《越野車輛動力學》系列文章：

越野車的性能——影響越野車性能的參數(shù) 已發(fā)布

越野車的性能——可變形路面上的車輛動力學 已發(fā)布

越野車的性能——平順性 已發(fā)布

越野車的性能——運動穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性  已發(fā)布

從能量角度分析越野車的機動性——越野車機動的能源與動力源 已發(fā)布

4.2 減振器（能量收集）

4. 2. 1 從懸架系統(tǒng)中收集能量

車輛的振動能量可以被回收利用，用來運行一些電動車輛系統(tǒng)或子系統(tǒng)，發(fā)動機內部燃料燃燒所產生的能最中，只有極少部分的能量被傳遞到車輪上，其余均通過熱能、傳動系統(tǒng)的能量損失以及發(fā)動機振動而耗散掉了，更糟糕的是，傳遞到車輪上的力仍然僅有一小部分被用來驅動車輛行駛，大多數(shù)的能量都在振動和運動中被耗散掉。從車輛的懸架系統(tǒng)中收集／回收能量對于越野車輛無疑是十分重要的，因為對于越野車輛來說，它更容易由于道路的不規(guī)則隨機激勵而振動，首先要捕獲懸架系統(tǒng)的振動運動，然后將其盡可能地用于主動懸架控制和能量再生裝置。傳統(tǒng)的減振器可以在抑制路面不平順所引起的垂直運動時耗散掉大量能量，從而減弱垂直運動的動能，其中大多數(shù)的減振器都是通過黏性流體或者干摩擦將能量轉換為熱能從而耗散掉。饋能式懸架可分為兩類：機械饋能式懸架和電磁饋能式懸架。機械饋能式懸架可以吸收懸架的動能，將其轉化為液壓或者氣動能量儲存在蓄能器中，被動式液壓阻尼器通常應用于便宜且簡單的汽車懸架系統(tǒng)中。然而這些液壓／氣動系統(tǒng)都是具有一定缺點的，第一，復雜的管道系統(tǒng)重量較大，并且需要更多的安裝空間；第二，軟管如果泄漏或者破裂，可能會損壞到整個的系統(tǒng)；第三，液壓／氣動系統(tǒng)的響應帶寬較窄，從而限制了懸架的性能；第四，再生的液壓／氣動能量很難被再利用，尤其是在汽車工業(yè)正致力于將混合動力電動汽車和全電動汽車商業(yè)化時。近年來，機電一體化領域和傳感器領域的重大發(fā)展導致越來越多的汽車采用半 主動和主動懸架，在液壓缸中，液壓油被加熱，熱空氣被轉移到了周圍的介質中。

越野車受到各種各樣的道路不平坦和隨機道路輪廓的影響，除了典型的滾動阻力外，還可能會導致車輛經歷更大的能量損失，在越野車輛中，由振動所造成的能量損失可以被回收／重新捕獲以用于車輛懸架系統(tǒng)。接下來，分析具有功率譜密度(PSD)道路輪廓的隨機道路激勵下越野車輛懸架系統(tǒng)的能量收集，以及諧波道路輪廓下的能量收集，結果表明，能量回收與系統(tǒng)的頻率、振型以及簧載質量和非簧載質量之間的相對速度和路面形狀密切相關。

主動懸架雖然有著出色的性能，但與其他技術例如電磁閥和磁流變(MR)液阻尼器以及機械再生阻尼器相比，卻有著耗能、笨重、成本高等缺點。機械饋能式懸架的好處在于可以將蓄能器添加到當前的液壓或氣動懸架中，并減少主動控制振動時的能量需求，然而它的主要缺點就是頻率較低且響應較慢。

可回收的最大能量是由黏性阻尼 C2 耗散的能量，瞬時阻尼力與懸架速度成正比，瞬時功率為力乘以懸架速度。因此，瞬時功率消耗為

單位時間內， 每秒鐘的功單位為J， 與上式中的功率密切相關， 因此，可以通過功率收集指數(shù)來計算收集的能量。

因此， 減振器的平均功率與懸架速度的均方（而不是均方根）成正比， 在這兩者之間收集能量就必須使用一個阻尼系數(shù)大于期望值的懸架。

通過在車輛中使用優(yōu)化的再生磁性減振器來節(jié)能是一種非常有效的解決方案，因為這種減振器可以將損耗的機械能轉換為電能并將其儲存起來， 以此來提高電動車的能量效率， 使電池的運行時間更長。

簧載質量和非簧載質量以及被動阻尼系數(shù)如圖4. 1所示，凡是主動懸架系統(tǒng)中執(zhí)行器的主動力， 由控制策略決定。對于單自由度系統(tǒng)， 我們已經在平順性章節(jié)中討論了其一般性方程，而對于二自由度主動懸架系統(tǒng)來說， 主要方程如下所示：

圖4.2考慮了單自由度四分之一車輛模型。汽車在諧波路面上行駛的模型如圖4.3所示。

通過對所 提出的質量－ 彈簧－ 阻尼器系統(tǒng)的動態(tài)響應進行研究， 以確定由路面不平整和懸架振動引起并由懸架系統(tǒng)所 回收的勢能大小， 與傳統(tǒng)液壓減振器不同，再生減振器會將懸架系統(tǒng)中的振動能量轉換為電能， 眾所周知， 這種電能可用于混合動力汽車和電動汽車。我們可以建立出這個系統(tǒng)的運動方程如下：

目前有關車輛再生減振器的研究主要集中在系統(tǒng)開發(fā)上，該系統(tǒng)可以利用電磁材料從車輛的振動中產生電能，而減振器與懸架彈簧是平行放置的，懸架彈簧必不可少地會耗散掉一部分的車輛振動能量，因此，不能充分吸收和轉移來自懸架系統(tǒng)的動能（圖4.5)。此外，電磁材料的轉換效率不是很高，目前可用的振動電轉換機制主要有電磁式、靜電式和壓電式三種，而三種能量轉換方式中壓電式轉換的效率是首選的，遠遠地高于其余兩種，動能隨時間和頻率的變化如圖4.6所示。

圖4.7和圖4.8描述了在可以用功率譜密度來表示的路面上，非簧載質量和道路表面之間的相對加速度以及輪胎在垂直方向上的位移。圖4.9為車輛在40m/s速度下的典型位移曲線，并觀察到了簧載質量和非簧載質量在最大振幅為0.13m的隨機橫向道路激勵下相對峰值之間的沖擊位移。簧載質量與非簧載質量的相對位移對于汽車的乘坐舒適性來說也是十分重要的，此外還展示了車輛在隨機不規(guī)則道路激勵下行駛時，30s內簧載質量和非簧載質量之間的位移是怎樣變化的。

圖4.10是在圖4.7、圖4.8和圖4.9所示數(shù)據(jù)以及汽車速度在5~ 60m/s時簧載質量與非簧載質量之間相對速度的基礎上得到的可回收功率均方根。結果表明，在60m/s的速度下，最大的可收獲功率為67.5W,在5~40m/s的速度范圍內，能量收集的趨勢是線性的，而在這個范圍之后，由曲線的形狀特征可以看出斜率大大下降。

圖4.11所示為受擾動的車輛系統(tǒng)中， 道路不平順性對懸架撓度、輪胎變形和 車身加速度的頻率響應。在對于實際應用更重要的0 ~ lOrad/s較低頻率范圍內，當使用有能械回收裝置的主動懸架系統(tǒng)時， 第一個峰值會降低， 這減少了輪胎的變形（由于滾動阻力而成為能量耗散的一個重要指標）， 還降低了與平穩(wěn)性指標密切相關的車身加速度。

4. 2. 2 輪胎能量的收集

為TPMS（輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）提供能屈的輪胎能量收集系統(tǒng)一直是動力學領域的研究熱點，它可以減少系統(tǒng)的維護和運行成本，但是，如果監(jiān)測系統(tǒng)以電池作為能量源，電池中的有害物質就可能會被排放到環(huán)境中，從而造成環(huán)境污染，因此在實際應用中，采用功能系統(tǒng)進行能量收集的技術出現(xiàn)了一些新趨勢，其核心基本原理是利用機械振動作為自己的能量源。值得注意的是，能蜇回收的本質是將周圍的能量（通常是機械能）轉換為電能來運行一些小型儀器（例如TPMS)，該過程通常是由一個系統(tǒng)或者兩個系統(tǒng)協(xié)同來完成的。最常用的動能產生系統(tǒng)包括電磁能收集、靜電能收集、壓電能收集和熱能收集，以及磁致伸縮、摩擦電和電活性聚合物。每種系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點，文獻中對上述系統(tǒng)進行了大量的研究和比較，以確定最佳的輪胎能量收集系統(tǒng)，每個系統(tǒng)的最終目的都是開發(fā)出一個有競爭力的無電池輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，并在實驗室和道路上測試系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)的能量可以通過充氣輪胎連續(xù)的變形來提供，變形又被分為兩種形式：輪胎在和地面之間接觸面上的變形和輪胎的振動。輪胎變形取決于輪胎材料、輪胎載荷、輪胎的充氣壓力和輪胎與地面之間的相互作用等參數(shù)。

4. 2. 2.1 電磁法收集能量

附著在質量塊上的電磁線圈相對于穩(wěn)定磁鐵的線性運動是電磁法背后的理論依據(jù)（圖4. 12)，根據(jù)法拉第電磁感應定律，輪胎的周期性變形和振動使得線圈的質量分量相對于磁鐵做線性相對運動，從而在線圈中產生電流。盡管線性振動是電磁能量采集器最典型的配置，但在文獻記載中，有很大一部分能量采集器采用的是懸臂梁系統(tǒng)，在懸臂梁的自由端附著有振動質量塊，可以同時容納線圈或者磁鐵，從而產生電能。據(jù)文獻記載，電磁能量系統(tǒng)的振動頻率為幾百赫茲，能夠提供的功率范圍[18] 為0. 3 - 800 μ,W, 在這方面，Glynne - Jones等人演示了一種能夠提供 157 μ,W功率的電磁發(fā)電機。假設磁場為0. lT, 自由空間的磁導率為4mJ/cm3 , Roundy等人對電子轉換器的最大能量密度進行了估計，總的來說，能量密度是磁場強度的關鍵。由于電磁法的性能與系統(tǒng)振動性能密切相關，因此可以對彈簧－質量系統(tǒng)中的彈簧進行設計，其中系統(tǒng)的共振頻率就是采集器運行的激勵頻率，但這也意味著這種方法僅限于在某個頻率范圍內使用。這些系統(tǒng)最重要的優(yōu)點是設計和操作條件比較簡單，這是由于非接觸條件提高了各個組件的精度和折舊率，但是主要的缺點就是整個系統(tǒng)的尺寸較大，需要嵌入輪胎中，輸出電壓低，功率密度低。

4.2.2.2 靜電法收集能量

這種方法的核心思想是夾在兩塊相對運動平板之間的介質電容器的電壓感應，電容器上的電壓取決于儲存的電荷、電極間距、電極面積和介質的介電常數(shù)。這種類型的采集器是基于與振動相關的電容器的電容變化，而這種變化是輪胎振動引起的，振動隔離了可變電容器帶電的極板，因此，在需要極化源運行時，機械能轉換為電能。

電容器中獲得的電壓取決于存儲的電荷、電容器材料、極板之間的距離、電極 的位移和面積。為此， 有兩種實用方法：在機械振動過程中， 電位穩(wěn)定時電荷隨著 電極距離的減小而增加， 電容器兩端的電勢(V) 會發(fā)生變化(Q = CV)， 其中Q為電荷， C為可變電容器， 在第二種方法中， 電荷恒定時電壓隨著電容器的減小而增加。這兩種情況都會使存儲在電容器上的能量增加， 并且可以提取出來為設備供 電。由于周圍環(huán)境振動通常振幅較小， 因此使用質量彈簧系統(tǒng)會產生共振現(xiàn)象， 與振動幅度相比， 可移動質量的相對運動幅度會增大，從而增加了采集到的功率。當 電場是30V/μm且自由空間的介電常數(shù)已知時，靜電轉換器可收集到的能量最大為 4mJ/cm3。通常來講，靜電設備適用于小型的能量采集器， 而電磁轉換器適用于大 型設備，但是與電磁能量收集系統(tǒng)不同，靜電系統(tǒng)可兼容微型機械， 并且可以與MEMS系統(tǒng)進行功能集成， 該系統(tǒng)具有輸出電壓大、體積小、簡單方便、成本低等優(yōu)點， 無駐極體轉換器沒有直接的機械能和電能， 因此主要缺點是需要持續(xù)的預充 電， 此外， 電容的電極之間還存在著接觸的風險。

4.2. 2. 3 壓電法收集能量

還可以使用在施加應力或應變時產生電荷的壓電材料（圖4.13)來收集能量，當受到機械應力或應變時， 某些特定類型的材料中會產生感應電荷， 壓電效應可以理解為晶體材料中機械狀態(tài)和電狀態(tài)之間線性的機電相互作用， 沒有空間的反演對稱性。壓電設備在量化壓力、加速度、溫度、應變和力的過程中都得到了廣泛應用， 這種極化效應是材料的固有特征， 電能是材料對機械能的響應而產生的， 該電 流是通過逆壓電效應將機械振動轉化為壓電變形而產生的交流電。這種方法繼承了微機械加工和微器件集成的優(yōu)點， 盡管應用這個系統(tǒng)有很多不同的類型，但最常見 的還是懸臂梁共振結構， 可以使機械振動轉化為電能。在這種情況下， 懸臂梁中包含有壓電材料， 同時在梁的末端插入慣性質量， 壓電元件中有一個充電電路和一個存儲緩沖器， 因此， 壓電振動能量采集器是在慣性質量的基礎上工作的， 其中帶有壓電層的懸臂受到懸臂末端振動源的共振，而振動源則來自于輪胎滾動，文獻中有基于尖端質量壓電能量采集的懸臂梁研究。與電磁能量采集器相比，這種方法可以在更大的共振頻率范圍內使用，同時，在振動引起的機械變形和產生的電量之間存在著密切關系，施加的頻率越高，產生的電量越大。電荷量的多少取決于壓電材料以及施加在材料上的機械變形大小，根據(jù)文獻研究記載，用安全系數(shù)為2的鉛欽酸 鉛材料可以收集的壓電能量最大為17. 5mJ/cm3 。這個系統(tǒng)具有魯棒性好、可靠性高、無須控制、輸出電壓高等優(yōu)點，由于系統(tǒng)安裝在在輪胎內部，故輪胎內壁可以作為該系統(tǒng)的外殼，輪胎在行駛過程中的變形會帶來加速度，尤其是在不規(guī)則的路面上行駛時加速會更嚴重，在加速度超出預期值時，系統(tǒng)有被機械損壞的風險，盡管該系統(tǒng)具有一定的優(yōu)越性，但由于與材料性能相關的耦合系數(shù)存在缺陷，因此在經濟上并不方便添加。此外，與靜電能噩采集系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的尺寸也是個難點。

4.2.2.4 熱能量采集系統(tǒng)

物理中的塞貝克效應是說，在兩個半導體材料組成的閉合回路中，兩個材料之間的溫度梯度會使產生的電勢將熱能轉化為電壓，也被稱為熱電效應，是溫度梯度到電壓的直接轉換?？梢杂孟率?來表示：

熱能量采集器，也叫作熱電能最采集系統(tǒng)，包括熱電發(fā)電機、散熱器、電壓調節(jié)器和能量存儲設備，還需要一個熱源來產生熱量梯度（圖4.14)。

這種方法廣受人們的關注，因為在汽車中，許多地方都會產生大量的熱能，包括發(fā)動機室、排氣系統(tǒng)和制動系統(tǒng)[13] ，然而這種系統(tǒng)一般安裝在輪胎內，因為輪胎產生的熱能作為輪胎在地面上行駛以及滾動阻力的副產品，是一個非常大的能量耗散源。其主要缺點為價格昂貴，同時必須提供穩(wěn)定的溫度梯度。

由于各個元件的熱阻不同，元件內部存在著熱流，而微加工的目的則是在微型機電系統(tǒng)(MEMS)中采用熱梯度法，但由于很難提供穩(wěn)定的熱梯度，因此較為困難。

4. 2. 2.5磁致伸縮、電活性聚合物和摩擦電材料

一般來說，能量采集系統(tǒng)最主要的類型是靜電系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)和壓電系統(tǒng)，但此外還包括磁致伸縮、摩擦電和電活性聚合物。磁致伸縮材料包括鐵磁性部件，它的尺寸和幾何形狀都會隨著外部磁場的變化而變化，由于磁場的旋轉，隨機放置的磁鐵會重新排列，這些電源在線圈中可以形成電流，同理也會在輪胎的機械振動中形成電流。在對材料施加機械力時，會形成逆磁致伸縮效應，材料會產生一個磁場，這個磁場作用在線圈上時會產生電流進而獲得電能。摩擦起電是一種接觸型電流采集，當兩個表面之間存在摩擦性接觸，且在兩表面之間有一個空間，此時某些確定的材料就會帶電，將產生的電量輸出取決于接觸時間、材料種類和特性、接觸區(qū)域以及循環(huán)接觸。更多摩擦起電領域發(fā)展的詳細信息請參見文獻[34，35]電活性聚合物在傳感器、換能器和執(zhí)行器上的應用越來越廣泛，這些材料的主要特點都是當施加一個外部載荷時，會產生較大變形。電活性聚合物有兩種主要類型，電介質和離子型。雖然電活性聚合物的能量密度大約為550mJ/g，但都是基于些寬度為幾微米的薄膜，因此需要一個較大的發(fā)電機來提供能量。文獻中針對采集能量的不同途徑記載了這種方法的發(fā)展前景，這種方法的優(yōu)點是具有較大的應變能力，缺點是對外部電壓有需求。

4. 2. 3 制動能量的收集

能量回收的一個重要來源是車輛的零件，例如懸架系統(tǒng)、輪胎、制動系統(tǒng)、發(fā)動機振動等，其目的是為微電子設備、傳感器、執(zhí)行器和無線系統(tǒng)供電，以及優(yōu)化燃油消耗。制動能量作為能量收集的一個來源，可以分為制動墊片接觸式和非接觸式。Han等人提出了一種能夠在制動和非制動過程中從轉盤結構中收集能量的方法，該方法綜合了摩擦電和靜電感應等方法并將其應用于車輛和火車上。利用熱電發(fā)電機對制動片中廢棄熱能的回收進行試驗研究，根據(jù)文獻記載，一輛重型汽車在制動過程中大約會將 400~3000kw 的能量轉化為熱量浪費掉。然而其中的一個難點就是找到一個最佳尺寸的系統(tǒng)能夠很好地與制動系統(tǒng)相匹配，熱電發(fā)電機(TEG)就是解決該問題的一個很好的選擇，而摩擦電納米發(fā)電機(TENG)則在能量收集方面表現(xiàn)出了良好的適用性。很明顯可以看出，制動過程中絕大多數(shù)的能量都是被轉換成熱量耗散掉的，而耗散能量的多少取決于前進的速度和車輛質量，在制動過程中，有許多不同類型的能量收集／回收系統(tǒng)，例如混合動力汽車通常采 用的再生制動系統(tǒng)。再生制動器是一種能量收集裝置，它可以使車輛減速，并利用 電機將動能轉換為電能，在某些車輛中，轉化的電能以化學能的形式存儲在電池中。另一種較為常見的方法是利用飛輪來存儲能量，通過把飛輪的轉子加速至非常高的速度，將能量保持為旋轉能量，而且通過這種方法可以獲得較大的最大輸出功率。這些系統(tǒng)的最大缺點就是尺寸和重量都較為龐大。熱電發(fā)電機，即所謂的塞貝克發(fā)電機，能夠將溫度梯度轉化為電能，是將制動片中損耗的熱能轉化為電能最常 用的一種方法。

TEG由半導體材料構成，可以形成電連接的熱電偶，熱電偶位于兩個陶瓷材 料表面中間，當出現(xiàn)溫度梯度時，設備就會發(fā)電。由于一臺可靠的熱電發(fā)電機需要導熱性，因此存在著輸出電阻高和熱特性較差等缺點 ，但這卻可以大大減少設備 的熱損耗，同時熱電發(fā)電機價格便宜、體積較小、性能可靠，且由于沒有活動的部件或者流體，故沒有額外的重最。

考慮到線控制動系統(tǒng)采用機電驅動器代替了傳統(tǒng)的液壓驅動器，是一個更為緊湊而高效的系統(tǒng)，因此在研究中還對具有自激勵和制動能量收集功能的基于磁流變的線控制動系統(tǒng)進行了評估，該系統(tǒng)是一種基于再生式制動的方法，其中典型的單盤式磁流變制動器具有樑式的自激勵機構，并使用發(fā)電機進行再生制動和制動能量的回收?？偠灾?，基于不同制動片的熱行為和能量回收，采用TEG來對耗散的熱能進行回收是輕型車輛最常見的制動能量收集系統(tǒng)，盡管該系統(tǒng)對輕型車輛來說并不怎么靈活，此外，它還可以進行一些改動來適用于中型和重型的車輛。通過采 用納米粒子對TEG系統(tǒng)進行改進，即摩擦電納米發(fā)電機(TENG)，它已被證明在制動系統(tǒng)能量收集方面具有非常廣闊的應用前景。

本文摘編自《越野車輛動力學——分析、建模與優(yōu)化》，機械工業(yè)出版社出版，經出版方授權發(fā)布。

《越野車輛動力學——分析、建模與優(yōu)化》基于機械概念和理論給出了越野車輛系統(tǒng)建模、數(shù)學描述和性能優(yōu)化分析等問題的相關方法，主要目的是較為準確地概述越野汽車的動力學系統(tǒng)。本書首先建立了與車輛的行駛參數(shù)能夠很好地吻合的數(shù)學模型，同時還介紹了高效地對在崎嶇不平路面上行駛的車輛進行建模以獲得車輛很好性能的方法，以及更快地針對越野車輛進行設計、開發(fā)、分析的基本原理。本書有助于讀者開發(fā)計算機程序，并使用一些最優(yōu)選的人工智能方法來對越野車輛動力學進行分析、建模和優(yōu)化。讀者可以根據(jù)需要選擇學習。本書可作為高等院校機械工程、車輛工程、交通運輸及相關專業(yè)的本科生、研究生教材，也可供對越野車輛感興趣的研究人員和工程技術人員閱讀參考。