Towards Autonomous Driving: Design of Smart Damper – Energy Harvester

Download Article

Abstract

Majority of modern cars are equipped with standard suspension systems with hydraulic shock absorbers. They are reliable elements, but came to the limit of their possibilities to ensure reasonable level of vibration accelerations, when cars became lighter and diameters of the wheel rim and tires has big diameter. This paper provides possible solution for the modern car suspension systems with controlled damping and self-powering service and data transmission. Such dampers implements smart liquid and electrically realized damping force control. This paper focused on electrical properties of this type of shock absorbers. Provided experimental research use shock absorber – energy harvester of new design. All experiments performed on shock machine using produced by authors prototype of original design. Energy gaining performed using three similar prototypes with ferro-nanomagnetic liquid, permanent magnet core and ferromagnetic steel core. Obtained results provided in the graphical form as electric gain with open circuit and loaded by electric load. 

Keywords

damping, energy harvesting, mechatronic system, vibration control

W kierunku jazdy autonomicznej: konstrukcja inteligentnego amortyzatora

Streszczenie

Większość nowoczesnych samochodów jest wyposażona w standardowe układy zawieszenia z hydraulicznymi amortyzatorami. Aktualnie stosowane amortyzatory są niezawodne, jednak nie umożliwiają dalszego rozwoju w odniesieniu do znacznych wartości przyśpieszeń drgań w lekkich samochodach o dużych średnicach felg i opon. Artykuł przedstawia nowe możliwości rozwiązań w nowoczesnych układach zawieszenia z kontrolowanym tłumieniem, autonomicznym zasilaniem oraz monitoringiem. Zaproponowane tłumiki zapewniają inteligentne, elektrycznie sterowaną siłę tłumienia. W pracy skupiono się na właściwościach elektrycznych zaproponowanych amortyzatorów cieczowych. Do badań eksperymentalnych wykorzystano opracowany przez autorów prototyp amortyzatora, a eksperymenty przeprowadzono na maszynie uderzeniowej. Pozyskiwanie energii z amortyzatora zrealizowano przy użyciu trzech podobnych prototypów z cieczą z nanocząstkami magnetycznymi na bazie żelaza, rdzeniem z magnesem trwałym i rdzeniem ze stali ferromagnetycznej. Uzyskane wyniki przedstawiono jako uzyskaną energię elektryczną zarówno w układzie z otwartym obwodem, jak i obciążeniem elektrycznym.

Słowa kluczowe

amortyzator, kontrola wibracji, pozyskiwanie energii, system mechatroniczny, tłumienie

Bibliography

  1. Ahmed, M. R., Yusoff, A. R., & Romlay, F. R. M. Adjustable Valve Semi-Active Suspension System for Passenger Car. International Journal of Automotive and Mechanical Engineering, 16(2), 6470-6481. (2019).
  2. Chacón, J. L., Boada, B. L., Boada, M. J. L., & Díaz, V. Experimental study and analytical model of bleed valve orifice influence of a high-performance shock absorber on vehicle dynamics. Advances in Mechanical Engineering, 9(9), (2017).
  3. Bhuyan, D., & Kumar, K. 3D CAD modelling and computational fluid analysis of piston valve of twin tube shock absorbers. Materials Today: Proceedings, 4(8), 7420-7425. (2017).
  4. Collette, C., & Preumont, A. High frequency energy transfer in semi-active suspension. Journal of Sound and Vibration, 329(22), 4604-4616. (2010)
  5. Fischer, D., & Isermann, R. Mechatronic semi-active and active vehicle suspensions. Control engineering practice, 12(11), 1353-1367. (2004).
  6. Lajqi, Sh., Pehan, S. Designs and Optimizations of Active and Semi-Active Non-linear Suspension Systems for a Terrain Vehicle. Journal of Mechanical Engineering, 12(58), 732–743 (2012).
  7. Siczek K., Kuchar M. The Concept of a New Car Shock Absorber with Energy Recuperation. Journal the archives of automotive engineering, Vol. 56, pp. 49–61. (2012).
  8. Li, Z., Zuo, L., Luhrs, G., Lin, L., & Qin, Y. X. Electromagnetic energy-harvesting shock absorbers: design, modeling, and road tests. IEEE Transactions on vehicular technology, 62(3), 1065-1074. (2012).
  9. Lam, A. H. F., & Liao, W. H. Semi-active control of automotive suspension systems with magneto-rheological dampers. International Journal of Vehicle Design, 33(1-3), 50-75. (2003).
  10. Aldair, A. A., & Wang, W. J. The energy regeneration of Electromagnetic energy saving active Suspension in full vehicle with Neurofuzzy controller. International Journal of Artificial Intelligence & Applications, 2(2), 32-43. (2011).
  11. Kertesz, I., Lovas, T., & Barsi, A. Measurement of road roughness by low-cost photogrammetric system. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 36(5/C55), 4. (2007).
  12. González, A., O’brien, E. J., Li, Y. Y., & Cashell, K. The use of vehicle acceleration measurements to estimate road roughness. Vehicle System Dynamics, 46(6), 483-499. (2008).
  13. Ngwangwa, H. M., Heyns, P. S., Labuschagne, F. J. J., & Kululanga, G. K. Reconstruction of road defects and road roughness classification using vehicle responses with artificial neural networks simulation. Journal of Terramechanics, 47(2), 97-111. (2010).
  14. Bucinskas, V., Mitrouchev, P., Sutinys, E., Sesok, N., Iljin, I., & Morkvenaite-Vilkonciene, I. Evaluation of comfort level and harvested energy in the vehicle using controlled damping. Energies, 10(11), 1742 (2017).
  15. Bucinskas, V. U.S. Patent Application No. 13/560,985 (2014).