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馈能型车辆主动悬架技术

J I A N G S U U N I V E R S I T Y
馈能型车辆主动悬架技术
班级：运输1101
姓名：杨阳阳
学号：3110405012
日期：2014.12.12
馈能型车辆主动悬架技术
（杨阳阳）
（运输1101,3110405012）
摘要：汽车在道路上行驶时，路面不平激励会引起汽车的振动。汽车振动主要靠悬架系统中的弹性元件和阻尼元件进行缓冲和衰减，以保持乘员的舒适性。通常情况下这部分振动机械能由汽车悬架减振器以摩擦的形式转化为热能，最终耗散在空气中。本文针对馈能悬架的研究现状做了简单总结，并提出了目前馈能悬架发展中存在的一些问题，旨在推进我国汽车行业的健康发展。
关键词：馈能；平顺性；悬架系统
The Technology of Energy-Regenerative Type Vehicle Suspension
（Yang Yang yang）
(1101,3110405012)
Abstract: Absorber and elastic element as the important components in suspension system will take in the vibration energy caused by the road irregularities incentive to keep the proper ride comfort. Commonly the vibration energy is converted to heat energy by the absorber through the friction, then dissipated in the air. This article makes a brief summary about the present situation of energy-regenerative type Suspension, combined with some problems currently existing in the development of energy-regenerative type suspension,  puts forward some measures for reference, aimed at promoting the healthy development of automobile industry transportation in China.
Keywords: energy regenerations; ride comfort; suspension
1. 引言
汽车悬架是一个含有弹性和阻尼元件的振动非线性系统，该系统在路面不平度和发动机等振源激励下会产生随机振动[1]。通常情况下，这部分振动机械能是由汽车悬架减振器将其转化为热能耗散掉。无论在国内还是国外，悬架振动能量的回收都是一个相对较新的研究领域，从事这方面研究的学者还比较少。目前国内外大部分学者将其当作一种新型的主动悬架结构来研究，即研究过程中将注意力放在提高悬架系统性能上。但是，馈能悬架研究过程中存在许多技术难题，馈能悬架要实现市场商用化，还有很长的路要走。
2. 研究背景及意义
根据资料显示，目前全球各种在用汽车的总保有量已突破10亿辆。中国2012年末全国民用汽车保有量达12089万辆，比上年末增长14.3。其中，私人汽车保有量增长依然显著，去年中国私人汽车保有量达到9309万辆，增长18.3[2]。然而，汽车在带给消费者便捷和舒适的同时，也使能源与环境问题日益凸显。能源短缺，油价“虚胖”，城市空气质量不断下降，这些问题使汽车的节能环保性能越来越受到社会的关注。如何提升汽车的节能环保指标，又不影响汽车便捷舒适的性能已经成为国内外汽车产业研发中的重要课题。
汽车悬架系统包括车身和车桥之间的一切传力连接装置，对汽车的舒适性起关键作用[3]。车辆在行驶过程中，由于路面不平激励引起的振动主要通过悬架得到衰减然后传至车身。现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都是由弹性元件、减振器和导向机构等三部分组成。弹性元件对振动冲击进行缓冲，但同时会受到冲击而产生振动，持续的振动易使成员感到不舒适或疲劳，因此需要减振器对车身垂直振动进行迅速衰减。
传统的减振器主要通过内部液压油的摩擦产生阻尼力做功衰减振动[4]。当车架与车桥作往复相对运动时，减振器中液压油随活塞的运动反复穿过阻尼孔，此时孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成阻尼力，使振动能量转化为热能被油液与减振器壳体吸收，然后散到大气中。如果在实现振动衰减的同时将这部分耗散的能量回收利用，就可以降低汽车能耗，达到节能环保的目的。
近年来，许多学者都对其馈能潜力进行了研究，发现馈能减振器的应用将有助于提高现代汽车的整车能量利用效率，因此具有广阔的市场前景。
3. 国内外研究现状
上世纪九十年代，国外一些专家学者就开始研究馈能式减振器的应用潜力与使用价值，并不断提出各种新型馈能减振器的结构设计方案、控制方法等，但到目前为止，还未能真正实现商业应用。近年来国内的许多高校学者也开始研制这种新型的馈能式减振器，研究出不同结构与工作远离了的新型馈能减振器并提出一些控制策略优化减振器的性能。
3.1 国内研究现状
近几年，国内的一些高校也开始对馈能悬架进行了研究，提出了液电馈能式、电磁感应式、齿轮齿条式、滚珠丝杠式等不同形式的馈能式阻尼器。基于对馈能减振器能量回收潜能的肯定，吉林大学的王长森提出了一种双超越离合器结构形式的电磁馈能减振器，主要由超越离合器、行星齿轮机构、滚珠丝杠和电磁发电机等部件构成。通过调节行星齿轮机构的速比来控制实现阻尼的非对称性。并且合理利用了超越离合器的滑动状态，实现了在被动模式下的半主动阻尼特性。同时将减振器的双向垂直运动转化为发电机的单向转动实现对振动能量的回收。
武汉理工大学的过学迅、徐琳等人研制了一款液电式馈能减振器。由单向阀组成一个整流桥，将减振器内部活塞的上下往复运动转化为同一方向的油液流动，高压油不直接流入低压腔，而是流经液压马达，马达与电机相连带动电机旋转，从而产生电能进行回收与利用。在完成集成化样机设计的同时还进行了台架试验。通过试验验证了这款液电馈能式减振器同时具有良好的阻尼特性和能量回收能力。并且在仿真模型的基础上加入了主动控制，使其减振性能得到了提升。
上海交通大学的喻凡、郑雪春等人配合滚珠丝杠机构以永磁直流无刷电机为主体，构成电机作动器，设计了馈能式电动悬架。并在在四通道车辆道路模拟试验台上，以Passat BS为试验样车进行了整车台架试验。试验验证了可将部分机械能转化成电能，即馈能式悬架可进行能量的回收。同时研究了主动悬架的控制算法，针对不同的路面激励和车辆自身参数变化，对悬架行程进行反馈控制优化了悬架的性能。
3.2 国外研究现状
1) 适馈能式减震器的能量回收潜能的研究
汽车正常行驶时，是路面不平度引发了车身垂直振动，在此过程中，减振器缓解振动进而耗散能量。基于这一现象，圣何塞州立大学的一些学者们分别建立了铺装路面、沥青路面和泥土路面的不平度模型，分析其功率谱。然后以整车悬架的传递函数为输入，结合路面不平度函数，分析了车辆行驶在路面上行驶时，减振所耗散的能量，最终推算出馈能式减振器的节能潜力。试验显示三种不同路面，不平度频谱功率幅值越高，振动时可以回收的能量越大。随着车速的升高，回收能量潜能也不断升高。随着车身重量的改变，其回收能量的潜能没有受到很大的影响，影响幅度控制在10%以内。
北伊利诺伊大学的Dr.Abhijit.Gupta等学者设计了一款电磁式的馈能减振器。通过仿真试验对其节能潜力进行了分析。
该团队还将馈能减振器安装到一辆卡车上，分析在实际路况中该电磁结构的能量回收状况。在仿真中假定减振器阻尼系数恒定，计算了减振器两端的相对运动速度，从而对悬架减振器耗散的能量进行了估算，得出该电磁结构可以回收能量的最大理论值为416W。
Hamburg.J.A.和Browne,A.L.用试验方法直接测量了公路车辆通过减振器的能量消耗。Segel and Xiao-Pei通过仿真方法进行研究，研究结果显示普通的车辆在路面不平度较差的路面上行驶，在13.4m/s的速度下，四个传统减振器通过相对运动所耗散的能量功率在200瓦左右。R.B.Goldner等学者分析了道路剖面的数据，结合通过时间与电子发电机的试验。最终得出:重1134kg的装有四个馈能减振器的汽车，在20m/s的速度下，能量回收范围在20%到70%之间。这个结果也表明了若在电动车上面安装这种电磁式馈能减振器，则其续驶里程可以得到一定程度的提高。
2) 国外馈能式减振器的实例研究
Bose公司在2004年宣布，用直线式电机来取代传统悬架的减振器和弹簧。车辆在路面行驶时，车身由于路面不平而产生振动，而悬架系统在减振的过程中会进行压缩和伸张的相对运动。直线电机内部有缠绕的电线线圈与磁铁，通电后在这个相对运动的过程中，就会产生电磁力，此时的直线电机就等同于一个发电机，因此不仅可以缓解振动还可以对发电机产生的能量进行合理的回收利用。
日本的一些学者研究了一款主动电磁式馈能减振器，这款减振器也使用了直线式电动机。他们研究的目的是确定馈能减振器在保持传统减振器的阻尼特性基础上可以降低能量的消耗。他们采用了被动控制、低速控制和主动控制三种控制策略进行研究，并进行了试验。结果表明新式的电磁馈能减振器同时具有良好的阻尼特性和较低的能量消耗。
美国德克萨斯大学的学者们以军用车为试验车辆，安装了齿轮齿条式直流电动机的电磁式馈能悬架，并采用了“Near Constant Force”主动控制策略。试验结果表明电磁式馈能悬架可以将振动时消耗的能量进行回收并储存。并且整车的平顺性、操纵稳定性及动力性能都得到了提高。
伊朗大学的学者们将主动式电磁馈能减振器应用于混合动力的汽车上。通过控制对混合动力汽车使用的复合电源进行合理利用，得到了较好的能量回收结果。
4. 馈能悬架系统分析
4.1 汽车悬架系统简介
悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称[5]。它的功用是把路面作用于车轮的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架上，以保证汽车的正常行驶。路面冲击传到车架和车身时，可能引起汽车机件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒服，货物也可能受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性的充气轮胎外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架与车桥之间作弹性联系。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。持续的振动易使成员感到不舒适和疲劳，故大部分汽车悬架都装有减振器达到迅速衰减振动的目的。
悬架系统中对车辆平顺性有影响的因素主要包括悬架的刚度、阻尼以及干摩擦，其中刚度主要由弹簧的垂向刚度、悬架系统中衬套的扭转刚度组成，阻尼主要由减振器产生，衬套也会产生很小部分阻尼，但相对于减振器的阻尼基本可以忽略，悬架中的干摩擦在非独立悬架中主要来自板簧片间摩擦，在独立悬架中主要来自减振器活塞杆与导向器之间的摩擦。
图 1四分之一车辆模型
根据实践经验和理论分析表明，前后悬架系统的振动基本上是独立的，所以可以用四分之一车辆模型来近似研究车辆的振动情况[5]。
在AMEsim中建立了传统四分之一车模型。来研究悬架刚度及阻尼对平顺性的影响。分别改变弹簧的刚度与减振器的阻尼系数，来定性分析刚度和阻尼对车身加速度的影响。某车设计载荷状态下单轮簧下质量为30Kg，簧上质量为300Kg，轮胎刚度为180N/mm.保持悬架阻尼系数为1400N.s/m，将悬架刚度从15N/mm变化到30N/mm;保持弹簧刚度为20N/mm，将减振器阻尼系数由800N.s/m增至1500N.s/m时，获得的车身加速度曲线如图2所示。

图 2车身加速度曲线
由上图可知，在四分之一车模型中，随着悬架刚度的增大车身振动加剧，但振动衰减至稳态的时间变化不大。而较大的阻尼比会减小车身振动，并且振动衰减至稳态的时间会明显缩短。
4.2 汽车悬架方案分类
Ø 静夜蓄能式
静液蓄能式馈能悬架[6]是利用液压泵的原理，在传统液力悬架上进行改造而成的。静液蓄能式馈能悬架由弹簧、馈能油缸、馈能功率调节器、单向阀、蓄能器、液压耗能组件(液压动力制动器、液压动力转向器等)、液压油箱和管路组成。它可以将传统被动悬架系统中的阻尼元件所耗散的振动能量转化成液压能并储存在蓄能器中，反馈所获得的液压能可以供车辆上的液压耗能组件使用，使车辆获得良好的经济性。能量回收包括两个过程:上腔能量反馈油路和下腔能量反馈油路。
Ø 电磁线圈感应式
电磁线圈感应式馈能悬架结构[7]，用一个电磁线圈能量回收装置取代了传统减振器，再使之与弹性元件并联，构成悬架系统。它可以将传统被动悬架系统中的阻尼元件所耗散的振动能量转化成电能并储存在蓄电池中，反馈所获得的电能可以供车辆上的其他电气设备使用，使车辆获得良好的经济性，还可以根据车辆的具体使用工况选择馈能阻尼的大小，使车辆获得良好的平顺性。
Ø 齿轮齿条式
齿条式馈能悬架[8]的减振器被电机和齿轮齿条机构所取代。用连杆机构将电动/发电机固定在簧载质量上，齿条直接连接在非簧载质量上，齿轮与电动/发电机转子相连。齿轮与齿条啮合后，电动/发电机及齿轮齿条机构整体构成馈能悬架的馈能原件。
齿轮齿条机构将簧载质量与非簧载质量间相对直线运动转变为电动/发电机转子，同时将电机/发电机输出扭矩转变为垂直作用力。电动/发电机将机械能转变为，之后将这部分能量传递给充电电路及动力总线，对电池充电或供其它电气设备
当悬架系统处于被动状态时，电动/发电机处于发电机模式，对充电电路及动力总线供电，馈能元件回收能量，并且电动/发电机输出励磁扭矩，经齿轮齿条机构传动将扭矩转变为作用在簧载质量与非簧载质量间的阻尼力。相反，当悬架系统需要主动控制时，充电电路及动力总线向电动/发电机放电，电动/发电机处于电动机模式输出扭矩，经齿轮齿条机构传动将扭矩转变为作用在簧载质量与非簧载质量间的垂直作动力，此时馈能元件起到作动器的作用。
Ø 滚珠丝杠式
滚珠丝杠式馈能悬架[9]采用旋转型电机，将其布置在减振器的上方，配合滚珠丝杠机构，将簧载质量与非簧载质量之间的直线运动转变成电机转子的转动。电机与滚珠丝杠机构组成馈能元件，将回收的能量输送给充电电路及电池.
Ø 曲柄连杆式
曲柄连杆式馈能悬架[10]的结构特点是没有取消传统悬架系统，而是在传统悬架系统中加了一套曲柄连杆机构，将车轮的上下振动转变成电机的旋转运动。曲柄连杆机构与电机组成馈能装置。
Ø 直线电机式
直线电机是一种将直线运动机械能直接转换成电能或将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。用直线电机代替减振器(半主动悬架)或减振器和弹簧(主动悬架)，能抵消道路冲击的同时回收部分能量[11]。直线电机式馈能减振器，其内部装有磁铁和内置线圈[12]，内置线圈通电后可使悬架总成依车身和车轮的相对位置的不同而伸张或收缩。当悬架总成收缩时，直线电机以发电机模式工作，将产生的能量回送给功放器，回收能量;当悬架总成伸张时，直线电机以电动机模式工作，产生作动力。目前，仅Bose公司将直线电机运用于车辆悬架系统。
5. 总结与展望
作为对馈能式悬架的初步研究，本文对馈能悬架的各种方案进行了介绍，并着重对齿轮齿条式的馈能式悬架进行了分析。虽然馈能悬架模型已经能够满足最初的设计要求，但是仍然有很多可以继续开发的地方。在今后的研究工作中应当着眼以下重点：
（1）优化馈能元件。减小电动/发电机的体积，提高馈能元件所能提供的最大阻尼系数。
（2）建立馈能悬架结构模型，并进行结构仿真。优化悬架结构，提高馈能元件的连接机构工作稳定性及啮合精度，达到一定的可靠度和耐久度，确保其在恶劣的条件下能够正常工作。
（3）对馈能悬架作动器及充电电路进行优化。提高系统能量回收效率，平滑悬架阻尼特性曲线，稳定电动/发电机输出的电压，减小对充电电容的冲击。
（4）建立馈能悬架与混合动力汽车复合电源间的接口。
（5）将主动悬架的控制逻辑加入馈能悬架的控制算法中，提高悬架系统性能，同时降低整车燃油消耗量。
（6）开展馈能悬架及整车实验。
参考文献
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