限定舒适性的馈能主动悬架系统可回馈能量分析

馈能式主动悬架系统能量回收效率不高、动力学性能有限,无法满足现代高级汽车集馈能与减振为一体的性能要求,馈能式主动悬架的设计需要估算实际可以回收振动能后,才有利于实际结构设计及振动控制优化。为此提出了一种振动能量功率流计算方法,针对直线电机式馈能主动悬架系统,并以相同振幅,不同频率的正弦路面激励,通过Matlab仿真计算分析了车身加速度均方根值与回馈能量之间的关系。研究结果表明,路面激励越大,馈能悬架回收的功率越多,最高可达1.4 kW,馈能效率为25%,同时乘坐舒适性变差。该计算方法能为馈能式主动悬架系统的参数设计和主动控制算法设计提供实用的理论参考,在满足一定舒适性的前提下尽可能回收更多的能量的同时,提高了能量回收效率。     

馈能悬架BP神经网络PID控制研究

为使主动悬架能回收振动能量,建立了二自由度电磁式馈能悬架系统模型,设计了基于BP神经网络算法的PID控制器,对电路执行PI控制,以调节主动控制力的实际输出,以悬架的车身加速度、悬架动行程和轮胎动位移作为车辆动力学性能的评价指标,以自供能效率、馈能效率分别作为悬架能量利用与回收的评价指标,利用MATLAB/Simulink软件进行仿真分析。结果表明,通过PI控制电路输出的主动控制力的实际值与理想值基本一致;基于BP神经网络PID控制的馈能悬架在不同输入条件下均能有效改善车辆性能;并且该系统能回收部分悬架振动能量,其中自供能效率稳定在约55%,馈能效率稳定在约16%。     

基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动能量俘获机理与动力学特性研究

提出一种基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动俘能器，实现在宽频范围内有效地采集低能轨道振动能量。将质量块和弹簧组成的线性放大机构置于三稳态压电俘能器与基座之间，调节线性放大机构与俘能器之间的质量比和刚度比，使三稳态俘能器获得较大的输入动能从低能轨道运动跳转到高能轨道运动，从而获得更高的输出性能和更宽的工作频带。利用能量法建立了描述该复合压电振动俘能器系统动态响应的非线性机电耦合数学模型；采用动态分岔图仿真研究了系统质量比和刚度比对压电俘能器动态输出性能的影响及其能量俘获机理。实验验证了理论结果的正确性。研究结果表明：合理调节系统质量比和刚度比，复合俘能器可以在低能轨道振动时获得更宽的工作频带和更高的发电能力。与传统刚性基座三稳态压电俘能器相比，实验获得复合压电俘能器的阱间运动频率范围由3～14 Hz扩大到2～21.5 Hz，从低能轨道振动跳转到高能轨道振动所需的激励加速度由13.5m/s²降至5.8m/s²。     

锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）俘能效率实验研究

为研究不同因素对压电陶瓷俘能影响规律，提高能量俘获效率，本文以锆钛酸铅压电陶瓷（lead zirconate titanate piezoelectric ceramics，PZT）为研究对象。首先，搭建实验测试平台，通过实验获得了3种不同振幅（2、6、10 mm）下PZT输出电压与激励频率的关系，得到被测样件的最佳俘能参数；其次，在对存储电路进行优化的基础上，分别将PZT以单张、双张串联、双张并联以及双路输入的方式接入存储电路，各自在最佳俘能参数下振动30 min，为存储电路中的锂电池进行充电；最后，通过对比锂电池带动二极管的时长来评估不同输入方式的俘能效率。研究结果表明，在以最佳俘能参数振动30 min后，并联方式的俘能效率最高，可使功率为60 mW的二极管持续工作120 s。     

新型馈能型悬架及其工作原理

为回收汽车悬架间被减振器消耗的振动能量,提出一种集减振与回收振动能量功能于一体的新型馈能型悬架,并研究该新型馈能型悬架的工作原理。首先对馈能型悬架的关键部件——馈能装置的力学特性进行理论分析与试验测定。通过解析馈能装置作用在簧载质量上的馈能阻尼力得知：馈能装置的力学特性由其结构确定的粘性阻尼参数和类似库伦阻尼参数体现。进而建立馈能型悬架的动力学模型,并在汽车以72 km/h的速度行驶于C级路面的随机输入条件下对其进行数值仿真。仿真结果显示：馈能型悬架吸收发动机的平均功率略小于被动悬架,但有高达84%的吸收功率被馈能装置回收;馈能型悬架的使用性能也明显优于被动悬架,说明使用馈能型悬架来改善汽车的行驶平顺性和燃油经济性在理论上是可行的。     

磁力增强涡激振动压电俘能器仿真及实验

为了提高低流速水流环境的俘能特性,基于涡激振动原理和压电振动能量采集技术,提出一种磁力增强涡激振动俘能器。该俘能器由压电层合悬臂梁、尾端圆柱绕流体和磁铁组成。首先,通过流?固?电耦合有限元仿真,分析了无附加磁力涡激振动压电俘能器的俘能特性,可知其低流速环境下俘能效率较低;其次,搭建流致振动俘能器实验平台,研究了磁力增强俘能器的俘能特性。实验结果表明：在横斥纵吸磁铁布置情况下,压电俘能器结构的固有频率较低,在较低流速下更容易起振,且达到涡激共振所需的流速范围较低;在磁场力的作用下其振动变形较大,输出电压较高,振动频带较宽;当水流流速为0.5 m/s时,磁力增强压电俘能器的输出功率均方根值达到120 μW,较无附磁情况的压电俘能器提高了57.8%,这表明横斥纵吸附磁式涡激振动压电俘能器在较低流速流场环境中具有更高的俘能效率。     

广义执行器馈能主动悬架研究

为实现车辆悬架的主动控制以及悬架振动能量的回收,提出一种基于广义执行器的馈能主动悬架。研究电磁式、液电式、气压式三种常见馈能主动悬架的特点,忽略馈能主动悬架模型的物理意义,从数学角度对广义执行器的广义功/能以及广义力进行分析,建立统一的简洁的数学模型。结合LQR和遗传算法(GA)设计控制器,实现振动能量回收,改善车辆平顺性。仿真结果表明,基于广义执行器模型的馈能主动悬架,能够改善车辆的平顺性,并且能获得15%以上的馈能效率。     

气体介质馈能主动悬架滑模控制研究

以高压气体为俘能和传力介质,针对卡车设计一种新的馈能主动双作用悬架系统。该悬架系统传动机构选用螺母安装方式为偏心式的滚珠丝杠机构,气缸作为作动器。首先,以伯努利方程为基础,得到气缸等效弹簧刚度和阻尼力表征的统一方程,建立悬架数学模型并进行了动力学仿真分析;其次,采用滑模控制算法,进行了主动悬架滑模控制器的设计,并在Matlab/Simulink环境中进行建模仿真,将主动悬架和被动悬架的车身加速度、悬架动行程和轮胎动位移3个指标作了比较分析;仿真结果表明:在相同的路面输入下,气体介质馈能主动悬架对改善汽车行驶平顺性和提高乘坐舒适性有较好的效果。     

基于钢轨吸振器的多模态复合式俘能器性能研究

针对现有的轨道振动俘能器效率低的问题,设计了一种钢轨吸振器和多模态压电电磁复合式俘能器结合的复合吸振器,在有效减轻轮轨系统振动的前提下回收振动能量,为低能耗轨旁设备供电。建立了车轮钢轨复合吸振器系统的摩擦耦合振动模型,与现场实测数据进行对比验证了模型的正确性。在此基础上,分析了多模态复合式俘能模块对轮轨系统振动特性的影响。使用顺序耦合与参数化分析方法,研究了其发电性能。分析结果表明,复合吸振器能有效降低轮轨系统的振动强度,集成的多模态压电电磁复合式俘能模块能有效拓宽0~600 Hz范围内振动能量的俘能频带,提高俘能效率,最大输出功率达8.78 mW。通过调节俘能模块的结构参数,提高悬臂梁的应变能,能进一步提高俘能效率。     

能量回馈式主动悬架研究

提出一类新的主动悬架系统,称为"能量回馈式主动悬架系统".它的特点是在对悬架进行减振的同时,将悬架振动的能量吸收,转化为电能储存起来,并可将存储的能量用于作动器产生主动控制作用力,因此不需要外部提供能量.以单轮两自由度悬架模型为例,阐述了能量回馈式主动悬架系统的基本结构和原理,分析了系统能量平衡存在的条件.最后对系统的运行效果进行了仿真.     

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统（MEMS）的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频（小于200 Hz）振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示：采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18 V/g和1.33 V/g）,使系统工作频率降得更低,50 Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。     

直激式压电风能捕获器的性能分析与实验

提出一种由压电梁及其端部附加质量构成的直激式压电风能捕获器。在考虑了压电振子静平衡变形的基础上,根据涡激振动理论建立了柔性压电振子的自激振动理论模型并进行了仿真分析,获得了压电梁厚度比、附加质量及风速对其发电性能的影响规律。结果表明,存在最佳的压电梁厚度比使输出电压、电能及功率最大,电压/电能/功率所对应的最佳厚度比分别为0.5/0.65/0.65。其它参数确定时,存在最佳风速/附加质量使输出电压最大,且最佳风速随附加质量增加而降低、最佳质量随风速增加而降低。制作了风能捕获器样机并进行了试验测试,风速为4.8/7.2/10m/s时,对应的最佳附加质量及最大电压分别为15/11/7g和1.9/3.94/6.18V;风速为10m/s时,10g附加质量下的输出电压为0/20g附加质量下的4.1/1.2倍。结果证明根据实际风速范围确定合理的附加质量可提高发电能力。     

压电阵列双相能量收集器的有限元分析模型

文中基于压电阵列双相能量收集器的压电效应和磁–力–电耦合效应,提出了一种宽频的能量收集结构。该结构可同时俘获环境中广泛存在的机械振动和磁场能量,从而实现低功耗电子设备的自供电。利用有限元软件COMSOL建立了压电阵列双相能量收集器的几何模型并进行数值仿真,分析了不同载荷以及组份材料参数对俘能器性能的影响。研究结果表明,压电阵列双相能量收集器能同时有效地收集机械振动和磁场能量,且各单元串联时可提高输出电压幅值、拓宽共振频带。通过调节材料参数,可以灵活调节俘能器的谐振频率,从而获得最佳电能输出。文中的仿真结果为高性能俘能器的设计提供了一定的理论指导。     

从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器

设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH),用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励,并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式;然后,建立仿真模型,对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后,加工了实验样机,并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明,当受到沿胫骨方向的激励时,压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压;受到沿胫骨和脚面两个方向激励时,压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8km/h时,每根压电梁的峰值电压可达到10V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量,并能够同时收集两个方向的加速度能量,提高了压电梁的发电性能。     

Design of high output broadband piezoelectric energy harvester

Designing a wideband vibration based piezoelectric energy harvester is a challenging problem. This paper presents a technique to increase the operating frequency range and to enhance the amplitude of the generated voltage. The harvester is designed with a propped cantilever beam with variable overhang having step sections. The harvester is modeled using Euler Bernoulli beam theory. The wider operating frequency range is achieved by varying the overhang length and the enhancement in the magnitude of the generated voltage is achieved by introducing step sections in the beam. Further the magnitude of the generated voltage is found to increase with the reduction in step thickness. The performance of the energy harvester like bandwidth, voltage generated and power harvested obtained from analytical model are in close agreement with experimental results.     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

压电阵列径向分布的二维振动能量采集器

为了有效采集多个方向的振动能量,本文提出了一种圆柱形的压电阵列径向分布的二维(2D)振动能量采集器。通过将柔性弧形压电阵列径向分布在圆柱体上,该采集器可以收集到二维(2D)平面内任意方向的振动能量。同时,引入了角度带宽来描述采集器获取二维振动能量的能力。实验结果表明:这种新型结构采集器的角度带宽接近180°;而且,通过把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件进行反向串联,采集器的最大输出电压可以达到11.6V;当把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件反向并联时,最大输出功率达到13.5μW。与传统的悬臂式压电振动能量采集器相比,该二维(2D)采集器具有更好的多方向振动能量采集性能。     

宽频压电振动能量采集器的分布参数模型与实验

为解决无线传感网络节点自供电问题,提出了一种带有弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器。利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法,并考虑悬臂梁末端质量块的影响,建立了压电能量采集器的分布参数机电耦合模型;数值分析了能量采集器质量比、刚度比和阻尼比等参数对系统振动特性、输出特性的影响;研制了实验原理样机,搭建了实验测试平台,验证了数学模型的正确性。研究结果表明,分布参数模型比集总参数模型具有更高的预测精度。     

气动系统换向冲击压电俘能特性

为充分利用气动系统管路产生的压力冲击,提出了一种基于压电材料的正压电效应压电俘能器,搭建了基于该俘能器的实验测试系统,研究了气体压力、换向时间对该俘能器俘能特性的影响。结果表明,在气体动载荷激励下,压电俘能器内的压电片产生了弯曲形变,俘能电压与形变变化密切相关;气体压力值增大时,峰值电压、峰值功率升高;而随着换向时间的改变,峰值电压、峰值功率未有显著变化。     

气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器

提出了利用气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器实现气体能量的转化,以满足低功耗传感器的自供能需求。通过压电单晶片将气缸内部高压气体能量转化为电能,设计了阵列式盘型压电俘能器的样机结构;结合气缸的正常工作状态,分析了压电阵列的工作原理并进行了相应的实验。理论分析显示:盘型压电阵列具有较高的电荷量与良好的电容性,适合对具有交变载荷的高压气体能量进行收集。采用外径为12 mm、厚度为0.2 mm的压电单晶片及缸径为63mm、行程为150mm的气缸制作了实验样机,利用气动组件模拟气体环境搭建了测试系统。分别调节压力、周期、流量等参数进行了实验测试。结果表明:在交变的气动高压激励下,阵列式盘型压电俘能器可较好地收集交变高压气体载荷能量,其最佳匹配电阻为600kΩ,最大的瞬时功率为1 052μW,输出功率可满足低功耗传感器的能量需求。