CN112172520B - 一种压电馈能悬架系统及其建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电馈能悬架系统及其建模方法，属于汽车节能减排技术领域。本发明根据压电发电基本原理和车辆悬架系统振动能量的特点，设计了一款新型压电馈能装置。将压电馈能装置加装在钢板弹簧与车桥之间，与原悬架系统共同组成了压电馈能悬架系统，可实现对悬架系统中振动能量的回收。在压电馈能装置等效刚度和阻尼系数分析的基础上，提出压电馈能悬架系统建模方法，建立了双‑质量压电馈能悬架系统振动模型，并验证了建模方法的有效性和可行性。与现有技术相比，本发明具有结构简单可靠、加装方便、能量转换效率高和适用性强等优点。

Description

一种压电馈能悬架系统及其建模方法
技术领域
本发明属于汽车节能减排技术领域，具体为种压电馈能悬架系统及其建模方法。
背景技术
传统车辆在城市道路与高速公路混合循环工况下，所消耗的能量中仅有18～25％用于车辆行驶，即用于克服地面和空气阻力。除了发动机热损耗和制动能量损耗外，悬架系统在路面不平度和发动机等激励条件下产生随机振动，随机振动能量会被悬架减振器转化为热能形式消耗掉，也是一个重要的能量损失。悬架系统是车辆底盘的重要组成部分，起到连接车身与车轮的作用，能够缓和路面激励带给车身的冲击及衰减车身的振动，保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，使车身在不平路面激励下能够有良好的运动特性。因此，利用减振器对悬架系统消耗的振动能量进行收集，是提高整车的能量利用率，整车经济性和续航里程的关键因素之一。
当前，大多数馈能减振器的研究主要是电磁式、静电式和液电式馈能减振器，馈能功率小，能量损耗大，馈能效率低、结构尺寸比较大，不易满足实际的安装要求；制造成本高无法实现量产，很难实现应用推广。随着压电材料的不断创新和发展，有关压电式馈能减振器越来越受到人们的青睐。压电式馈能减振器不仅具有结构简单的优点，还包括无发热、无电磁干扰、惯性小和容易实现集成化等诸多优点，能够为馈能减振器最终进入产品化阶段，提供新的设计思路。但是，当关于馈能悬架系统建模方法的理论研究相对较少，并且缺少有效性和可行性的验证。
发明内容
基于上述背景技术，本发明提出了一种压电馈能悬架系统及其建模方法。根据压电发电基本原理和车辆悬架系统振动能量的特点，设计了一款新型压电馈能装置。将压电馈能装置加装在钢板弹簧与车桥之间，与原悬架系统(减振器和钢板弹簧)共同组成了压电馈能悬架系统，实现了对悬架系统中振动能量的回收。在压电馈能装置等效刚度和阻尼系数分析的基础上，提出压电馈能悬架系统建模方法，建立了双-质量压电馈能悬架系统振动模型，并验证了建模方法的有效性和可行性。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种压电馈能悬架系统及其建模方法，包括压电馈能装置，压电馈能装置加装在钢板弹簧与车桥之间，与减振器组成压电馈能悬架系统，将车架与车桥之间的相对运动转化为电能；对压电馈能悬架系统刚度和阻尼系数进行等效，提出一种有效可行的压电馈能悬架系统建模方法。
上述的一种压电馈能悬架系统及其建模方法，压电馈能装置包括：压电陶瓷、杠杆、固定壳体和连接架；固定壳体内设有一固定支点，杠杆设置在该支点上，杠杆的一端和连接架的下端连接，连接架的上端伸出固定壳体和钢板弹簧连接，接受来自钢板弹簧的冲击力；杠杆的另一端和固定壳体顶板之间安装压电陶瓷。
上述的一种压电馈能悬架系统及其建模方法，压电馈能装置还包括调整电机、调整螺杆、轴一、滚轮、移动支架和导轨；固定壳体内底板上固定导轨，固定导轨上滑动设置移动支架，移动支架上螺纹连接水平的调整螺杆，调整螺杆一端和位于固定壳体一端的调整电机连接，移动支架上设置有轴一，轴一上设置滚轮，调整电机、调整螺杆、轴一、滚轮、移动支架和导轨形成活动支点代替上述固定支点，杠杆支撑在滚轮上。
上述的一种压电馈能悬架系统及其建模方法，连接架下端通过轴二与杠杆铰接，保证杠杆右端的受力能够始终竖直向下。
上述的一种压电馈能悬架系统及其建模方法，杠杆一侧端面上设有与压电陶瓷内孔直径相同的小杆，能够准确的插入到压电陶瓷的内孔中，起到对压电陶瓷定位和导向的作用。
上述的一种压电馈能悬架系统及其建模方法，移动支架到压电陶瓷中心的距离为L1，到连接支架中心的距离为L2，记L2/L1＝n；调整电机带动调整螺杆转动，进而实现移动支架可沿导轨左右移动，移动支架沿导轨移动时，L1和L2改变，n也发生改变，由力矩平衡原理可知，作用到压电陶瓷轴向方向上的力的大小也发生变化，n的值增大作用到压电陶瓷轴向方向上的力也增大。在车辆行驶前或者行驶过程中，通过调节移动支架的位置能够实现压电陶瓷轴向方向上作用力大小的调节，进而实现发电功率的改变。
上述的一种压电馈能悬架系统及其建模方法，压电陶瓷刚度和阻尼系数的等效计算过程为：压电陶瓷的刚度表示为：k1＝E1S/hn2，其中，S＝π(R2-r2)为压电陶瓷的横截面积；h为压电陶瓷的高度，R为压电陶瓷外径，r为压电陶瓷内径；E1为压电陶瓷的杨氏模量；压电陶瓷阻尼器耗散能量等于其产生的电能，得出压电陶瓷的阻尼系数c1，
Figure BDA0002718409910000031
其中，d33为压电常数；C表示压电陶瓷的电容；k为压电馈能悬架系统的等效刚度；f为压电馈能悬架系统的第一阶固有振动频率。
杠杆刚度和阻尼系数的等效计算过程为：杠杆一端通过压电陶瓷和移动支架固定，另一端受钢板弹簧竖直方向上力的作用，整根杠杆可认为是一根一端固定、长度为L2的悬臂梁；杠杆的刚度、质量和阻尼系数，分别为：k2＝E2·ab3/4(L2)3，
Figure BDA0002718409910000032
；其中，E2为杠杆的杨氏模量；ρ为杠杆的密度；Sl为杠杆横截面面积；ζ为杠杆的阻尼比，a为杠杆横截面长度，b为杠杆横截面宽度；由杠杆的刚度表达式可知，当移动支架沿导轨移动时，L2的的长度会发生变化，即会使杠杆等效刚度发生变化，同时也使杠杆等效阻尼系数变化。
压电馈能悬架系统等效刚度和阻尼系数等效计算过程为：馈能悬架系统的等效刚度和等效阻尼系数，分别为：k＝k1k2k3/(k1k2+k2k3+k1k3)，c＝c1·c2/(c1+c2)+c3，k3和c3分别为原悬架系统的刚度和阻尼系数；调整电机在驱动移动支架左右移动的同时，也实现了对整个压电馈能悬架系统的刚度和阻尼系数的调整，进而提高馈能悬架系统性能、整车平顺性和操作稳定性。
上述的一种压电馈能悬架系统及其建模方法，建立双-质量压电馈能悬架系统振动模型，进行馈能悬架系统模型仿真和实车试验。
建立双-质量压电馈能悬架系统振动模型，进行馈能悬架系统模型仿真和实车试验。采用EEMD方法对试验数据降噪，对试验数据进行EEMD分解，得到从高频到低频有序排列的固有模态函数(IMF)分量；计算各IMF分量与试验数据的相关系数，设定阈值，删除若干阶IMF及残余项；对剩余的IMF分量进行重新构造，实现对原始试验数据降噪的目的。
对比分析降噪后的试验值与仿真值功率谱密度曲线，通过拟合优度的可决系数验证模型的准确性，可决系数为：
Figure BDA0002718409910000034
式中，m为检验模型精度数据的数量；
Figure BDA0002718409910000035
为模型第i个响应的仿真值；ai为模型第i个的试验值即真实值；
Figure BDA0002718409910000041
为平均值。结果验证了所建模型的准确性和建模方法的有效性与可行性。
本发明的有益效果如下：
1.本发明的一种压电馈能悬架系统，在原悬架系统中加装了压电馈能装置，压电馈能装置与钢板弹簧串联安装之后与减振器并联安装，对车辆原悬架系统改动较小，安装方便快捷。
2.压电馈能装置中，连接架与杠杆右端铰接，钢板弹簧通过连接架作用到杠杆上的力始终竖直向下，使压电陶瓷受到沿着轴线方向压力的作用。杠杆左上端面，有与压电陶瓷内孔直径相同的小杆，小杆准确的插入到压电陶瓷的内孔中，实现对压电陶瓷定位和导向的作用。
3.移动支架通过螺纹调整螺杆连接，调整电机带动调整螺杆转动，可实现移动支架沿导轨左右移动，实现对n和作用到压电陶瓷上作用力大小的调整。移动支架上部通过轴一和滚轮支撑在杠杆下端面，移动支架在移动过程中，滚轮绕着轴一转动，减小了调整过程阻力，提高了调整的平顺性。调整移动支架左右移动的同时，可实现整个馈能悬架系统的刚度和阻尼系数的调整，有效的提高馈能悬架系统性能、整车平顺性、安全性和操作稳定性。
4.在压电馈能装置等效刚度和阻尼系数分析的基础上，提出压电馈能悬架系统建模方法，建立双-质量压电馈能悬架系统振动模型，并对建模方法的有效性和可行性进行验证，为类似结构或者类似悬架系统的建模提供了重要参考。
附图说明
构成本申请的一部分说明书附图用来提供本申请的进一步理解，本申请的示意性实施示例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为压电馈能悬架系统结构示意图。
图2为馈能装置结构示意图。
图3为双-质量压电馈能悬架系统振动模型图。
图4为重构信号与原始信号对比图。
图5为试验数据与仿真数据功率谱密度曲线。
图中标记说明：
1-车架、2-钢板弹簧、3-减振器、4-压电馈能装置、5-车桥、6-车轮、41-压电陶瓷、42、调整电机、43-调整螺杆、44-轴一、45-滚轮、46-移动支架、47-导轨、48-杠杆、49-固定壳体、410-轴二、411-连接架。
具体实施方式
应当指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明：
结合图1压电馈能悬架系统结构示意图，介绍本发明一种压电馈能悬架系统及其建模方法，压电馈能悬架系统主要包括：钢板弹簧2、减振器3和压电馈能装置4。压电馈能装置4加装在钢板弹簧2与车桥5之间，与钢板弹簧2串联安装然后与减振器3并联组成压电馈能悬架系统，实现将车架1与车桥5之间的相对运动转化为电能。
如图2所示，压电馈能装置4包括：管状的压电陶瓷41、调整电机42、调整螺杆43、轴一44、滚轮45、移动支架46、导轨47、杠杆48、固定壳体49、轴二410和连接架411。连接架411上端与钢板弹簧2连接，接受来自钢板弹簧的冲击力，下端与杠杆48连接。杠杆48左端面和固定壳体49之间安装压电陶瓷41，杠杆48下端面通过移动支架46和导轨47支撑在固定壳体49上底板内侧。调整电机42安装在固定壳体49的左侧，通过调整螺杆43与移动支架46连接。连接架411下端通过轴二410与杠杆48铰接，保证杠杆右端的受力能够始终竖直向下。杠杆48的横截面为矩形，在杠杆的左上端面上设计有与压电陶瓷内孔直径相同的小杆，能够准确的插入到压电陶瓷的内孔中，起到对压电陶瓷定位和导向的作用。
为了保证杠杆平衡，移动支架46通过螺纹与调整螺杆43连接，调整电机42带动调整螺杆43转动，进而实现移动支架46可沿导轨左右移动。在杠杆48下端面安装移动支架46，移动支架46到压电陶瓷41中心的距离为L1，到连接支架411中心的距离为L2，记L2/L1＝n。移动支架46沿导轨47移动时，L1和L2改变，n也发生改变，由力矩平衡原理可知，作用到压电陶瓷41轴向方向上的力的大小也发生变化，n的值增大作用到压电陶瓷41轴向方向上的力也增大。移动支架46上部通过轴一44和滚轮45支撑在杠杆48下端面，滚轮45与杠杆48的接触部分即为杠杆平衡的支点。移动支架46在移动过程中，滚轮45绕着轴一44转动。
如图3所示双-质量压电馈能悬架系统振动模型，其中，簧载质量m、非簧载质量m’、馈能悬架系统刚度k、馈能悬架系统阻尼系数c、轮胎刚度k’、轮胎阻尼系数c’，路面不平度高程z(t)，s2和s1为簧载质量和非簧载质量相对于其相应平衡位置的位移。
馈能悬架系统等效刚度和等效阻尼系数为：k＝k1k2k3/(k1k2+k2k3+k1k3)，c＝c1·c2/(c1+c2)+c3，k1、k2、k3和c3、c2、c3分别为压电陶瓷、杠杆和原悬架系统的刚度和阻尼系数。
如图4所示，重构信号与原始试验数据对比图，采用EEMD方法对试验数据降噪，对试验数据进行EEMD分解，得到从高频到低频有序排列的IMF分量；计算各IMF分量与原试验数据的相关系数，设定阈值，删除若干阶IMF及残余项；对剩余的IMF分量进行重新构造获得重构信号。
如图5所示，对比分析降噪重构后的试验数据与仿真数据功率谱密度曲线，通过拟合优度的可决系数验证模型的准确性和建模方法的有效性与可行性。

Claims (6)

1.一种压电馈能悬架系统，其特征在于：包括压电馈能装置(4)，压电馈能装置(4)加装在钢板弹簧(2)与车桥(5)之间，与减振器(3)组成压电馈能悬架系统，将车架(1)与车桥(5)之间的相对运动振动能量转化为电能；并对压电馈能悬架系统刚度和阻尼系数进行等效，提出压电馈能悬架系统建模方法；压电馈能装置(4)包括：压电陶瓷(41)、杠杆(48)、固定壳体(49)和连接架(411)；固定壳体(49)内设有一固定支点，杠杆(48)设置在该支点上，杠杆(48)的一端和连接架(411)的下端连接，连接架(411)的上端伸出固定壳体(49)和钢板弹簧(2)连接，接受来自钢板弹簧的冲击力；杠杆(48)的另一端和固定壳体(49)顶板之间安装压电陶瓷(41)：压电馈能装置(4)还包括调整电机(42)、调整螺杆(43)、轴一(44)、滚轮(45)、移动支架(46)和导轨(47)；固定壳体(49)内底板上固定导轨(47)，固定导轨(47)上滑动设置移动支架(46)，移动支架(46)上螺纹连接水平的调整螺杆(43)，调整螺杆(43)一端和位于固定壳体(49)一端的调整电机(42)连接，移动支架(46)上设置有轴一(44)，轴一(44)上设置滚轮(45)，调整电机(42)、调整螺杆(43)、轴一(44)、滚轮(45)、移动支架(46)和导轨(47)形成活动支点代替上述固定支点，杠杆(48)支撑在滚轮(45)上。
2.根据权利要求1所述的一种压电馈能悬架系统，其特征在于：连接架(411)下端通过轴二(410)与杠杆(48)铰接，保证杠杆右端的受力能够始终竖直向下。
3.根据权利要求1或2所述的一种压电馈能悬架系统，其特征在于：杠杆(48)一侧端面上设有与压电陶瓷内孔直径相同的小杆，能够准确的插入到压电陶瓷的内孔中，起到对压电陶瓷定位和导向的作用。
4.根据权利要求1所述的一种压电馈能悬架系统，其特征在于：移动支架(46)到压电陶瓷(41)中心的距离为L1，到连接支架(411)中心的距离为L2，记L2/L1＝n；调整电机(42)带动调整螺杆(43)转动，进而实现移动支架(46)可沿导轨左右移动，移动支架(46)沿导轨(47)移动时，L1和L2改变，n也发生改变，由力矩平衡原理可知，作用到压电陶瓷(41)轴向方向上的力的大小也发生变化，n的值增大作用到压电陶瓷(41)轴向方向上的力也增大。
5.基于权利要求4所述的一种压电馈能悬架系统的建模方法，其特征在于：压电陶瓷(41)刚度和阻尼系数的等效计算过程为：压电陶瓷(41)的刚度表示为：k1＝E1S/hn2，其中，S＝π(R2-r2)为压电陶瓷的横截面积；h为压电陶瓷的高度，R为压电陶瓷外径，r为压电陶瓷内径；E1为压电陶瓷的杨氏模量；压电陶瓷阻尼器耗散能量等于其产生的电能，得出压电陶瓷(41)的阻尼系数c1，
Figure FDA0003316117620000021
其中，d33为压电常数；C表示压电陶瓷的电容；k为压电馈能悬架系统的等效刚度；f为压电馈能悬架系统的第一阶固有振动频率；
杠杆(48)刚度和阻尼系数的等效计算过程为：杠杆一端通过压电陶瓷(41)和移动支架(46)固定，另一端受钢板弹簧(2)竖直方向上力的作用，整根杠杆(48)可认为是一根一端固定、长度为L2的悬臂梁；杠杆的刚度、质量和阻尼系数，分别为：k2＝E2·ab3/4(L2)3，m2＝ρSl·L2，
Figure FDA0003316117620000022
其中，E2为杠杆的杨氏模量；ρ为杠杆的密度；Sl为杠杆横截面面积；ζ为杠杆的阻尼比，a为杠杆横截面长度，b为杠杆横截面宽度；由杠杆(48)的刚度表达式可知，当移动支架(46)沿导轨(47)移动时，L2的的长度会发生变化，即会使杠杆(48)等效刚度发生变化，同时也使杠杆(48)等效阻尼系数变化；
压电馈能悬架系统等效刚度和阻尼系数等效计算过程为：馈能悬架系统的等效刚度和等效阻尼系数，分别为：k＝k1k2k3/(k1k2+k2k3+k1k3)，c＝c1·c2/(c1+c2)+c3，k3和c3分别为原悬架系统的刚度和阻尼系数；调整电机(42)在驱动移动支架(46)左右移动的同时，也实现了对整个压电馈能悬架系统的刚度和阻尼系数的调整，进而提高馈能悬架系统性能、整车平顺性和操作稳定性。
6.根据权利要求5所述的一种压电馈能悬架系统的建模方法，其特征在于：建立双-质量压电馈能悬架系统振动模型，进行馈能悬架系统模型仿真和实车试验；采用EEMD方法对试验数据降噪，对试验数据进行EEMD分解，得到从高频到低频有序排列的固有模态函数分量；计算各固有模态函数分量与试验数据的相关系数，设定阈值，删除若干阶固有模态函数及残余项；对剩余的固有模态函数分量进行重新构造，实现对试验数据降噪的目的；
对比分析降噪后的试验值与仿真值功率谱密度曲线，通过拟合优度的可决系数验证模型的准确性，可决系数为：
Figure FDA0003316117620000031
式中，m为检验模型精度数据的数量；
Figure FDA0003316117620000032
为模型第i个响应的仿真值；ai为模型第i个试验值即真实值；
Figure FDA0003316117620000033
为平均值；结果验证了所建模型的准确性和建模方法的有效性与可行性。
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