从能量角度分析越野车的机动性——减振器（能量收集）

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4.2 减振器（能量收集）

4. 2. 1 从悬架系统中收集能量

车辆的振动能量可以被回收利用，用来运行一些电动车辆系统或子系统，发动机内部燃料燃烧所产生的能最中，只有极少部分的能量被传递到车轮上，其余均通过热能、传动系统的能量损失以及发动机振动而耗散掉了，更糟糕的是，传递到车轮上的力仍然仅有一小部分被用来驱动车辆行驶，大多数的能量都在振动和运动中被耗散掉。从车辆的悬架系统中收集／回收能量对于越野车辆无疑是十分重要的，因为对于越野车辆来说，它更容易由于道路的不规则随机激励而振动，首先要捕获悬架系统的振动运动，然后将其尽可能地用于主动悬架控制和能量再生装置。传统的减振器可以在抑制路面不平顺所引起的垂直运动时耗散掉大量能量，从而减弱垂直运动的动能，其中大多数的减振器都是通过黏性流体或者干摩擦将能量转换为热能从而耗散掉。馈能式悬架可分为两类：机械馈能式悬架和电磁馈能式悬架。机械馈能式悬架可以吸收悬架的动能，将其转化为液压或者气动能量储存在蓄能器中，被动式液压阻尼器通常应用于便宜且简单的汽车悬架系统中。然而这些液压／气动系统都是具有一定缺点的，第一，复杂的管道系统重量较大，并且需要更多的安装空间；第二，软管如果泄漏或者破裂，可能会损坏到整个的系统；第三，液压／气动系统的响应带宽较窄，从而限制了悬架的性能；第四，再生的液压／气动能量很难被再利用，尤其是在汽车工业正致力于将混合动力电动汽车和全电动汽车商业化时。近年来，机电一体化领域和传感器领域的重大发展导致越来越多的汽车采用半 主动和主动悬架，在液压缸中，液压油被加热，热空气被转移到了周围的介质中。

越野车受到各种各样的道路不平坦和随机道路轮廓的影响，除了典型的滚动阻力外，还可能会导致车辆经历更大的能量损失，在越野车辆中，由振动所造成的能量损失可以被回收／重新捕获以用于车辆悬架系统。接下来，分析具有功率谱密度(PSD)道路轮廓的随机道路激励下越野车辆悬架系统的能量收集，以及谐波道路轮廓下的能量收集，结果表明，能量回收与系统的频率、振型以及簧载质量和非簧载质量之间的相对速度和路面形状密切相关。

主动悬架虽然有着出色的性能，但与其他技术例如电磁阀和磁流变(MR)液阻尼器以及机械再生阻尼器相比，却有着耗能、笨重、成本高等缺点。机械馈能式悬架的好处在于可以将蓄能器添加到当前的液压或气动悬架中，并减少主动控制振动时的能量需求，然而它的主要缺点就是频率较低且响应较慢。

可回收的最大能量是由黏性阻尼 C2 耗散的能量，瞬时阻尼力与悬架速度成正比，瞬时功率为力乘以悬架速度。因此，瞬时功率消耗为

单位时间内， 每秒钟的功单位为J， 与上式中的功率密切相关， 因此，可以通过功率收集指数来计算收集的能量。

因此， 减振器的平均功率与悬架速度的均方（而不是均方根）成正比， 在这两者之间收集能量就必须使用一个阻尼系数大于期望值的悬架。

通过在车辆中使用优化的再生磁性减振器来节能是一种非常有效的解决方案，因为这种减振器可以将损耗的机械能转换为电能并将其储存起来， 以此来提高电动车的能量效率， 使电池的运行时间更长。

簧载质量和非簧载质量以及被动阻尼系数如图4. 1所示，凡是主动悬架系统中执行器的主动力， 由控制策略决定。对于单自由度系统， 我们已经在平顺性章节中讨论了其一般性方程，而对于二自由度主动悬架系统来说， 主要方程如下所示：

图4.2考虑了单自由度四分之一车辆模型。汽车在谐波路面上行驶的模型如图4.3所示。

通过对所 提出的质量－ 弹簧－ 阻尼器系统的动态响应进行研究， 以确定由路面不平整和悬架振动引起并由悬架系统所 回收的势能大小， 与传统液压减振器不同，再生减振器会将悬架系统中的振动能量转换为电能， 众所周知， 这种电能可用于混合动力汽车和电动汽车。我们可以建立出这个系统的运动方程如下：

目前有关车辆再生减振器的研究主要集中在系统开发上，该系统可以利用电磁材料从车辆的振动中产生电能，而减振器与悬架弹簧是平行放置的，悬架弹簧必不可少地会耗散掉一部分的车辆振动能量，因此，不能充分吸收和转移来自悬架系统的动能（图4.5)。此外，电磁材料的转换效率不是很高，目前可用的振动电转换机制主要有电磁式、静电式和压电式三种，而三种能量转换方式中压电式转换的效率是首选的，远远地高于其余两种，动能随时间和频率的变化如图4.6所示。

图4.7和图4.8描述了在可以用功率谱密度来表示的路面上，非簧载质量和道路表面之间的相对加速度以及轮胎在垂直方向上的位移。图4.9为车辆在40m/s速度下的典型位移曲线，并观察到了簧载质量和非簧载质量在最大振幅为0.13m的随机横向道路激励下相对峰值之间的冲击位移。簧载质量与非簧载质量的相对位移对于汽车的乘坐舒适性来说也是十分重要的，此外还展示了车辆在随机不规则道路激励下行驶时，30s内簧载质量和非簧载质量之间的位移是怎样变化的。

图4.10是在图4.7、图4.8和图4.9所示数据以及汽车速度在5~ 60m/s时簧载质量与非簧载质量之间相对速度的基础上得到的可回收功率均方根。结果表明，在60m/s的速度下，最大的可收获功率为67.5W,在5~40m/s的速度范围内，能量收集的趋势是线性的，而在这个范围之后，由曲线的形状特征可以看出斜率大大下降。

图4.11所示为受扰动的车辆系统中， 道路不平顺性对悬架挠度、轮胎变形和 车身加速度的频率响应。在对于实际应用更重要的0 ~ lOrad/s较低频率范围内，当使用有能械回收装置的主动悬架系统时， 第一个峰值会降低， 这减少了轮胎的变形（由于滚动阻力而成为能量耗散的一个重要指标）， 还降低了与平稳性指标密切相关的车身加速度。

4. 2. 2 轮胎能量的收集

为TPMS（轮胎压力监测系统）提供能屈的轮胎能量收集系统一直是动力学领域的研究热点，它可以减少系统的维护和运行成本，但是，如果监测系统以电池作为能量源，电池中的有害物质就可能会被排放到环境中，从而造成环境污染，因此在实际应用中，采用功能系统进行能量收集的技术出现了一些新趋势，其核心基本原理是利用机械振动作为自己的能量源。值得注意的是，能蜇回收的本质是将周围的能量（通常是机械能）转换为电能来运行一些小型仪器（例如TPMS)，该过程通常是由一个系统或者两个系统协同来完成的。最常用的动能产生系统包括电磁能收集、静电能收集、压电能收集和热能收集，以及磁致伸缩、摩擦电和电活性聚合物。每种系统都有各自的优缺点，文献中对上述系统进行了大量的研究和比较，以确定最佳的轮胎能量收集系统，每个系统的最终目的都是开发出一个有竞争力的无电池轮胎压力监测系统，并在实验室和道路上测试系统的可行性。该系统的能量可以通过充气轮胎连续的变形来提供，变形又被分为两种形式：轮胎在和地面之间接触面上的变形和轮胎的振动。轮胎变形取决于轮胎材料、轮胎载荷、轮胎的充气压力和轮胎与地面之间的相互作用等参数。

4. 2. 2.1 电磁法收集能量

附着在质量块上的电磁线圈相对于稳定磁铁的线性运动是电磁法背后的理论依据（图4. 12)，根据法拉第电磁感应定律，轮胎的周期性变形和振动使得线圈的质量分量相对于磁铁做线性相对运动，从而在线圈中产生电流。尽管线性振动是电磁能量采集器最典型的配置，但在文献记载中，有很大一部分能量采集器采用的是悬臂梁系统，在悬臂梁的自由端附着有振动质量块，可以同时容纳线圈或者磁铁，从而产生电能。据文献记载，电磁能量系统的振动频率为几百赫兹，能够提供的功率范围[18] 为0. 3 - 800 µ,W, 在这方面，Glynne - Jones等人演示了一种能够提供 157 µ,W功率的电磁发电机。假设磁场为0. lT, 自由空间的磁导率为4mJ/cm3 , Roundy等人对电子转换器的最大能量密度进行了估计，总的来说，能量密度是磁场强度的关键。由于电磁法的性能与系统振动性能密切相关，因此可以对弹簧－质量系统中的弹簧进行设计，其中系统的共振频率就是采集器运行的激励频率，但这也意味着这种方法仅限于在某个频率范围内使用。这些系统最重要的优点是设计和操作条件比较简单，这是由于非接触条件提高了各个组件的精度和折旧率，但是主要的缺点就是整个系统的尺寸较大，需要嵌入轮胎中，输出电压低，功率密度低。

4.2.2.2 静电法收集能量

这种方法的核心思想是夹在两块相对运动平板之间的介质电容器的电压感应，电容器上的电压取决于储存的电荷、电极间距、电极面积和介质的介电常数。这种类型的采集器是基于与振动相关的电容器的电容变化，而这种变化是轮胎振动引起的，振动隔离了可变电容器带电的极板，因此，在需要极化源运行时，机械能转换为电能。

电容器中获得的电压取决于存储的电荷、电容器材料、极板之间的距离、电极 的位移和面积。为此， 有两种实用方法：在机械振动过程中， 电位稳定时电荷随着 电极距离的减小而增加， 电容器两端的电势(V) 会发生变化(Q = CV)， 其中Q为电荷， C为可变电容器， 在第二种方法中， 电荷恒定时电压随着电容器的减小而增加。这两种情况都会使存储在电容器上的能量增加， 并且可以提取出来为设备供 电。由于周围环境振动通常振幅较小， 因此使用质量弹簧系统会产生共振现象， 与振动幅度相比， 可移动质量的相对运动幅度会增大，从而增加了采集到的功率。当 电场是30V/µm且自由空间的介电常数已知时，静电转换器可收集到的能量最大为 4mJ/cm3。通常来讲，静电设备适用于小型的能量采集器， 而电磁转换器适用于大 型设备，但是与电磁能量收集系统不同，静电系统可兼容微型机械， 并且可以与MEMS系统进行功能集成， 该系统具有输出电压大、体积小、简单方便、成本低等优点， 无驻极体转换器没有直接的机械能和电能， 因此主要缺点是需要持续的预充 电， 此外， 电容的电极之间还存在着接触的风险。

4.2. 2. 3 压电法收集能量

还可以使用在施加应力或应变时产生电荷的压电材料（图4.13)来收集能量，当受到机械应力或应变时， 某些特定类型的材料中会产生感应电荷， 压电效应可以理解为晶体材料中机械状态和电状态之间线性的机电相互作用， 没有空间的反演对称性。压电设备在量化压力、加速度、温度、应变和力的过程中都得到了广泛应用， 这种极化效应是材料的固有特征， 电能是材料对机械能的响应而产生的， 该电 流是通过逆压电效应将机械振动转化为压电变形而产生的交流电。这种方法继承了微机械加工和微器件集成的优点， 尽管应用这个系统有很多不同的类型，但最常见 的还是悬臂梁共振结构， 可以使机械振动转化为电能。在这种情况下， 悬臂梁中包含有压电材料， 同时在梁的末端插入惯性质量， 压电元件中有一个充电电路和一个存储缓冲器， 因此， 压电振动能量采集器是在惯性质量的基础上工作的， 其中带有压电层的悬臂受到悬臂末端振动源的共振，而振动源则来自于轮胎滚动，文献中有基于尖端质量压电能量采集的悬臂梁研究。与电磁能量采集器相比，这种方法可以在更大的共振频率范围内使用，同时，在振动引起的机械变形和产生的电量之间存在着密切关系，施加的频率越高，产生的电量越大。电荷量的多少取决于压电材料以及施加在材料上的机械变形大小，根据文献研究记载，用安全系数为2的铅钦酸 铅材料可以收集的压电能量最大为17. 5mJ/cm3 。这个系统具有鲁棒性好、可靠性高、无须控制、输出电压高等优点，由于系统安装在在轮胎内部，故轮胎内壁可以作为该系统的外壳，轮胎在行驶过程中的变形会带来加速度，尤其是在不规则的路面上行驶时加速会更严重，在加速度超出预期值时，系统有被机械损坏的风险，尽管该系统具有一定的优越性，但由于与材料性能相关的耦合系数存在缺陷，因此在经济上并不方便添加。此外，与静电能噩采集系统相比，系统的尺寸也是个难点。

4.2.2.4 热能量采集系统

物理中的塞贝克效应是说，在两个半导体材料组成的闭合回路中，两个材料之间的温度梯度会使产生的电势将热能转化为电压，也被称为热电效应，是温度梯度到电压的直接转换。可以用下式 来表示：

热能量采集器，也叫作热电能最采集系统，包括热电发电机、散热器、电压调节器和能量存储设备，还需要一个热源来产生热量梯度（图4.14)。

这种方法广受人们的关注，因为在汽车中，许多地方都会产生大量的热能，包括发动机室、排气系统和制动系统[13] ，然而这种系统一般安装在轮胎内，因为轮胎产生的热能作为轮胎在地面上行驶以及滚动阻力的副产品，是一个非常大的能量耗散源。其主要缺点为价格昂贵，同时必须提供稳定的温度梯度。

由于各个元件的热阻不同，元件内部存在着热流，而微加工的目的则是在微型机电系统(MEMS)中采用热梯度法，但由于很难提供稳定的热梯度，因此较为困难。

4. 2. 2.5磁致伸缩、电活性聚合物和摩擦电材料

一般来说，能量采集系统最主要的类型是静电系统、电磁系统和压电系统，但此外还包括磁致伸缩、摩擦电和电活性聚合物。磁致伸缩材料包括铁磁性部件，它的尺寸和几何形状都会随着外部磁场的变化而变化，由于磁场的旋转，随机放置的磁铁会重新排列，这些电源在线圈中可以形成电流，同理也会在轮胎的机械振动中形成电流。在对材料施加机械力时，会形成逆磁致伸缩效应，材料会产生一个磁场，这个磁场作用在线圈上时会产生电流进而获得电能。摩擦起电是一种接触型电流采集，当两个表面之间存在摩擦性接触，且在两表面之间有一个空间，此时某些确定的材料就会带电，将产生的电量输出取决于接触时间、材料种类和特性、接触区域以及循环接触。更多摩擦起电领域发展的详细信息请参见文献[34，35]电活性聚合物在传感器、换能器和执行器上的应用越来越广泛，这些材料的主要特点都是当施加一个外部载荷时，会产生较大变形。电活性聚合物有两种主要类型，电介质和离子型。虽然电活性聚合物的能量密度大约为550mJ/g，但都是基于些宽度为几微米的薄膜，因此需要一个较大的发电机来提供能量。文献中针对采集能量的不同途径记载了这种方法的发展前景，这种方法的优点是具有较大的应变能力，缺点是对外部电压有需求。

4. 2. 3 制动能量的收集

能量回收的一个重要来源是车辆的零件，例如悬架系统、轮胎、制动系统、发动机振动等，其目的是为微电子设备、传感器、执行器和无线系统供电，以及优化燃油消耗。制动能量作为能量收集的一个来源，可以分为制动垫片接触式和非接触式。Han等人提出了一种能够在制动和非制动过程中从转盘结构中收集能量的方法，该方法综合了摩擦电和静电感应等方法并将其应用于车辆和火车上。利用热电发电机对制动片中废弃热能的回收进行试验研究，根据文献记载，一辆重型汽车在制动过程中大约会将 400~3000kw 的能量转化为热量浪费掉。然而其中的一个难点就是找到一个最佳尺寸的系统能够很好地与制动系统相匹配，热电发电机(TEG)就是解决该问题的一个很好的选择，而摩擦电纳米发电机(TENG)则在能量收集方面表现出了良好的适用性。很明显可以看出，制动过程中绝大多数的能量都是被转换成热量耗散掉的，而耗散能量的多少取决于前进的速度和车辆质量，在制动过程中，有许多不同类型的能量收集／回收系统，例如混合动力汽车通常采 用的再生制动系统。再生制动器是一种能量收集装置，它可以使车辆减速，并利用 电机将动能转换为电能，在某些车辆中，转化的电能以化学能的形式存储在电池中。另一种较为常见的方法是利用飞轮来存储能量，通过把飞轮的转子加速至非常高的速度，将能量保持为旋转能量，而且通过这种方法可以获得较大的最大输出功率。这些系统的最大缺点就是尺寸和重量都较为庞大。热电发电机，即所谓的塞贝克发电机，能够将温度梯度转化为电能，是将制动片中损耗的热能转化为电能最常 用的一种方法。

TEG由半导体材料构成，可以形成电连接的热电偶，热电偶位于两个陶瓷材 料表面中间，当出现温度梯度时，设备就会发电。由于一台可靠的热电发电机需要导热性，因此存在着输出电阻高和热特性较差等缺点 ，但这却可以大大减少设备 的热损耗，同时热电发电机价格便宜、体积较小、性能可靠，且由于没有活动的部件或者流体，故没有额外的重最。

考虑到线控制动系统采用机电驱动器代替了传统的液压驱动器，是一个更为紧凑而高效的系统，因此在研究中还对具有自激励和制动能量收集功能的基于磁流变的线控制动系统进行了评估，该系统是一种基于再生式制动的方法，其中典型的单盘式磁流变制动器具有樑式的自激励机构，并使用发电机进行再生制动和制动能量的回收。总而言之，基于不同制动片的热行为和能量回收，采用TEG来对耗散的热能进行回收是轻型车辆最常见的制动能量收集系统，尽管该系统对轻型车辆来说并不怎么灵活，此外，它还可以进行一些改动来适用于中型和重型的车辆。通过采 用纳米粒子对TEG系统进行改进，即摩擦电纳米发电机(TENG)，它已被证明在制动系统能量收集方面具有非常广阔的应用前景。

本文摘编自《越野车辆动力学——分析、建模与优化》，机械工业出版社出版，经出版方授权发布。

《越野车辆动力学——分析、建模与优化》基于机械概念和理论给出了越野车辆系统建模、数学描述和性能优化分析等问题的相关方法，主要目的是较为准确地概述越野汽车的动力学系统。本书首先建立了与车辆的行驶参数能够很好地吻合的数学模型，同时还介绍了高效地对在崎岖不平路面上行驶的车辆进行建模以获得车辆很好性能的方法，以及更快地针对越野车辆进行设计、开发、分析的基本原理。本书有助于读者开发计算机程序，并使用一些最优选的人工智能方法来对越野车辆动力学进行分析、建模和优化。读者可以根据需要选择学习。本书可作为高等院校机械工程、车辆工程、交通运输及相关专业的本科生、研究生教材，也可供对越野车辆感兴趣的研究人员和工程技术人员阅读参考。