某电动汽车馈能悬架设计及其发电效率仿真

李长玉 林嘉蓉

（广州城市理工学院汽车与交通工程学院，广东 广州 510800）

0 引言

近日发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中提到，经过未来5年发展，中国新能源汽车的年生产销售额将要占汽车总量的25%，即新能源的年销量将达到700万辆。汽车的传统被动悬架无法根据车辆运行状况自动调节，因此在行驶过程中不能同时满足车辆的操纵性和平顺性，并且传统被动悬架减少振动的过程中白白浪费掉了很大一部分的能量，因其通过阻尼器将悬架振动能量转化为热能，这与现代社会提倡的“节能减排”背道而驰[1-3]。因此当下汽车行业的研发难题是如何将车辆行驶过程中悬架振动能量有效转换为车辆可利用的能量。馈能型主动悬架或许能解决该难题，这是一款同时具备馈能和减振效果的悬架。这款悬架安装了能量回收设备，可将悬架中的振动能量转化为车辆其他部件可利用的能量，有利于汽车的节能环保，又能兼顾汽车的行驶操纵性和平顺性，非常符合当下社会对节能环保的时代要求。

该文对直线电机式馈能悬架的弹性元件、导向机构、减振器、直线电机进行设计计算，并使用三维建模软件CATIA进行悬架各部件的建模。最后利用COMSOL软件进行仿真分析，计算直线电机式馈能悬架的效率。

1 直线电机式馈能悬架建模

1.1 馈能悬架的类型及选取

馈能悬架主要分为机械式和电磁式2种。机械式馈能悬架指使用适合于悬架的机械传动机构将受到路面激励时车轮产生的振动能量传给液压的储存罐，在需要时放出储备能量用来减少车身和车轮的振动和能量消耗。该装置回收再利用能量的过程如下。1）进油过程：悬架伸展时，馈能装置中的增压包开始工作，使液压油从油箱经过阀门（馈能装置中所有阀门都为单向）和输油通道输进馈能液压缸的上部分空间，即为进油过程。2）馈能过程：悬架压缩时，馈能液压缸中的活动活塞具有向上活动的能量，上部空间有压力，使阀门打开，油液经过阀门油通道进入蓄能器，即为馈能过程；与此同时馈能装置提供馈能阻尼力给簧载质量，蓄能器中存储积累的液压能可以提供给车辆上液压耗能部件。

电磁式馈能的原理从物理本质上来讲，就是将线圈和磁场安装在簧载质量和非簧载质量上，二者用机械传动机构连接。机械传动机构有多种，如齿轮齿条式、滚珠丝杆式、曲柄连杆式以及直线电机式等[4-5]。

1.1.1 齿轮齿条式

当汽车受到道路激励产生振动能量时，齿轮齿条机构可以将悬架的线性运动转变成电动机转子的旋转运动，运用该原理驱使电动机发电，并存储和再使用此电能。该机构在1995年被人提出。

1.1.2 滚珠丝杆式

由于滚珠丝杆机构是无间隙配合，因此传动效率和能量反馈效率都比较高。又因为滚珠丝杆和电机需要布局在同一直线上，结构尺寸不同于传统减振器，所以具有易于安装、安装空间小的优点。但不足之处是，该悬架的关键部件滚珠丝杠和馈能电机制造成本高。

1.1.3 曲柄连杆式

在传统悬架上加设曲柄连杆机构，曲柄连杆机构将悬架的线性运动转化为电动机转子的旋转运动，以驱使电动机发电，并最终存储和再利用该电能。但是该悬架存在缺点：一是曲柄连杆式悬架依然采用传统减振器，悬架振动能量大部分以热能的形式白白浪费掉，馈能效率不高；二是曲柄连杆机构体积大，占用空间大，安装非常不方便。

1.1.4 直线电机式

当汽车受到路面激励产生振动时，直线电机将车身的纵向振动能量转化为电能，并最终存储和再利用该电能。再利用电能时，将电能转换为线性运动，以此提供阻尼力给悬架。

分析以上几种可选的馈能悬架结构方案，电磁式馈能悬架更适合用于实际生产生活中，因此该文研究中采用直线电机式的电磁式馈能悬架结构。

1.2 悬架主要参数的选取及确定

该研究选取某纯电汽车进行设计计算，车辆具体参数如下[6]，见表1。

表1 车辆的具体参数

计算悬架的静挠度fc，指当汽车满载时悬架上的载荷Fw与悬架刚度c之比。

现代汽车的质量分配系数ε近似取1，前车身固有频率n1（又称偏颇）计算如下。

其中c1为前悬架刚度，m1为前悬架的簧载质量。当悬架的弹簧特性为线性方程时，前悬架的静挠度fc1计算如下。

其中g取9.8。将式（3）代入式（2）中计算如下。

满载时，前悬架偏颇要求为1.00Hz～1.45Hz。取n1为1.2Hz，根据公式计算如下。

悬架的动挠度fd，指车轮中心相对车身的最大形变位移，对于乘用车，fd取70mm～90mm。该研究取d=80mm。已知整车整备质量m=1520 kg，取簧上质量1440 kg，簧下质量80kg。空载时前轴单轮轴荷取50%则前悬架的簧载质量m1的计算如下。

满载前轴单轮轴荷取50%，则后悬架的簧载质量m2的计算如下。

悬架刚度计算如下。

直线电机线圈电流需要密度适中且有一定阻力，当电流在线圈中流动时，电流会发生损耗，线圈温度升高。可通过增加线圈直径和减少电流的疏密程度来减小电阻，但需要改善线圈材料和改变线圈的数量。增加线圈面积可以增强铁芯的磁密度和励磁电流大小。通常直线电机取3A/m2～7A/m2。

1.3 馈能悬架三维建模

该文采用CATIA软件对该电动汽车馈能悬架进行三维建模建立的模型主要机构包括悬架螺旋弹簧、悬架导向机构、悬架导向机构和直线电机。该软件是法国达索公司发布的一款的解决多项方案的软件。作为PLM协作解决方案的重要组成部分，通过建模协助工程师们研发未知的模型。从1999年开始它逐渐成为世界上最受欢迎的产品开发系统。是汽车行业的标准，是欧洲、北美和亚洲顶级汽车制造商使用的核心系统。该软件在汽车的外型、车身及发动机设计等方面具有独特优势，并为各种车辆的设计和制造提供了端对端的解决方案。该软件涉及3个关键领域：产品、加工和人员。该软件的可扩展性和并行工程能力可以极大地缩短产品上市时间。

软件使用步骤：1） 首先打开CATIA软件，单击开始菜单，查看下拉列表，可以看到CATIA分为很多的大模块，有基础结构、机械设计、外形设计以及分析与模拟等，最常用的为机械设计以及外形；2） 单击机械设计，弹出一系列小的模块，其中有最常用的零件设计、装配设计以及工程制图，零件设计用于零部件实体；装配设计用于将各部件装配在一起，形成总成或产品；工程制图用于将3D模型转化为2D工程图；3） 以零件设计为例“依次单击开始＞机械设计＞零件设计，进入零件设计草图，左上角为零件的树形结构图，包括3D坐标平面xy、yz、zx平面。创建的实体会生成在零件几何体中；4） 右边为工具栏，包括用于创建实体特征的所有命令，最常用的命令为草图命令、凸台命令、凹槽命令等，草图命令用于创建3D实体的草图；5） 选择XY平面，单击草图命令，进入草图界面，可以看到草图界面包括创建二维草图的所有命令包括直线、轮廓、样条线、矩形、圆以及约束命令等。在使用的过程中，首先通过绘制草图的形状，然后通过约束命令对形状进行约束，然后退出草图，对草图进行最基本的拉伸、旋转、对称等命令的操作，这样就可以完成最简单的CATIA实体建模。

其中零部件图和馈能悬架系统装配模型图分别如图1和图2所示。其中图1（a）为悬架的螺旋弹簧，在汽车运行过程中起到缓冲的作用。图1（b）为悬架的导向机构，在汽车运行过程中起到导向的作用，图1（c）为汽车减震器，工作过程中油液耗散的能量可以起到减震的作用，图1（d）为馈能悬架的直线电机模型。其作用是通过作动器带动发电。

图1 馈能悬架零部件图

使用CATIA的装配设计功能，导入设计好的各部件模型，使用约束功能，建立馈能悬架系统装配模型。装配好的模型如图2所示。图2的装配关系减震器在螺旋弹簧中心。发电机在整个悬架底部，工作时通悬架悬架振动，通过作动器带动发电机发电。

图2 馈能悬架装配图

2 馈能悬架电机仿真

为了清晰体现馈能悬架的性能，设置凹凸高度为4 cm，宽度为7.5 cm，持续路面颠簸，道路轮廓线设为矩形波函数。另外，设车辆行驶的平均速度为40 km/h，道路激励在车轮的底端，只假设左侧的车轮在不平的道路上行驶。参数设置见表1[7]。

表1 COMSOL仿真参数表

从仿真的结果来看，可以观察到车辆左前轮和左后轮的道路激励情况和前后轮励磁的相位差。在给定的道路激励下，横向摇动的旋转比俯仰的旋转要大很多。横向摇动、俯仰通过分析，在正弦的道路激励振幅即X=20 mm，圆形频率ω=20rad/s的工作状况条件下，车辆和车轮的自身频率越靠近道路激励频率，车辆的加速度越大，导致汽车的乘坐舒适性越低。道路传递振动的能力越高以及悬架馈能越高，二者成正比。当车身自身频率与道路激励频率相同时，汽车的乘坐舒适性最低。证明在确定汽车的悬架动挠度和轮胎载荷的情况下，悬架的馈能效率和车辆车身加速度之间存在直接关系。因此在确保汽车的乘坐舒适性的前提下，馈能悬架最大程度地回收受到道路激励时产生的振动能量，提高馈能效率。仿真结果表明，当汽车在受到正弦的道路激励行驶时，道路激励频率与车身加速度存在一定关系，输入作动器中的能量与直线电机输出的能量也存在一定关系。道路激励频率越大，悬架馈能输出的能量越大，并且经过直线电机将机械能转化成电能的效率也越高。然而，这是以牺牲汽车的乘坐舒适性作为代价的。当道路不平坦度、振幅增大时，馈能悬架的阻尼性能也会降低。主动悬架的关键在于使用主动控制来达到主动悬架的下一个状态，如果将主动悬架的控制算法添加到主动控制逻辑中，使馈能悬架具有主动悬架的反馈和性能。这样对汽车振动能量回收再利用，馈能悬架比其他形式的悬架具有优势。

3 结语

该文对电动车的馈能悬架做了介绍。对直线电机式馈能悬架各部件的设计进行计算，用CATIA软件完成了各部件的建模与组装。然后利用仿真软件对悬架动力学模型进行仿真模拟分析。结果表明，悬架系统的各参数选择合理，可以满足设计要求。研究过程仍然存在很多不足：1）仿真模拟需要在不同的条件、不同的道路坡度下进行，研究悬架的性能，并在驾驶条件下采用控制策略来控制车辆的俯仰角，避免导致汽车中的“点头”现象；2）在车型选取、各零部件的参数确定时，应该更全面计算有关数值。改善直线电机结构、悬架参数和馈电电路参数，提高悬架的馈能效率。