可控阻尼车辆半桥式液压馈能减振器设计及分析.pdf

第21卷第4期2023年8月Vol.21 No.4Aug.2023中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY可控阻尼车辆半桥式液压馈能减振器设计及分析喻怀斌1，卢银菊1，谢忠兵1，皮杨勇1，张强2（1.内江职业技术学院 智能制造与汽车学院，四川 内江 641100；2.电子科技大学 机械与电气工程学院，四川 成都 611731）摘要:为了进一步提高车辆运行稳定性和节能效果，设计了一种可控阻尼车辆半桥式液压馈能减振器。以半桥式液压馈能减振器为对象，创建相应动力学模型，并开展仿真分析。研究结果表明：在外接电阻变小或者激励频率增加时，均会引起馈能功率增大；采取行程复原形式来回收能量不会引起能量回收状态改变。调整激励频率可获得大致相同馈能效率，其调整幅值大约为4%；在外负载从10 增加到100 后，馈能效率由40%降低至8%；在电阻率升高会产生更加缓和降低趋势。在50 外负载环境下，压缩阻尼力为-2 838 N、复原阻尼力为-6 891 N，均为最大值，符合目标阻尼的需求。此结构优点在于无需频繁进行启停切或者运动换向操作，确保液压油路产生优异整流功效。关键词:液压系统；馈能减振器；数学模型；等效可控阻尼力中图分类号:TH 137 文献标志码:A 文章编号:1672-5581（2023）04-0333-05Design of vehicle half-bridge hydraulic energy regenerative shock absorber based on controllable dampingYU Huaibin1，LU Yinju1，XIE Zhongbing1，PI Yangyong1，ZHANG Qiang2（1.School of Intelligent Manufacturing and Automotive，Neijiang Vocational and Technical College，Neijiang 641100，Sichuan，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，Sichuan，China）Abstract：In order to improve the stability of vehicle operation and energy saving effect，a controllable damping vehicle half bridge hydraulic energy regenerative damper was designed.Taking half bridge hydraulic energy regenerative damper as the object，the corresponding dynamic model is created，and the experiment is carried out.The results show that the energy regenerative power increases when the external resistance decreases or the excitation frequency increases.The scheme adopts the form of stroke recovery to recover energy，which will not cause the state of energy recovery to change.The energy regenerative efficiency can be roughly the same by adjusting the excitation frequency，and the adjustment amplitude is about 4%.When the external load increases from 10 to 100，the energy regenerative efficiency decreases from 40%to 8%.After the resistivity increases，there will be a more moderate downward trend.Under the external load of 50，the compression damping force is-2 838 N and the recovery damping force is-6 891 N，which are the maximum values and meet the requirements of the target damping.The advantage of this structure is that there is no need for frequent start-stop or motion reversing operation to ensure that the hydraulic oil circuit produces excellent rectification effect.Key words：hydraulic system；energy regenerative shock absorber；mathematical model；equivalent controllable damping force 基金项目：四川省级高技能人才培训基地建设项目资助（NZ2018C07）；四川省教育科研课题（SCJG20A295）作者简介：喻怀斌（1973），男，副教授。E-mail：第21卷中 国 工 程 机 械 学 报汽车悬架是车辆底盘不可或缺的构成部分，其主要功能是将车轮和车身相连，同时对车辆行驶时的振动有明显衰减及缓冲作用1-2。对传统悬架而言，其减振及缓冲作用主要是借助阻尼阀等零部件，使振动能量转变成热能耗散。悬架能量回收系统既具有能量回收功能又具有减振及缓冲作用的悬架系统，该系统的重要元件是馈能减振器3-4。液压储能悬架能够将悬架于振动过程中振动能通过气压或者液压方式加以储存，在释放能量时便可利用阀件、输送管道等输出能量，向运动元件提供动力5-6。对于馈能减振器种类划分，可采取传统方式，同时其运动方式应能够被发电机有效应用7。馈能系统，可利用发电机对能量进行接收，然后利用储能元件回收且将电能存储起来8。张玉新等8在原理样机基础上展开台架测试，此液压式减振器不仅具有能量回收的作用，而且还能有效匹配各类车辆的特殊示功要求。Galluzzi 等9提出全新的液压再生减振器，以角运动取代直线运动，同时适当调整集成电机；马达泵模块是其阻尼装置的核心部件，与液压缸结构相连。Bowen等10研究了基于电缆传动及滚珠丝杠传动2种类型旋转弹流润滑系统的能量回收潜力，实验以 2 种完全不同的车辆当作参考，其减振器都具有相应的特性曲线，并且提供不同道路及车速条件下的结果。Abdelkareem11着重研究各种行驶环境下各类车型利用馈能悬架的回收能力，采取实验方式对潜在回收功率展开验证分析。本研究以半桥式液压馈能减振器为对象，针对各电路部件及液压零件创建起动力学模型，同时进行仿真分析。本研究能确保液压油路产生优异整流的功效，使得其在能量回收方面有着大量运用。1 馈能减振器设计 1.1液压馈能减振器原理分析在针对液压馈能减振器进行设计时，应当做到以下2点：应具有类似于传统悬架的减振特性；应将损耗控制在最低水平且具备能量回收功能。满足如下要求12：（1）确保可以在振动器沿着垂直方向运动时，振动能量转换成液体流动的液压能，实现驱动液压马达转动的目标，防止由于频繁的换向运动而造成能量发生损耗。（2）在传统减振器满足阻尼性能需求时，可借助最优调节方式以得到阻尼力更广的调节范围，保证能够达到后期半主动控制液压馈能减振器的目的。1.2半桥式液压馈能减振器半桥式液压馈能减振器原理如图1所示。相较于全桥式减振器，半桥式减振器结构显得更加简单，同样还可以做到液压马达的单向运行；与此同时，由于受到系统整体设计结构造成的影响，与传统减振器相比，其复原行程和压缩行程阻尼力的比值显得更加接近13。压缩行程阶段，液压缸活塞杆始终维持向上运动形态，无杆腔的体积减小，同时有油液向外排出，通过对单向阀2分析可知，油液压差与开启方向呈相反状态；在阀体关闭后，高压油液通过单向阀1流入有杆腔。除此以外，有、无杆腔的体积有着不同程度的偏差，多余油液受液压马达的作用进入执行器。单向阀2的左侧部分都包含高压油液，产生不同的开启方向和压差，所以此油液则会被保存在储能部件的蓄能器中。复原行程阶段，液压缸活塞杆的运动方式是“从上到下”，导致有杆腔体积的不断缩小，同时持续向外排出油液；在此情形下，单向阀1的油液压差与开启方向是完全相反的。在关闭以后，高压油液通过液压马达驱动油液进入到蓄能器中，并且同时汇入至无杆腔内。2 等效可控阻尼力动力学建模 通过对液压馈能减振器的运行机理展开研究发现，等效可控阻尼力主要是在反电动势作用下形成的，需要馈能模块创建合理分析模型14。根据图图1半桥式液压馈能减振器原理Fig.1Schematic diagram of half bridge hydraulic energy regenerative damper334第4期喻怀斌，等：可控阻尼车辆半桥式液压馈能减振器设计及分析1可知，液压油主要是以单向形式来驱动液压马达的，在释放能量以后，油压则会有所下降。按照不同零部件的具体情况特征推演出相应可控阻尼力，基于液压马达油压和各种流量间的相应关系，且建立馈能功率与阻尼力的表达式。在图1基础上，构建如下关系式：Pu=22Jvq2mQin+22ktkevq2m()Rin+RexQin（1）式中：Rin为发电机的电阻；Qin为电感；Rex为外负载；ke、kt分别为反电动势常数和扭矩常数；v、m分别为容积效率和机械效率；J为转动惯量；q为马达的排量。此处仅针对可控压降展开研究，同时将其运用在执行器活塞的两端，对其等效可控阻尼力进行计算。假设执行器下腔和上腔的可控油液压强分别是Pdown、Pup，在复原行程中满足如下关系：Pup=P0Pdown=0，v(t)0（2）式中：P0为预充气压力。在压缩行程过程中，存在如下关系式：Pup=P0Pdown=P0，v(t)0（3）基于上述公式获得如下等效可控阻尼力Fs计算公式：Fs=3ktkev()d21-d202v()t4q2m()Rm+Rex，v()t 0-3ktkevd40v()t4q2m()Rm+Rex，v()t 0（4）式中：d1、d0分别为液压缸的缸径和活塞杆直径。然后，建立关于可回收馈能功率Pr计算公式：Pr=4k2e2v()d21-d202Rex8q2()Rm+Rex2v2()t，v()t 04k2e2vd40Rex8q2()Rm+Rex2v2()t，v()t 0（5）在机械结构参数明确以后，2种不同行程的馈能功率同时受到负载电阻和激励速度的作用。3 仿真分析 3.1仿真参数设置所谓“液压馈能减振器可控阻尼力”主要是指发电机在液压马达的作用下进行发电，则会在发电机内产生反电动势而形成阻尼力；在发电机转速不变情况下，如果电路负载有所改变，则电路电流值同样会出现改变。经过对电流值适当调整，发电机会产生完全不同的反电动势，以此实现减振器阻尼力控制的目标。建立关于液压馈能减振器的理论模型，计算可控阻尼力，其具体参数设置情况见表1。其中，可调节的参数是外负载，其他参数都是固定数值。3.2外负载对馈能特性的影响通过各种激励频率获得馈能功率，激励频率0.6 Hz时馈能功率随负载变化结果如图2所示，外负载30 时馈能功率随激励频率变化结果如图3所示。从图2、图3可看出，在外接电阻变小或者激励频率增加时，均会引起馈能功率的增大；在出现压缩时，液压马达产生的流量相对较低，维持较为平稳的馈能功率，复原行程中液压马达流量较大，馈能功率有大幅度变化。在10 外负载环境下，其回收功率峰值高达258 W。在空载断路条件下，馈能功率为0，系统振动产生的能量经由固有阻尼转化为热能且向四周发散。在前半段行程中，由于受蓄能作用带来的影响，形成较小的馈能功率，因为本文所提方案是采取行程复原形式来回收能量，不会引起能量回收状态发生改变。除此以外，发现存在功率突然变化现象，同时释放出蓄能器压力，造成示功特性发生显著变化。表1阻尼力参数表Tab.1Damping force parameter table参数液压马达发电机液压缸液压油蓄能器排量q/mL容积效率hv机械效率hm内阻Rin/外负载Rex/反电动势常数Ke扭矩常数Kt缸径D/mm活塞杆直径drod/mm黏度/（N s m-2）密度/（kg mm-3）流量系数Cd绝热指数n初始体积V0/mm3预充气压力P0/MPa数值12.60.960.980.12801200.1460.17948.6222.181.28 10-28.86 10-70.681.3558 2001.01335第21卷中 国 工 程 机 械 学 报仿真过程中增加正弦激励，在该减振器结构基础上，馈能功率均形成于液压缸的复原行程，为了简化计算步骤，将阻尼力峰值和复原频率速度峰值相乘以计算出输入功率，馈能效率随外负载变化统计结果见表2，馈能效率随激励频率变化统计结果见表3。由表2和表3可知，调整激励频率可获得大致相同的馈能效率，在各种激励频率条件下，产生相应波动的效率，其调整幅值大约为4%。在外负载从10 增加到100 以后，馈能效率则会由40%降低至8%；在电阻率升高以后，则会产生更加缓和降低趋势。3.3外负载值及馈能效率根据QC/T 5451999 汽车筒式减振器台架试验方法 的具体规定，仿真时选择直径为50 mm的液压缸，在适当调整仿真负载以后，得到阻尼随位移变化特性结果如图4所示。综合而言，在50 的外负载环境下，得到的压缩阻尼力为-2 838 N，复原阻尼力为-6 891 N，两者均为最大值，符合目标阻尼的需求。4 结论 本文开展可控阻尼车辆半桥式液压馈能减振器设计及分析，取得如下有益结果：（1）在外接电阻变小或者激励频率增加时，均会引起馈能功率增大；采取行程复原的形式来回收能量，不会引起能量回收状态发生改变。（2）调整激励频率可获得大致相同的馈能效率，其调整幅值大约为4%；在外负载从10 增加到100 后，馈能效率由 40%降低至 8%；在电阻率升高以后，则会产生更加缓和降低趋势。（3）在 50 外负载环境下，压缩阻尼力为-2 838 N、复原阻尼力为-6 891 N，两者均为最大值，符合目标阻尼的需求。图2激励频率0.6 Hz时馈能功率随负载变化Fig.2Energy regenerative power varies with load when excitation frequency is 0.6 Hz图3外负载30 时馈能功率随激励频率变化Fig.3Energy regenerative power varies with excitation frequency when external load is 30 表2馈能效率随外负载变化统计Tab.2Energy regenerative efficiency changes with external load statistics负载/103050100速度峰值/（m s-1）0.080.3710.2550.1630.1020.120.3840.2510.1720.1090.160.3750.2520.1630.1070.20.3810.2540.1680.104表3馈能效率随激励频率变化统计Tab.3Statistical variation of energy regenerative efficiency with excitation frequency负载/103050100激励频率/Hz0.150.3990.2560.1620.1050.300.3840.2610.1610.1040.450.3710.2630.1580.0990.600.3720.2590.1640.095图4阻尼随位移变化特性Fig.4Diagram of damping variation with displacement336第4期喻怀斌，等：可控阻尼车辆半桥式液压馈能减振器设计及分析参考文献：1孙建民，刘祥，张帅，等.重载工程车辆油气悬架系统控制技术研究现状分析 J.中国工程机械学报，2021，19（6）：482-486.SUN J M，LIU X，ZHANG S，et al.Control technology analysis of hydro pneumatic suspension system for heavy duty engineering vehicleJ.Chinese Journal of Construction Machinery，2021，19（6）：482-486.2GALLUZZI R，XU Y，ALI M K A，et al.Vibration energy harvesting in automotive suspension system：a detailed review J.Applied Energy，2018，229：672-699.3曹淑瑛，主雨轩，郑加驹.混合悬架双向馈能半主动系统设计与分析 J.中国科技论文，2022，17（3）：332-338.CAO S Y，ZHU Y X，ZHENG J J.Design and analysis for bidirectional energy-regenerative semi-active system of hybrid 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