乔丽霞，许利君，刘清涛
（1.河南交通职业技术学院汽车学院，河南 郑州 450005；
2.河南奥特科技有限公司，河南 郑州 450005；
3.长安大学高速公路施工机械陕西省重点实验室，陕西 西安 710064）
组成悬架的各部分结构中减振器属于一个核心部件，从馈能悬架的能量转化形式方面分析，可将其分成压力能与电磁能两种主要类型，分别对应液压储能与电磁储能过程［1-3］。其中，液压储能悬架可以把悬架在振动阶段产生的振动能以液压或气压的能量形式进行存储，进入后续能量释放阶段时可以通过输送管道与阀件等控制结构完成能量输出，从而为运动器件提供驱动力［4-5］。
采用电磁式馈能悬架进行能量转化时主要通过不同运动形式间相互转化来实现，使沿垂直方向的悬架振动转变成其它类型的运动过程，再通过转化形成的新运动形式为发电机提供驱动力实现发电的功能［6］。
馈能减振器分类同样也按照转化形成的能量形式分类，并且要求运动形式可被发电机进行利用［7］。馈能系统可以通过发电机接收转化得到的能量，再通过储能部件回收并储存电能。也有研究人员提出可以新增充电管理模块来实现电能回收过程并对蓄电池充电，后续通过蓄电池为动力结构提供电能［8-10］。在液压馈能减振器中同时包含了电子系统、机械控制以及液压储能结构，能够实现多种能量的相互转换，但其缺点是进行能量转化时需先把振动能量转换成液压能，接着通过液压结构进一步转换成机械能，在转换过程中会发生能量损耗，此外考虑到液压系统运行过程中受自身结构条件的限制会形成一定程度的滞后［11］。该结构的优势是不需要像其它减振器电机经常实施运动换向或启停切的过程，可以保证液压油路形成优异整流的效果，这使其被广泛应用于悬架能量回收领域［12］。
这里选择半桥式液压馈能减振器为研究对象，为各个液压元件和电路元件构建了动力学模型并开展了仿真分析。该车辆半桥式液压馈能减振器具有很好的应用价值。
2.1 液压馈能减振器原理分析
设计液压馈能减振器时需满足以下两项基本原则：第一要具备与传统悬架相近的减振性能，第二要尽量降低损耗并实现能量回收。满足以下条件［13-14］：
（1）应保证能够将振动器沿垂直方向运动时产生的振动能量转变为液体流动过程的液压能，达到驱动液压马达旋转的作用，避免因为经常换向操作的原因而引起能量损耗。
（2）进行系统结构设计的过程中，需考虑减振器受到的非对称式行程阻尼力的影响，保证液压馈能减振器在空载与馈能工况下都达到阻尼力曲线控制要求。
（3）当传统减振器符合阻尼性能要求时，可以通过最优调节模式来获得更大的阻尼力调节区间，确保可以实现对后续液压馈能减振器的半主动控制目标。
2.2 半桥式液压馈能减振器
半桥型液压馈能减振器各组成部分，如图1所示。包括两部分：执行器与馈能系统。执行器包括液压缸、蓄能器以及二个单向阀，馈能系统包含了液压马达、发电机以及外负载。与全桥式液压馈能减振器进行比较可以发现，半桥式液压馈能减振器具备更简易的结构，也能够实现液压马达单向转动，此外受系统总体设计结构的影响，该减振器压缩行程与复原行程阻尼力的比值相对传统减振器更相近。
图1 半桥式液压馈能减振器Fig.1 Half-Bridge Type Hydraulic Shock Absorber
在压缩行程中，液压缸活塞杆保持往上运动的状态，液压缸无杆腔发生了体积缩小，开始排出油液，队单向阀2进行分析发现，油液压差与开启方向之间形成了相反变化特征，在关闭状态下时，高压油液经单向阀1到达有杆腔。
此外，液压杆二个腔的体积也具有一定的偏差，剩余部分油液在液压马达作用下到达执行器中。位于单向阀2左侧区域含有高压油液，形成了相反的压差与开启方向，因此这些剩余油液被保留于储能元件的蓄能器内。
进入复原行程时，液压缸活塞杆按照从上往下的方向进行运动，引起有杆腔体积的持续减小，并将油液不断排出，此时单向阀1油液压差与开启方向呈反向状态。阀体关闭后，高压油液经液压马达为油液提供驱动力将其压入蓄能器中，这些油液和蓄能器内油液共同流入到无杆腔中。
对液压馈能减振器进行工作原理分析可知，等效可控阻尼力是由馈能模块发电机反电动势引起的，这就要求为馈能模块建立合适分析模型。
根据图1可知，组成馈能模块的各部分为发电机、液压马达、负载、联轴器等，从实际运行控制层面分析，可将发电机的组成分为理想发电机、内部电感以及内阻共三类，并对不同电路负载实施整合再将其作为一个外负载进行处理，大幅简化计算过程。从结构框图中可以看到，液压油是通过单向方式对液压马达提供驱动作用，能量被释放后，油压发生减小。
根据各元件的实际工况特征推导可控阻尼力，根据液压马达油压与不同流量的对应关系并结合电路的实际工作原理确定阻尼力和馈能功率表达式。
根据图1建立以下的关系式：
式中：Qin与Rin依次对应发电机内部电感与电阻，通常情况下可以忽略发电机内部电感；
Rgx—发电机外负载。
本研究只对可控压降进行分析，并将其应用于执行器活塞两侧，由此计算得到馈能减振器等效可控阻尼力，假定执行器上腔与下腔可控油液压强依次为Pupc、Pdownc，进入复原行程后满足以下关系：
压缩行程阶段存在以下关系：
根据以上式子得到液压馈能减振器以下所示的等效可控阻尼力Fsa计算式：
之后构建液压馈能减振器可回收馈能功率Pr计算式：
确定机械结构参数后，压缩行程与复原行程馈能功率受到激励速度与负载电阻的综合作用。
4.1 仿真参数设置
液压馈能减振器可控阻尼力指的是通过液压马达带动发电机发电的过程中，在发电机中形成反电动势而引起阻尼力，处于恒定的发电机转速下时，当发电机电路的负载发生变化后，电路整体电流值也会发生变化。通过调整发电电路中电流值之后，在发电机将会形成不同的反电动势，由此达到控住减振器阻尼力的效果。构建得到液压馈能减振器理论模型，并为固有阻尼力和可控阻尼力建立理论计算式，固有阻尼力与可控阻尼力的各项参数设置，如表1所示。只有外负载是一个可以调节的参数，其余各参数保持恒定值。
表1 阻尼力参数设置表Tab.1 Damping Force Parameter Setting Table
4.2 外负载对馈能特性的影响
激励频率为0.6Hz的条件下各负载与馈能功率的关系结果，如图2所示。在30Ω负载的条件下以不同激励频率测试得到的馈能功率，如图3所示。根据图2与图3可知，当激励频率提高或外接电阻减小的时候，都会形成更大的馈能功率，发生压缩时，液压马达形成了较低的流量，馈能功率也保持相对稳定，在复原行程中形成了很大的液压马达流量，形成了大幅波动的馈能功率。在外负载为10Ω的条件下，达到了258W的峰值回收功率。处于空载断路的状态下时，馈能功率等于0，系统振动形成的能量通过固有阻尼转换成热能并散失到了周边空间中。压缩的前半段行程中，受蓄能过程的影响，馈能功率较小，由于本方案是以行程复原的方式对能量进行回收，不会造成能量回收状态的变化。
图2 激励频率为0.6Hz时不同负载下的馈能功率Fig.2 Energy Regenerative Power Under Different Loads when Excitation Frequency is 0.6Hz
图3 外负载为30Ω时不同激励频率下的馈能功率Fig.3 Energy Regenerative Power Under Different Loads when External Load is 30Ω
同时还发现复原行程中出现了功率突变的情况，此时蓄能器压力被释放，导致示功特性的明显改变。
在仿真测试时设置了正弦激励，在本减振器结构条件下，馈能功率都是由液压缸的复原行程产生的，为实现计算过程的简化，按照复原频率速度峰值与阻尼力峰值相乘的方式获得输入功率，如表2、表3所示。
表2 不同外负载效率图Tab.2 Efficiency Diagram of Different External Load
表3 不同激励频率效率图Tab.3 Efficiency Diagram of Different Excitation Frequencies
通过分析发现，改变激励频率得到了几乎一样的复原行程馈能效率，受不同激励频率作用时，形成了一定波动的馈能效率，达到了约4%的变化幅值。外负载从10Ω 变为100Ω 后，馈能效率从40%减小为8%，并且当电阻率增大后，形成了更平缓的下降趋势。
4.3 外负载值及馈能效率
参照QC/T545-1999《汽车筒式减振器台架试验方法》的相关规范，仿真所使用的液压缸直径为50mm，对仿真负载进行调节后，获得了目标示功特性下的阻尼随位移变化目标示功特性图，如图4所示。分析发现，在外负载为50Ω的条件下，获得了-6972N 复原阻尼力与-2768N 压缩阻尼力，两者都达到最大值，已经满足目标阻尼的要求。
图4 阻尼随位移变化目标示功特性图Fig.4 Target Indicator Characteristics as the Damping Varies with Displacement
（1）增大激励频率与降低外接电阻后，馈能功率显著提高。在外负载为10Ω以及激励频率为0.6Hz的条件下，达到了256.2W的峰值回收功率。（2）改变激励频率后，复原行程馈能效率保持基本恒定，馈能效率发生波动，波动幅度接近3%。外负载从10Ω变为100Ω 后，馈能效率从40%减小为8%，并且当电阻率增大后，形成了更平缓的下降趋势。（3）在外负载为50Ω的条件下，获得了-6972N复原阻尼力与-2768N压缩阻尼力，两者都达到最大值，已经满足目标阻尼的要求。
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