结构参数对压电式馈能减振器俘能特性的影响

郝志龙 吕宝占

（河南理工大学，河南 焦作 454000）

0 引言

随着微电子技术的快速发展，以化学电池为主的供能方式的弊端也逐渐显露出来，如体积大、使用寿命短、特殊场合难以更换等。可替代能源的研究引起了人们的关注。振动是1种自然界普遍存在的物理现象，不仅声、光、热现象中包括振动，它还以机械运动的形式广泛存在，如桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动，汽车在崎岖不平的道路上行驶时的振动，机床和刀具在加工过程中的振动等。其中汽车减振器中的振动能量可以回收并转换为电能用于为微电子产品供能。振动能向电能的转换方式主要有压电式[1-3]、电磁式[4]、静电式[5]和摩电式[6]4种。应用于馈能减振器中多为压电式换能器。

液压筒式减振器是汽车悬架上最重要的原件之一，也是应用最广泛的减振器，在研究馈能悬架时主要以电磁式[7]、液-电式[8]、齿轮齿条式式[9]为主。其中电磁式汽车悬架响应速度较高，能量转换、存储和利用方便，但是电磁式馈能悬架结构复杂，制造精密性高，加工和后期维修成本较高。液电式馈能减振器的能量传递效率较低，并且设计不当容易造成空程崎变现象。齿轮齿条式如果加工安装精度差，会引起较大的传动噪声。如果在没有安装机械整流桥的方案中，电机转子频繁地正反转，这严重影响了电机使用寿命和馈能减振器的能量回收效率。

该文首先设计了馈能减振器的结构，建立FLUENT二维数学模型，以此模型为基础，改变数学模型中的结构参数、油液参数、充入气体的种类等得出在这些参数变化下馈能减振器有杆腔与无杆腔的压力差。运用Simulink仿真软件仿真得到不同参数条件下馈能减振器的俘能特性规律。

1 馈能减振器的结构原理

该文在结合双筒式液压减振器结构的基础上设计了1种压电式馈能减振器，其结构原理如图1所示。

压电式馈能减振器的结构主要由活塞缸、活塞总成、密封、活塞杆、内缸筒、外缸筒、补偿室以及底阀组成。液压缸无杆腔与无杆腔的油液通过活塞总成中的常通孔相连，无杆腔的油液经底阀上的压缩阀和补偿阀连接补偿腔，馈能减振器压电振子产生的电能由活塞总成中的导线通过中空活塞杆储存在减振器外部的储能器中。

图1 压电式馈能减振器结构原理图

2 压电式馈能型液压减振器工作原理

减振器处于压缩行程时，底阀中压缩阀工作。下腔中的一部分油液经过常通孔流入上腔，而另一部分油液则经过压缩阀流入储油腔，油液经过压缩阀和常通节流孔产生压缩节流压力。当减振器速度低于压缩行程开阀速度时，压缩阀不开阀，油液仅流经常通节流孔而产生节流压力；当减振器速度大于压缩行程开阀速度时，压缩阀开阀，油液流经常通孔及节流阀片变形形成的节流缝隙，产生节流压力。

减振器处于复原行程时，减振器活塞杆相对腔室拉伸，此时减振器活塞向上移动。活塞上腔油压升高，上腔内的油液便通过活塞上的常通孔流入下腔。同样，由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液不足以充满下腔做增加的容积，在压差的作用下，储液腔中的油液便通过底阀上的补偿阀流入下腔。

从工作原理可以看出：在压缩行程中，油液流经压电式馈能减振器的常通孔及压缩阀片变形所形成的节流缝隙，产生节流压力，起到了传统悬架的作用；而在复原行程中，油液流经常通孔和补偿阀，产生的阻尼力能够迅速衰减振动，这一过程起到了减振的作用，而在2个行程中压电振子都会产生变形，产生电压和电能，进而回收了本应该以热能形式耗散掉的汽车能量。

3 求解压电振子发电电压与电能

馈能液压减振器中的压电振子在载荷作用下产生了弯曲变形，其中均布载荷q=P1-P2，P1为有杆腔的油液压力，P2为无杆腔的油液压力。

3.1 馈能减振器产生的电压

压电振子在载荷作用下产生的电压公式如公式（1）所示。

其中：

式中：g31为压电电压常数；D为活塞缸直径；Epzt为压电陶瓷的弹性模量；νpzt为压电陶瓷的泊松比；hpzt为压电陶瓷的厚度，mm；hp为基板的厚度，mm；νp为基板的泊松比；C3为基板与压电陶瓷的厚度比；δ为基板与压电陶瓷的弹性模量比；η为压电材料与基板复合等效泊松比；λ1为压电材料与基板复合的等效弹性模量；λ0为压电材料与基板复合的等效弯曲刚度。

3.2 馈能减振器产生的电能压

电振子在载荷作用下产生的电能公式如公式（2）所示。

式中：Eg为压电振子产生的电能；为恒应变下介电隔离率。

4 建立馈能减振器FLUENT二维数学模型

结合馈能减振器的结构原理图，构建馈能减振器简化模型，如图2所示。

馈能减振器的活塞总成中，为了考虑压电材料和基板的工作区域，以及尽可能地将其表面面积设计最大，因此在模型中，活塞总成上只设计了2个常通孔和压电材料与基板。馈能减振器的底座部分有2个阀分别是压缩阀和补偿阀，无论减振器在压缩行程还是在复原行程时，底部都是1个阀在工作，因此在FLUENT仿真时，将底部设计为1个阀门。

图2 馈能减振器FLUENT仿真数学模型图

5 压电式馈能型液压减振器FLUENT仿真

由于减振器运动的周期性，且压缩和拉伸过程时油液流动大体相同，因此下面以压缩过程为例分析了减振器流场参数分布和变化情况。如图3所示为某一工况下减振器压缩过程时的内流场压力分布云图，由于计算是基于油液的不可压缩性，油液具有压力的传递性，所以同一个腔内油液压力基本相同。工作时上下腔压力明显不同，最大压力位于工作紅下腔，上下腔主要区域压力变化基本相同，只在常通孔区域会有较为明显的颜色变化，这与减振器的实际工作情况相符。

图3 馈能减振器内流场压力分布云图（左侧为馈能减震器内流场压力值）

减振器在工作时，上下腔处于导通状态，因此活塞作为上下腔的连接处，其压力分布会出现明显的变化。图3为馈能减振器内部油液压力分布云图，由图4可以看出活塞杆运动时有杆腔和无杆腔有明显的压力差，根据减振器内部油液的流动情况，显然压力发生突变的位置会出现在常通孔和节流孔处。

6 结构参数对馈能减振器俘能特性的影响

设置馈能减振器活塞杆的运动为正弦运动，通过改变馈能减振器二维数学模型中常通孔直径、底阀过流直径，导出在不同结构参数下馈能减振器有杆腔和无杆腔的压力差，再通过Simulink仿真软件分析结构参数对馈能减振器俘能特性的影响。

由图5（a）可知，常通孔的直径dz对压电振子产生的开路电压和电能有显著的影响，由图5（b）电压和电能随着阻尼孔的直径dz的增加而减小，参数改变对悬架俘能特性的影响在还原行程比压缩行程更加明显。

改变底阀的直径进行仿真实验，得到图6（a）为底阀过流直径dj对压电振子产生的开路电压的影响，图6（b）为底阀过流直径dj对压电振子产生的电能的影响，由图可以看出，压电式馈能减振器产生的电压和电能随着底阀直径的减小而增大，再还原行程，底阀直径对产生的电压和电能不产生影响，但是在压缩行程中却产生了显著的影响，并随着直径的减小，电压和电能的变化会越来越明显。

7 结语

通过馈能减振器的结构原理图建立FLUENT数学模型，在此基础上通过改变减振器的常通孔参数、底阀过流直径参数得到这些参数的变化对馈能减振器有杆腔与无杆腔的压力差的影响。再结合Simulink仿真软件仿真得出在不同结构参数下馈能减振器的俘能特性曲线。仿真结果表明，在馈能减振器中活塞杆的运动为正弦运动下，馈能减振器产生的电压和电能随着常通孔直径的增加而减小；随底阀过流直径的增加而减小。

图5 常通孔直径对馈能减振器俘能特性的影响

图6 常底阀过流直径对馈能减振器俘能特性的影响