馈能悬架的设计与仿真分析*

李华辰，孙 凤，单光坤，周 冉，金俊杰，张晓友

(1.沈阳工业大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110870；2.日本工业大学 机械工学科,日本 埼玉 345-8501)

0 引言

车辆行驶过程中，传统阻尼器将车轴与车身之间的振动以热能的形式耗散在空气中，这部分热能既影响到车辆的工作性能和使用寿命，又是一种能源浪费。所以，将振动能量回收并利用也成为国内外研究学者的热门课题。馈能悬架将车辆振动能量转化为电能储存或二次利用，在提高车辆平顺性的同时回收振动能量，以减小车辆的能耗。Tvrdi等[1]提出了一种液压式馈能悬架的设计方案，采用独特的算法来计算悬架的动态强度；通过计算，1500 kg的车辆可获得最大馈能功率526 W和平均馈能功率224 W。重庆大学的王戡等[2，3]将直线电机与磁流变减振器相结合，设计出一种新式汽车馈能式磁流变半主动悬架，通过直线电机将振动能量转换为电能，并使用馈能电路回收能量，为半主动悬架提供电能。Guo等[4]设计出一款用于重型车辆的液压电磁式馈能悬架，为了研究其特性，建立了动态模型并仿真分析高压蓄能器和惯性对馈能电压的影响。上海交通大学的喻凡等[5-7]通过仿真设计并制造出一款滚珠丝杠式电磁作动器，针对电磁作动器的力特、随动特性进行仿真分析，并进行实车试验来验证该方案的可行性。Okada等[8,9]开发了一种新型馈能减振器，旨在不损失减振效率的同时降低能耗；并通过台架实验验证了该系统较纯被动减振系统具有更好的减振性能，且能够回收能量；为了克服死区的问题，引入升压斩波器，更有效地提高了能量回收效率。

本文针对车辆悬架能量浪费的问题，设计出一种新型二自由度能量回收系统。该系统能够在较小的体积下实现无接触、无摩擦、无需润滑和转换装置的情况下将振动势能转化为电能，并对所设计的馈能悬架系统进行仿真分析。

1 馈能悬架的工作原理与结构

1.1 馈能悬架的工作原理

馈能悬架的能量回收系统是基于法拉第电磁感应定律所设计的，其工作原理如图1所示，当悬架处于工作状态时，由于崎岖路面引起的振动使车身与轮胎产生相对运动，线圈在磁场中做切割磁感线运动产生感生电动势，并经过馈能电路处理后，可实现无接触、无摩擦、无需润滑地将振动势能转化为电能，提高汽车的能量利用率。图1中，mc、mw分别为车身质量、轮胎质量，kc、kw分别为悬架刚度、轮胎刚度，xc、xw、xl分别为车身位移、轮胎位移以及路面激励的幅值，Fs为能量回收装置所产生的安培力。

图1 磁力馈能悬架工作原理图

1.2 磁力馈能悬架结构

磁力馈能悬架结构如图2所示，磁力馈能悬架能量回收系统与悬架弹簧并联，主要分为定子和动子。其中，定子由充磁方向相反的两块永磁环、引导磁路走势的软铁环、形成闭合磁通回路的外铁环以及固定柱构成；动子由骨架与线圈构成。线圈以交替方向缠绕，用于回收悬架的振动能量。当振动产生时，动子相对于定子在轴向做往复直线运动，线圈切割磁感线产生感应电动势。

图2 磁力馈能悬架结构示意图

为了加强能量回收效率，选用钕铁硼作为永磁环的材料，选用导磁性较高的DT-4C作为软铁环和外铁环的材料，选用不导磁的铝合金6061作为固定柱和底座的材料，为了降低涡流效应，选用聚四氟乙烯作为骨架的材料。

2 磁力馈能悬架模型的建立

为了便于研究磁力馈能悬架能量回收系统的特性，将轮胎等效成一个可以忽略阻尼的弹簧，并根据图1建立一个2自由度磁力馈能悬架系统的数学模型。在能量回收装置工作时，绕组线圈内产生感应电流，同时产生的安培力用来代替原有被动悬架的阻尼力。根据牛顿第二定律可以得出能量回收装置运动方程：

(1)

其中：l为绕组线圈的长度；i为绕组线圈中的电流；B为绕组线圈所处气隙中的磁感应强度；Lcoil为绕组线圈的电感；Rcoil为绕组线圈的内阻；Rload为负载电阻。

为了准确估计能量回收装置的输出电压，需建立馈能模型，对式(1)进行拉普拉斯变换得：

(2)

从而得出车身位移、轮胎位移对路面激励的传递函数如下所示：

(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).

当S=jω，悬架动行程(xc-xw)对路面激励的幅频特性为：

(5)

若以正弦激励xl=Xsin(ωt)作为路面输入，能量回收装置所产生的感生电动势U0可表示为：

(6)

其中：X为正弦激励的幅值；ω为正弦激励的频率；K为电动势系数，可表示为K=Bl。

式(6)表明能量回收系统的输出电压与馈能悬架结构参数、路面激励和外接负载阻值有关。若悬架系统参数确定后，可通过改变外接负载阻值来调节能量回收系统的输出电压。

3 磁力馈能悬架的仿真分析

本节采用MATLAB/Simulink仿真软件对磁力馈能悬架系统的输出电压特性进行仿真，仿真流程如图3所示。当路面激励输入到馈能系统时，馈能悬架定子与动子之间产生相对运动，线圈切割磁感线，从而产生感应电动势，进行能量回收。由于线圈的往复运动，回收的电能属于交流电信号，经过整流处理后转换为脉动直流电信号，但仍然无法直接为负载提供一个稳定的电压，故使用滤波电容对整流后的电压进行滤波，处理后的电压为纹波电压，存在较小的电压波动，可直接为车载的传感器供电，或储存到储能元件中。由于能量回收装置工作时，气隙中的磁感应强度B和磁场中线圈长度l的乘积为变化量，所以为了研究电动势系数K=Bl需进行仿真分析。

图3 磁力馈能悬架仿真流程图

以5 mm、5 Hz的正弦激励作为路面输入，馈能悬架的电动势系数K和悬架动行程如图4所示。在正弦激励频率为5 Hz时，不同幅值下馈能悬架输出电压如图5所示。馈能悬架在5 mm、5 Hz正弦激励时的峰值输出电压为14 V。

图4 电动势系数K和悬架动行程

图5 不同幅值下馈能悬架输出电压

当正弦激励的幅值增大时，馈能悬架的动行程增大，磁场中线圈长度l随之增加，从而导致馈能悬架电动势系数K提高。馈能悬架的输出电压与正弦激励幅值正相关，究其原因是：正弦激励的幅值增大引起馈能悬架的动行程增大，在单位时间内，馈能悬架动子的运动速度加快，即线圈切割磁感线的速度提高，使得馈能悬架的输出电压随之上升。

4 结论

本文设计了一种磁力馈能悬架，将悬架的振动势能转化为电能，以提高汽车的能量利用率。介绍了磁力馈能悬架的工作原理以及结构，并建立磁力馈能悬架的运动方程和馈能模型。最后使用MATLAB/Simulink仿真软件对磁力馈能悬架系统进行仿真分析，以5 mm、5 Hz的正弦激励作为路面输入，研究了馈能悬架的电动势系数；在正弦激励的频率为5 Hz时，研究了幅值分别为5 mm、10 mm、15 mm的工况下，馈能悬架的输出电压特性。