《越野車輛動(dòng)力學(xué)》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(dòng)力學(xué) 已發(fā)布

越野車的性能——平順性 已發(fā)布

越野車的性能——運(yùn)動(dòng)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(jī)動(dòng)性——越野車機(jī)動(dòng)的能源與動(dòng)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(dòng)能量可以被回收利用，用來運(yùn)行一些電動(dòng)車輛系統(tǒng)或子系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃料燃燒所產(chǎn)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(dòng)系統(tǒng)的能量損失以及發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)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(qū)動(dòng)車輛行駛，大多數(shù)的能量都在振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)中被耗散掉。從車輛的懸架系統(tǒng)中收集／回收能量對(duì)于越野車輛無疑是十分重要的，因?yàn)閷?duì)于越野車輛來說，它更容易由于道路的不規(guī)則隨機(jī)激勵(lì)而振動(dòng)，首先要捕獲懸架系統(tǒng)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，然后將其盡可能地用于主動(dòng)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?biāo)鸬拇怪边\(yùn)動(dòng)時(shí)耗散掉大量能量，從而減弱垂直運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(zhuǎn)換為熱能從而耗散掉。饋能式懸架可分為兩類：機(jī)械饋能式懸架和電磁饋能式懸架。機(jī)械饋能式懸架可以吸收懸架的動(dòng)能，將其轉(zhuǎn)化為液壓或者氣動(dòng)能量?jī)?chǔ)存在蓄能器中，被動(dòng)式液壓阻尼器通常應(yīng)用于便宜且簡(jiǎn)單的汽車懸架系統(tǒng)中。然而這些液壓／氣動(dòng)系統(tǒng)都是具有一定缺點(diǎn)的，第一，復(fù)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(huì)損壞到整個(gè)的系統(tǒng)；第三，液壓／氣動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬較窄，從而限制了懸架的性能；第四，再生的液壓／氣動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車和全電動(dòng)汽車商業(yè)化時(shí)。近年來，機(jī)電一體化領(lǐng)域和傳感器領(lǐng)域的重大發(fā)展導(dǎo)致越來越多的汽車采用半 主動(dòng)和主動(dòng)懸架，在液壓缸中，液壓油被加熱，熱空氣被轉(zhuǎn)移到了周圍的介質(zhì)中。

越野車受到各種各樣的道路不平坦和隨機(jī)道路輪廓的影響，除了典型的滾動(dòng)阻力外，還可能會(huì)導(dǎo)致車輛經(jīng)歷更大的能量損失，在越野車輛中，由振動(dòng)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(jī)道路激勵(lì)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(jié)果表明，能量回收與系統(tǒng)的頻率、振型以及簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量之間的相對(duì)速度和路面形狀密切相關(guān)。

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

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

單位時(shí)間內(nèi)， 每秒鐘的功單位為J， 與上式中的功率密切相關(guān)， 因此，可以通過功率收集指數(shù)來計(jì)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(gè)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?yàn)檫@種減振器可以將損耗的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并將其儲(chǔ)存起來， 以此來提高電動(dòng)車的能量效率， 使電池的運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。

簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量以及被動(dòng)阻尼系數(shù)如圖4. 1所示，凡是主動(dòng)懸架系統(tǒng)中執(zhí)行器的主動(dòng)力， 由控制策略決定。對(duì)于單自由度系統(tǒng)， 我們已經(jīng)在平順性章節(jié)中討論了其一般性方程，而對(duì)于二自由度主動(dòng)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(duì)所 提出的質(zhì)量－ 彈簧－ 阻尼器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究， 以確定由路面不平整和懸架振動(dòng)引起并由懸架系統(tǒng)所 回收的勢(shì)能大小， 與傳統(tǒng)液壓減振器不同，再生減振器會(huì)將懸架系統(tǒng)中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能， 眾所周知， 這種電能可用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車。我們可以建立出這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：

目前有關(guān)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(dòng)中產(chǎn)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(huì)耗散掉一部分的車輛振動(dòng)能量，因此，不能充分吸收和轉(zhuǎn)移來自懸架系統(tǒng)的動(dòng)能（圖4.5)。此外，電磁材料的轉(zhuǎn)換效率不是很高，目前可用的振動(dòng)電轉(zhuǎn)換機(jī)制主要有電磁式、靜電式和壓電式三種，而三種能量轉(zhuǎn)換方式中壓電式轉(zhuǎn)換的效率是首選的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地高于其余兩種，動(dòng)能隨時(shí)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(zhì)量和道路表面之間的相對(duì)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(zhì)量和非簧載質(zhì)量在最大振幅為0.13m的隨機(jī)橫向道路激勵(lì)下相對(duì)峰值之間的沖擊位移。簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的相對(duì)位移對(duì)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(jī)不規(guī)則道路激勵(lì)下行駛時(shí)，30s內(nèi)簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)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(shí)簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之間相對(duì)速度的基礎(chǔ)上得到的可回收功率均方根。結(jié)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(nèi)，能量收集的趨勢(shì)是線性的，而在這個(gè)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(dòng)的車輛系統(tǒng)中， 道路不平順性對(duì)懸架撓度、輪胎變形和 車身加速度的頻率響應(yīng)。在對(duì)于實(shí)際應(yīng)用更重要的0 ~ lOrad/s較低頻率范圍內(nèi)，當(dāng)使用有能械回收裝置的主動(dòng)懸架系統(tǒng)時(shí)， 第一個(gè)峰值會(huì)降低， 這減少了輪胎的變形（由于滾動(dòng)阻力而成為能量耗散的一個(gè)重要指標(biāo)）， 還降低了與平穩(wěn)性指標(biāo)密切相關(guān)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(cè)系統(tǒng)）提供能屈的輪胎能量收集系統(tǒng)一直是動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它可以減少系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)行成本，但是，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以電池作為能量源，電池中的有害物質(zhì)就可能會(huì)被排放到環(huán)境中，從而造成環(huán)境污染，因此在實(shí)際應(yīng)用中，采用功能系統(tǒng)進(jìn)行能量收集的技術(shù)出現(xiàn)了一些新趨勢(shì)，其核心基本原理是利用機(jī)械振動(dòng)作為自己的能量源。值得注意的是，能蜇回收的本質(zhì)是將周圍的能量（通常是機(jī)械能）轉(zhuǎn)換為電能來運(yùn)行一些小型儀器（例如TPMS)，該過程通常是由一個(gè)系統(tǒng)或者兩個(gè)系統(tǒng)協(xié)同來完成的。最常用的動(dòng)能產(chǎn)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(diǎn)，文獻(xiàn)中對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的最終目的都是開發(fā)出一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的無電池輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室和道路上測(cè)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(dòng)。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(zhì)量塊上的電磁線圈相對(duì)于穩(wěn)定磁鐵的線性運(yùn)動(dòng)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(yīng)定律，輪胎的周期性變形和振動(dòng)使得線圈的質(zhì)量分量相對(duì)于磁鐵做線性相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而在線圈中產(chǎn)生電流。盡管線性振動(dòng)是電磁能量采集器最典型的配置，但在文獻(xiàn)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(dòng)質(zhì)量塊，可以同時(shí)容納線圈或者磁鐵，從而產(chǎn)生電能。據(jù)文獻(xiàn)記載，電磁能量系統(tǒng)的振動(dòng)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(jī)。假設(shè)磁場(chǎng)為0. lT, 自由空間的磁導(dǎo)率為4mJ/cm3 , Roundy等人對(duì)電子轉(zhuǎn)換器的最大能量密度進(jìn)行了估計(jì)，總的來說，能量密度是磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)鍵。由于電磁法的性能與系統(tǒng)振動(dòng)性能密切相關(guān)，因此可以對(duì)彈簧－質(zhì)量系統(tǒng)中的彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中系統(tǒng)的共振頻率就是采集器運(yùn)行的激勵(lì)頻率，但這也意味著這種方法僅限于在某個(gè)頻率范圍內(nèi)使用。這些系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和操作條件比較簡(jiǎn)單，這是由于非接觸條件提高了各個(gè)組件的精度和折舊率，但是主要的缺點(diǎn)就是整個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)平板之間的介質(zhì)電容器的電壓感應(yīng)，電容器上的電壓取決于儲(chǔ)存的電荷、電極間距、電極面積和介質(zhì)的介電常數(shù)。這種類型的采集器是基于與振動(dòng)相關(guān)的電容器的電容變化，而這種變化是輪胎振動(dòng)引起的，振動(dòng)隔離了可變電容器帶電的極板，因此，在需要極化源運(yùn)行時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

電容器中獲得的電壓取決于存儲(chǔ)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(shí)用方法：在機(jī)械振動(dòng)過程中， 電位穩(wěn)定時(shí)電荷隨著 電極距離的減小而增加， 電容器兩端的電勢(shì)(V) 會(huì)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(shí)電壓隨著電容器的減小而增加。這兩種情況都會(huì)使存儲(chǔ)在電容器上的能量增加， 并且可以提取出來為設(shè)備供 電。由于周圍環(huán)境振動(dòng)通常振幅較小， 因此使用質(zhì)量彈簧系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象， 與振動(dòng)幅度相比， 可移動(dòng)質(zhì)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度會(huì)增大，從而增加了采集到的功率。當(dāng) 電場(chǎng)是30V/μm且自由空間的介電常數(shù)已知時(shí)，靜電轉(zhuǎn)換器可收集到的能量最大為 4mJ/cm3。通常來講，靜電設(shè)備適用于小型的能量采集器， 而電磁轉(zhuǎn)換器適用于大 型設(shè)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(jī)械， 并且可以與MEMS系統(tǒng)進(jìn)行功能集成， 該系統(tǒng)具有輸出電壓大、體積小、簡(jiǎn)單方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)， 無駐極體轉(zhuǎn)換器沒有直接的機(jī)械能和電能， 因此主要缺點(diǎn)是需要持續(xù)的預(yù)充 電， 此外， 電容的電極之間還存在著接觸的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2. 2. 3 壓電法收集能量

還可以使用在施加應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生電荷的壓電材料（圖4.13)來收集能量，當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)， 某些特定類型的材料中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷， 壓電效應(yīng)可以理解為晶體材料中機(jī)械狀態(tài)和電狀態(tài)之間線性的機(jī)電相互作用， 沒有空間的反演對(duì)稱性。壓電設(shè)備在量化壓力、加速度、溫度、應(yīng)變和力的過程中都得到了廣泛應(yīng)用， 這種極化效應(yīng)是材料的固有特征， 電能是材料對(duì)機(jī)械能的響應(yīng)而產(chǎn)生的， 該電 流是通過逆壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓電變形而產(chǎn)生的交流電。這種方法繼承了微機(jī)械加工和微器件集成的優(yōu)點(diǎn)， 盡管應(yīng)用這個(gè)系統(tǒng)有很多不同的類型，但最常見 的還是懸臂梁共振結(jié)構(gòu)， 可以使機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。在這種情況下， 懸臂梁中包含有壓電材料， 同時(shí)在梁的末端插入慣性質(zhì)量， 壓電元件中有一個(gè)充電電路和一個(gè)存儲(chǔ)緩沖器， 因此， 壓電振動(dòng)能量采集器是在慣性質(zhì)量的基礎(chǔ)上工作的， 其中帶有壓電層的懸臂受到懸臂末端振動(dòng)源的共振，而振動(dòng)源則來自于輪胎滾動(dòng)，文獻(xiàn)中有基于尖端質(zhì)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(nèi)使用，同時(shí)，在振動(dòng)引起的機(jī)械變形和產(chǎn)生的電量之間存在著密切關(guān)系，施加的頻率越高，產(chǎn)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(jī)械變形大小，根據(jù)文獻(xiàn)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(gè)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(diǎn)，由于系統(tǒng)安裝在在輪胎內(nèi)部，故輪胎內(nèi)壁可以作為該系統(tǒng)的外殼，輪胎在行駛過程中的變形會(huì)帶來加速度，尤其是在不規(guī)則的路面上行駛時(shí)加速會(huì)更嚴(yán)重，在加速度超出預(yù)期值時(shí)，系統(tǒng)有被機(jī)械損壞的風(fēng)險(xiǎn)，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(guān)的耦合系數(shù)存在缺陷，因此在經(jīng)濟(jì)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(gè)難點(diǎn)。

4.2.2.4 熱能量采集系統(tǒng)

物理中的塞貝克效應(yīng)是說，在兩個(gè)半導(dǎo)體材料組成的閉合回路中，兩個(gè)材料之間的溫度梯度會(huì)使產(chǎn)生的電勢(shì)將熱能轉(zhuǎn)化為電壓，也被稱為熱電效應(yīng)，是溫度梯度到電壓的直接轉(zhuǎn)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(jī)、散熱器、電壓調(diào)節(jié)器和能量存儲(chǔ)設(shè)備，還需要一個(gè)熱源來產(chǎn)生熱量梯度（圖4.14)。

這種方法廣受人們的關(guān)注，因?yàn)樵谄囍?，許多地方都會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，包括發(fā)動(dòng)機(jī)室、排氣系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)[13] ，然而這種系統(tǒng)一般安裝在輪胎內(nèi)，因?yàn)檩喬ギa(chǎn)生的熱能作為輪胎在地面上行駛以及滾動(dòng)阻力的副產(chǎn)品，是一個(gè)非常大的能量耗散源。其主要缺點(diǎn)為價(jià)格昂貴，同時(shí)必須提供穩(wěn)定的溫度梯度。

由于各個(gè)元件的熱阻不同，元件內(nèi)部存在著熱流，而微加工的目的則是在微型機(jī)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(huì)隨著外部磁場(chǎng)的變化而變化，由于磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，隨機(jī)放置的磁鐵會(huì)重新排列，這些電源在線圈中可以形成電流，同理也會(huì)在輪胎的機(jī)械振動(dòng)中形成電流。在對(duì)材料施加機(jī)械力時(shí)，會(huì)形成逆磁致伸縮效應(yīng)，材料會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)作用在線圈上時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流進(jìn)而獲得電能。摩擦起電是一種接觸型電流采集，當(dāng)兩個(gè)表面之間存在摩擦性接觸，且在兩表面之間有一個(gè)空間，此時(shí)某些確定的材料就會(huì)帶電，將產(chǎn)生的電量輸出取決于接觸時(shí)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(lǐng)域發(fā)展的詳細(xì)信息請(qǐng)參見文獻(xiàn)[34，35]電活性聚合物在傳感器、換能器和執(zhí)行器上的應(yīng)用越來越廣泛，這些材料的主要特點(diǎn)都是當(dāng)施加一個(gè)外部載荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大變形。電活性聚合物有兩種主要類型，電介質(zhì)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(gè)較大的發(fā)電機(jī)來提供能量。文獻(xiàn)中針對(duì)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(diǎn)是具有較大的應(yīng)變能力，缺點(diǎn)是對(duì)外部電壓有需求。

4. 2. 3 制動(dòng)能量的收集

能量回收的一個(gè)重要來源是車輛的零件，例如懸架系統(tǒng)、輪胎、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等，其目的是為微電子設(shè)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(dòng)能量作為能量收集的一個(gè)來源，可以分為制動(dòng)墊片接觸式和非接觸式。Han等人提出了一種能夠在制動(dòng)和非制動(dòng)過程中從轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)中收集能量的方法，該方法綜合了摩擦電和靜電感應(yīng)等方法并將其應(yīng)用于車輛和火車上。利用熱電發(fā)電機(jī)對(duì)制動(dòng)片中廢棄熱能的回收進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)文獻(xiàn)記載，一輛重型汽車在制動(dòng)過程中大約會(huì)將 400~3000kw 的能量轉(zhuǎn)化為熱量浪費(fèi)掉。然而其中的一個(gè)難點(diǎn)就是找到一個(gè)最佳尺寸的系統(tǒng)能夠很好地與制動(dòng)系統(tǒng)相匹配，熱電發(fā)電機(jī)(TEG)就是解決該問題的一個(gè)很好的選擇，而摩擦電納米發(fā)電機(jī)(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(dòng)過程中絕大多數(shù)的能量都是被轉(zhuǎn)換成熱量耗散掉的，而耗散能量的多少取決于前進(jìn)的速度和車輛質(zhì)量，在制動(dòng)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(dòng)力汽車通常采 用的再生制動(dòng)系統(tǒng)。再生制動(dòng)器是一種能量收集裝置，它可以使車輛減速，并利用 電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，在某些車輛中，轉(zhuǎn)化的電能以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)在電池中。另一種較為常見的方法是利用飛輪來存儲(chǔ)能量，通過把飛輪的轉(zhuǎn)子加速至非常高的速度，將能量保持為旋轉(zhuǎn)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(diǎn)就是尺寸和重量都較為龐大。熱電發(fā)電機(jī)，即所謂的塞貝克發(fā)電機(jī)，能夠?qū)囟忍荻绒D(zhuǎn)化為電能，是將制動(dòng)片中損耗的熱能轉(zhuǎn)化為電能最常 用的一種方法。

TEG由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，可以形成電連接的熱電偶，熱電偶位于兩個(gè)陶瓷材 料表面中間，當(dāng)出現(xiàn)溫度梯度時(shí)，設(shè)備就會(huì)發(fā)電。由于一臺(tái)可靠的熱電發(fā)電機(jī)需要導(dǎo)熱性，因此存在著輸出電阻高和熱特性較差等缺點(diǎn) ，但這卻可以大大減少設(shè)備 的熱損耗，同時(shí)熱電發(fā)電機(jī)價(jià)格便宜、體積較小、性能可靠，且由于沒有活動(dòng)的部件或者流體，故沒有額外的重最。

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

本文摘編自《越野車輛動(dòng)力學(xué)——分析、建模與優(yōu)化》，機(jī)械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

《越野車輛動(dòng)力學(xué)——分析、建模與優(yōu)化》基于機(jī)械概念和理論給出了越野車輛系統(tǒng)建模、數(shù)學(xué)描述和性能優(yōu)化分析等問題的相關(guān)方法，主要目的是較為準(zhǔn)確地概述越野汽車的動(dòng)力學(xué)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(xué)模型，同時(shí)還介紹了高效地對(duì)在崎嶇不平路面上行駛的車輛進(jìn)行建模以獲得車輛很好性能的方法，以及更快地針對(duì)越野車輛進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)、分析的基本原理。本書有助于讀者開發(fā)計(jì)算機(jī)程序，并使用一些最優(yōu)選的人工智能方法來對(duì)越野車輛動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析、建模和優(yōu)化。讀者可以根據(jù)需要選擇學(xué)習(xí)。本書可作為高等院校機(jī)械工程、車輛工程、交通運(yùn)輸及相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生教材，也可供對(duì)越野車輛感興趣的研究人員和工程技術(shù)人員閱讀參考。