汽車振動能量回收懸架近年來，節(jié)能已經(jīng)成為一個非常重要的問題。限制能量耗散的一種可用方法是回收那局部耗散的能量。實現(xiàn)能量回收的一種最有效的方法是將機械振動轉(zhuǎn)化為儲存在蓄電池里的有用電能，,然后將這局部能量用于驅(qū)動傳感器或主動系統(tǒng)或輔助電氣負載。這篇文章提出了道路車輛懸架系統(tǒng)能量收集裝置的應(yīng)用。該系統(tǒng)包括一個共振質(zhì)量阻尼器，一個線性永磁交流發(fā)電機和功率因數(shù)可控整流器〔電磁振動驅(qū)動發(fā)電機〕。在研究的第一階段，道路誘發(fā)懸架簧下質(zhì)量振動的能量回收裝置的性能還在探討中。考慮到物理約束的應(yīng)用〔懸架幾何、電磁振動驅(qū)動發(fā)電機質(zhì)量,等等〕，也為了優(yōu)化能量回收，對該裝置的參數(shù)進行了調(diào)整。電磁振動驅(qū)動發(fā)電機在本節(jié)中用圖形描述電磁振動驅(qū)動發(fā)電機的根本理論。振動驅(qū)動發(fā)電機〔VDG〕一般包括一個大的振動質(zhì)量〔M〕，通過彈簧連接〔k〕到一個剛性的外殼上。隨著外殼的振動，振動質(zhì)量質(zhì)量和外殼之間也產(chǎn)生相對運動。移動質(zhì)量產(chǎn)生的機械動能〔m〕大規(guī)模的轉(zhuǎn)化為磁鐵相對于線圈轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電能。這可以得到一個移動的磁鐵或移動的線圈結(jié)構(gòu)。在實踐中，為了防止電連接質(zhì)量，一個移動的磁鐵配置的制造更為簡單。在任何情況下,電壓線圈中感應(yīng)由于不同的磁鏈,與合成電流造成局部反對磁鐵和線圈之間的相對運動。因此，VDG的運動可以通過系統(tǒng)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)圖來描述，如圖2所示。圖2:VDG方案質(zhì)量為相對殼體運動的根本方程：〔1〕其中是質(zhì)量和外殼之間的相對位移〔即在磁鐵和線圈之間〕，是相對殼體的振動，是一種考慮電磁阻尼的等效阻尼系數(shù)〔轉(zhuǎn)換成電能的機械阻尼質(zhì)量〕和由于空氣阻力和物質(zhì)損失產(chǎn)生的寄生阻尼。可以看出，VDG是一個慣性發(fā)生器，即它只需要被錨定在一個移動體產(chǎn)生電力和阻尼器〔〕，它代表了能量提取機制。為了與一個預(yù)定的應(yīng)用環(huán)境的自然頻率同步〔即對殼體的振動頻率〕，這種發(fā)電機是在共振條件和最正確的能量條件下提取操作應(yīng)設(shè)計。事實上，假設(shè)發(fā)電機由諧波勵磁驅(qū)動，平均功率耗散〔〕在阻尼器上〔即通過傳導機制提取的能量〕([3]、[4]、[5]):〔2〕其中是阻尼比，和是VDG的固有頻率。因此，當裝置在頻率〔即〕運行時，最大功率耗散在發(fā)電機上，在這種情況下：(3)方程〔3〕說明了能量耗散功率在增加：線性的質(zhì)量；固有頻率的立方；振幅的平方；當阻尼比趨近于0；這只會發(fā)生如果運動源能夠提供無窮的動力，相對位移不受限制、無寄生阻尼存在的系統(tǒng)。實際上，這些條件是不可實現(xiàn)的。特別是，減小阻尼比增加的質(zhì)量位移。因此，阻尼比必須足夠高，以防止質(zhì)量位移極超過極限；如果慣性質(zhì)量的位移是有限的，方程〔3〕變成了：〔4〕阻尼比最大耗散功率：〔5〕發(fā)電機阻尼因子可能會進一步受到有害的寄生阻尼。事實上，可以通過包括寄生阻尼比的計算來獲得通過傳導機制提取的最大功率：〔6〕當時，最大功率傳遞到電氣領(lǐng)域，即當電氣領(lǐng)域的阻尼上升到等于機械損失時，在這種情況下，方程〔6〕變?yōu)椋骸?〕圖3EVDG方案由于阻尼電磁轉(zhuǎn)導可作為估計〔[5]〕:(8)其中為發(fā)電機線圈的匝數(shù)，為線圈的長度，，為電阻和線圈的電感〔見圖3〕，為磁通密度。在下面，提出了以前暴露對汽車主動懸架標準的應(yīng)用。考慮一個簡化的車輛模型〔四分之一汽車模型〕，對諧振式電磁振動驅(qū)動發(fā)電機設(shè)計的物理限制的說明和設(shè)備的預(yù)期性能進行估計。圖4:各種路面不平度的PDS([11])圖5:乘用車的振幅實驗FRF應(yīng)用概述本文提出的電磁振動驅(qū)動發(fā)電機應(yīng)用于一種車輛懸架。正如大家所熟知的，由于路面不平度,振動從地面?zhèn)鬏數(shù)杰囕v中心(非簧載質(zhì)量)和底盤(簧上質(zhì)量)。典型的道路提供寬帶隨機鼓勵，其特征是位移功率譜密度〔PSD〕呈現(xiàn)出振幅隨空間頻率n降低，〔參見圖4,[11]),而由于車輛底盤的上下，俯仰和滾轉(zhuǎn)運動的范圍和共振峰10-15Hz與輪胎的垂直運動相關(guān)聯(lián)〔[10]，見圖5〕，轎車普遍存在的共振峰在1到2.5Hz之間。理論上，EVDG可以連接到汽車底盤或非簧載質(zhì)量它的固有頻率可以汽車的簧載質(zhì)量或非簧載質(zhì)量同步。雖然最適宜的同步頻率似乎是由路面引起振動的振幅高頻率低的簧載質(zhì)量的固有頻率，在實踐中，振動通過汽車懸架傳遞給底盤。因此,EGVD必須固定在非簧載質(zhì)量，在這里，只有輕微的共振峰值與底盤固有頻率可以觀察到的〔參見圖5〕。這些因素導致與一個非簧載質(zhì)量相連的EVDG的固有頻率同步。因此，EVDG的振動質(zhì)量m不能超過3kg,以防止給汽車操作穩(wěn)定性帶來的負面影響。此外為了防止干擾彈簧和簧下質(zhì)量，EVDG的最大振蕩必須限制在一定范圍之內(nèi)，特別是，最大振蕩被限制在的懸架最大撓度的三分之一。從這個假設(shè)出發(fā),為了優(yōu)化能量回收裝置的參數(shù)和評估其性能，建立了一個簡單的車輛模型。車輛和路面不平度模型為了評估從路面振動回收能量，我們建立了四分之一汽車模型([12],如圖6所示)。該系統(tǒng)簡化為2自由度集中參數(shù)模型，其代表一種車輛的四個車輪。該模型包括簧載質(zhì)量,輪胎簧下質(zhì)量。兩個物體之間通過彈簧阻尼單元分別代表懸架和輪胎剛度和阻尼的地面連接。圖6:四分之一汽車車輛模型圖7:四分之一汽車車輛模型+EGDV該汽車四分之一模型的參數(shù)已從以往的研究中獲得〔[13]〕。圖8顯示了簧上/簧下質(zhì)量的產(chǎn)生的垂直加速度和路面施加的垂直加速度之間的頻響函數(shù)〔FRF〕。數(shù)值結(jié)果〔圖8.1b〕與四分之一檢測車輛在試驗臺上的測量值〔如圖8.1a〕進行了比擬。在實驗測試中，八個加速度計被放置在四個汽車輪轂對應(yīng)的懸架和車身之間。特別的，也測量了被施加的位移，頻響函數(shù)表示了測試車輛的左前角，如圖8所示。可以看到一個很好的四分之一汽車模型和實驗測量之間關(guān)系。圖8：四分之一汽車模型的頻響函數(shù)：〔a〕實驗〔b〕數(shù)值為了鼓勵EGVD的四分之一汽車系統(tǒng)，用隨機信號代表典型路面([14])。道路剖面W可以使用下面的位移功率譜密度〔PSD〕生成函數(shù)：〔9〕其中表示空間頻率〔周/m〕，表示參考空間頻率；是一個適宜描述路面不平度的嚴重性的常數(shù)。ISO建議和([14])。ISO根據(jù)道路外表情況將其分為五類。道路和分類推薦的參數(shù)在表1。而對于很好,平均和很差的道路剖面的最低限在圖4中描述。根據(jù)ISO分類,一些道路輪廓生成了0Hz到30Hz的頻率。實際上，空間頻率由給出，其中表示振動頻率，表示車速，逆快速傅里葉變換可用于確定在時域里的路面高度([15])。表1:不同類型的路面粗糙度系數(shù)范圍當EGDV被運用的四分之一汽車車輛模型的運動方程可以寫成：〔10〕其中表示懸架/輪胎剛度，表示懸架/輪胎阻尼；表示簧載質(zhì)量/非簧載質(zhì)量的垂直位移。正如所看到的，EGDV固定在非簧載質(zhì)量。注意，如果應(yīng)用下面的坐標變換