地转化为被动阻尼器。目前对馈能悬挂的研究着重于原理的实现，而在可靠性方面缺乏考虑。

3.4 发展趋势

从总体上看，悬挂系统的振动控制和能量回收都是车辆工程较新的研究领域，将二者相结合，研究既能实现悬挂系统振动控制，又能实现振动能量回收具有特殊意义。如何在保证能量回收率的同时又能有效衰减车体的振动，是悬挂系统的发展趋势。能量回收效率与振动控制效果之间的矛盾是必须要突破的技术难题，其中一条可行的途径是将基于某些智能材料(例如电流变液、磁流变液)的阻尼器件与已有的馈能方案相结合，使得能量回收与振动控制2种功能独立开来，从而实现两者的全过程并存并保证各自的效果。Kim等［39］设计了一套用于钢索振动抑制的自供电智能阻尼系统，利用电磁感应装置收集钢索振动的能量为磁流变阻尼器供电抑制绳缆的振动，系统构成如图6所示。尽管此系统没有将馈电装置和阻尼控制装置集成，体积较大，不能应用于车辆悬挂，但为车辆馈能悬挂提供了设计思路。Chao等［40］设计了一种集成度较高的自供电式磁流变阻尼器，利用直线电机回收能量，为磁流变阻尼器的控制提供能量并进行振动控制，如图7所示。

4 结束语

与传统的被动悬挂系统相比，主动/半主动可控悬挂系统能够更好满足以上需求。然而，可控悬挂，尤其是主动悬挂的高能耗使其难以推广应用。馈能悬挂能够提高悬挂性能并降低能耗，将其引入极具馈能潜力的军用车辆具有重要的军事意义。

图7 自供电式磁流变阻尼器

针对馈能悬挂的研究从20世纪80年代就开始，围绕振动能量回收效率和振动控制效果等核心问题进行了探索和研究，获得了一些有价值的成果，但至目前为止还都处于理论研究和仿真试验阶段。有的方案在振动控制方面表现突出，却因为能耗问题难以推广应用;有的方案馈能效率较高，却在振动控制效果方面差强人意。能量回收和振动控制2种功能不能实现全过程并存，从而无法充分回收悬挂系统的振动能量，这就是已有的馈能悬挂方案无法解决振动控制效果和能量回收效率之间矛盾的根本原因。能够兼顾振动控制效果与能量回收效率的馈能悬挂是人们研究的主攻方向，也必将是未来悬挂系统的发展趋势。

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