車輛電磁懸架技術綜述*

喻 凡，張勇超，張國光

(上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240)

前言

近幾十年來，可控懸架系統得到了學術界和工業界的廣泛關注。相比于不可控的半主動/被動懸架系統，可控懸架系統根據車輛當前的行駛工況和路況對其車身特性實行自適應控制，因而可提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩定性。主動控制懸架系統的關鍵就是作動器。目前，液壓式主動懸架作動器已經廣泛應用在高端乘用車和商用車上，比如LOTUS公司開發的液壓懸架通過液壓伺服系統控制液壓缸內活塞兩端的壓力差，推動活塞以抑制車身振動和維持車輛行駛姿態。但其缺點為成本較高、結構復雜和附加系統(供油系統等)質量較大。

隨著電磁減振材料和電控技術的快速發展，以及在電動車開發趨勢的影響下，車輛電磁懸架技術的理論研究逐漸深入，并得到了一些商業化應用。本文中對車輛電磁懸架系統的研究和應用現狀進行了回顧，并對當前電磁懸架系統存在的問題和今后可能的發展趨勢進行了分析。

1 電磁懸架系統發展現狀

根據電磁懸架系統電磁介質和結構的不同，車輛電磁懸架技術可分為磁/電流變減振技術、以電機為作動器的電動懸架技術和磁懸浮技術3個部分。

1.1 磁/電流變減振器

20世紀40年代，磁流變液研制成功，但直到80年代后期，微電子技術的發展才使磁流變液的潛力發揮出來。磁流變減振器原理是將磁流變液體裝入減振器，通過改變內外筒之間的磁場強度來改變液體的黏度，從而改變阻尼力。1993年，美國TRW公司將研制成功的磁流變液［1］應用到汽車主動懸架控制系統上［2］。美國福特和通用汽車公司也相繼對磁流變減振器的應用進行了研究［3－4］。最著名的是，美國Lord公司與Delphi公司于1999年合作開發出MagneRide 主 動 懸 架 磁 流 變 阻 尼 器［5－6］，裝 備 在2002 Cadillac Seville高級轎車STS上，如圖1所示。該系統由安裝在車輪上的單筒式磁流變減振器、中央控制器、懸架位移傳感器、橫向加速度傳感器和轉向盤位移傳感器組成。試驗表明該系統可在1ms內進行響應，能夠有效抑制路面不平引起的車身振動，同時減小汽車制動和轉向時引起的俯仰和側傾，汽車的舒適性和安全性均得到提高。我國對車輛磁流變減振器的研究起步較晚，重慶大學在汽車磁流變減振器的理論基礎及工程應用做了大量工作［7－9］，取得了很大進展。此外，浙江大學［10］、南京航空航天大學［11］和同濟大學［12］等研究機構也對磁流變減振器進行了理論和試驗研究。

電流變液的工作原理與磁流變液類似，是通過改變電流變液的電場強度來改變流變性能，但由于在屈服應力、溫度范圍、塑性黏度和穩定性等性能方面與磁流變液有一定差距，因此，近年來的研究成果較少。VB-Airsuspension公司于2011年發布了世界上第一款用于輕型商用車的電流變減振器VB-eRR-ide［13］，如圖2所示。該系統可提供連續可變可控的阻尼，阻尼變化范圍大，動態響應快。實時控制系統應用天棚控制原理，根據測得的加速度和轉向盤信號，對車輛舒適性和抓地性進行最優化處理，每隔1ms進行1次阻尼力的調節。國內在電流變減振器研究方面，重慶大學［14－16］進行了電流變減振器理論建模與試驗測試和減振控制性能評估等工作。

控制有效、能耗低、造價低的磁/電流變減振器的開發，仍然要取決于材料科學、微電子技術和測控技術的進步。磁/電流變半主動懸架系統的研發尚待解決的問題主要包括:(1)減振器結構與制造工藝，即研究各種結構參數對性能的影響，優化結構和改善制造工藝;(2)磁/電流變液穩定性，即研制沉淀穩定性好、屈服應力高、零場黏度低、響應快、工作溫度范圍寬的優質磁/電流變液;(3)傳感器集成度和可靠性，即將車輪跳動和懸架行程位置傳感器與減振器進行結構的融合設計;(4)控制系統集成，基于已有的控制算法研究成果，諸如天棚控制［11，17］、最優控制［18－19］、魯棒控制［20－21］和滑模控制［22－23］等，開發集信號采集、控制單元、驅動電路為一體的智能控制器，同時與汽車底盤電子系統進行集成。

1.2 永磁電機作動器

本質上，磁/電流變減振器的作用介質是液油，通過液油的黏滯阻力來消耗機械能，以達到抑制振動的效果。由于電機的能量轉化方式簡單，且效率較高，機械能與電能通過電機可以方便地進行轉化。隨著高性能永磁材料和永磁電機控制技術的發展，永磁電機作動器逐漸得到研究者們的重視，在車輛懸架上的應用正成為主動懸架研究的熱點。

早在1989年，加利福尼亞大學戴維斯分校的Karnopp就提出利用永磁電機作為可變阻尼減振器的想法［24］，理論分析了其可行性和實現方法，通過改變連接阻尼器的外部電阻阻值來改變懸架的阻尼系數，具有低摩擦因數和線性力學特性等優點，但在保證一定阻尼力的同時，體積和質量大是永磁電機在懸架系統應用的一大難題。隨后，國外的研究者們開始對永磁電機減振技術進行了理論研究和試驗驗證。根據電機輸出不同形式，本文中將電機作動器分為直線式和旋轉式，前者將電能直接轉化成線性動能，而后者則輸出轉矩，再通過傳動裝置將旋轉動能轉換為線性動能。

1.2.1 直線式

直線式電機廣泛應用于工業自動控制系統和驅動系統，典型的例子有精密機床和磁懸浮列車推進系統。直線式電機在車輛懸架上的應用必須考慮懸架尺寸和運動學、動力學特性，因此，直線式電機作動器多設計成圓筒形。捷克理工大學Stribrsky等人利用Copley Controls公司的三相同步直線電機TBX3810 作為力發生器［25－26］，設計了用于車輛懸架的電磁作動器，并設計了魯棒控制算法。葡萄牙阿爾加維大學Martins等人研制了軸向磁化的圓筒型永磁直線作動器，通過雙向切換控制電路進行電流控制。采用正弦激勵信號進行試驗，結果表明:作動器電磁力與相電流基本成正比，故可通過控制相電流來控制電磁力。試驗結果與仿真結果基本吻合，表明作動器能夠產生懸架系統所需的主動控制力。這些電機作動器的優點包括輸出力較大，響應快，效率高，具有回收電能的可行性;缺點是成本高，體積較大，供電系統電壓要求較高。Seungho Lee等人［27］為其研制的直線式電機作動器設計了LQG和模糊控制器，比較了不同控制策略的減振效果，通過單輪臺架試驗進行驗證。荷蘭埃因霍溫理工大學Gysen等人與瑞典SKF公司合作為BMW530i開發了筒型永磁作動器(tubular permanent-magnet actuator，TPMA)［28－29］，如圖 3 所示。外筒為永磁體動子，內筒為三相開槽定子，內筒定子與車身連接，外筒動子與車輪連接，仍然由機械彈簧支持簧上質量。該作動器具有與傳統被動減振器的相同尺寸，通過單輪試驗臺測試，可顯著提高舒適性。

值得一提的是Bose公司成功研制的車輛電磁主動懸架［30－31］，如圖 4所示。它顯著提升了車輛懸架性能，但到目前為止，Bose公司還未發布關于這套懸架系統的任何數據，也未申請專利。裝在每個車輪和底盤上的加速度測量計實時測量車輛的行駛情況，估計路面信息，如凸包或凹坑，控制單元會控制功率放大器為電機供電，使懸架支柱依車身和車輪的相對位置的不同而伸張或收縮，以保持車身運動平穩。

1.2.2 旋轉式

旋轉式電機作動器由于包含傳動裝置，所以在結構設計上比直線式電機作動器復雜，在實際應用中，機械傳動裝置磨損和傳動效率損失不容忽視。20世紀90年代，美國德克薩斯大學機電中心Beno等人［32－33］與美國國防部合作開發新型的電控主動懸架系統(electronically controlled active suspension system，ECASS)，并將其應用到美國高機動性多功能車輛上。該系統將旋轉電機與齒輪齒條結合用以傳遞轉矩，如圖5 所示［34］。以使簧上質量加速度為零為控制目標，實時測量懸架動行程和車輪跳動速度，計算電機的輸出轉矩，單輪臺架試驗和實車試驗結果表明車輛的舒適性顯著改善。東京大學 Suda等人［35－36］對電磁作動器進行了深入的理論研究和模型樣機試驗，進而使用旋轉電機與滾珠絲杠機構試制了實車樣機，考察了該系統的減振性能和回收能量特性［37－39］。國內上海交通大學喻凡等人也針對某乘用車設計研制了電磁作動器［40］，如圖6所示，并對該系統的性能改善和回收能量特性進行了理論研究［41－42］和臺架試驗驗證［43－44］。

基于永磁電機研發的主動懸架系統完全由車載供電系統來供給電能，實施主動控制，同時有利于機械能向電能轉化，并進行電能回收，在能量管理方面國內外研究者們已做了許多工作［29，31，35－36，39，41，45－46］。未來電動車發展的大趨勢正好為永磁電機懸架提供了很好的發展平臺，因此，這種類型的懸架系統具有較好的發展前景。但是要實現商業化應用，在可靠性、穩定性、失效保護和成本等方面仍然有很多問題需要解決。

1.3 磁懸浮懸架

磁懸浮技術已發展得比較成熟，在軌道車輛的推進系統和支撐系統上地成功得到了商業化應用，如日本的JR-Maglev、德國的M-Bahn和用在上海磁懸浮列車上的德國Transrapid。磁懸浮系統包含超導磁體線圈和作為導向用的懸浮線圈。當列車運動時，由于磁場感應效應，移動的磁場在懸浮線圈中產生電流，此電流又產生一個磁場與超導線圈磁場的作用，使車體獲得向上托力，維持列車穩定。磁懸浮在道路車輛上還沒有應用，目前只有少數研究者提出了一些設計方案，并進行了理論研究［47－49］，但技術還不成熟。

1.4 電磁懸架在輪轂電機車輛上的應用

目前，在電動車開發過程中，輪轂電機技術，又稱車輪內裝電機車輛(Motor In-wheel Vehicle)正在得到汽車研究者們的關注。它的最大特點就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內，可將電動車輛的機械部分大大簡化，因此可預見輪轂電機車輛將是未來電動車發展的一個重要方向。

早在1900年，保時捷就首先制造出了前輪裝備輪轂電機的電動汽車，在20世紀70年代，該技術在礦山運輸車等領域得到了應用。而對于乘用車所用的輪轂電機，日系廠商(豐田)對于此項技術研發得較早，處于領先地位，美國通用汽車公司也對該技術有所涉足。國內也有自主品牌汽車廠商開始研發該技術，奇瑞公司在2011年上海車展展出的電動汽車瑞麒X1-EV就采用了輪轂電機技術。豐田汽車的Satoshi Murata對輪轂電機車輛的懸架設計進行了深入研究和實際應用［50－52］，并指出造成輪轂電機車輛不能批量生產的關鍵因素是輪內電機安裝空間不足。車輪直徑和寬度、懸架結構形式和轉向機構都直接影響輪內電機安裝的難度，在考慮輪轂電機輸出功率的前提下，根據輪內可利用空間來給懸架定量打分，空間越小，分數越高，如圖7所示。前懸架由于要安裝轉向機構，分數高于后懸架。因此，電磁懸架系統由于其體積和質量上的劣勢在輪轂電機車輛上的應用難度更大。值得一提的是米其林公司開發的主動車輪［53－54］，如圖 8所示，其突破性技術是其緊湊的驅動電機和集成式懸掛系統。車輪中不僅集成了制動盤，還包括驅動電機和懸架電機作動器，這為未來輪轂電機電動車的批量生產提供了關鍵技術支持。

2 總結和展望

本文中基于近期發表的50余篇文獻，對車輛的電磁懸架技術進行了分析和綜述。盡管主動懸架對車輛性能的改善毋庸置疑，但由于其成本、附加系統和復雜程度，使車輛主動懸架的市場應用仍不被廣泛接受。而近30年來，車輛電磁懸架減振技術引起了研究者們的廣泛關注，其中磁/電流變減振器得到了一些商業化應用，并裝備于高檔乘用車上，顯著改善了車輛的乘坐舒適性;結合車身姿態控制系統，極大地提升了車輛操縱穩定性。磁/電流變減振器在未來會有廣泛的發展前景，但磁/電流變液的可靠性和穩定性，以及減振器制造工藝和測控系統方面還有較大的完善空間。永磁電機作動器在機電能量轉換和控制實現上具有更大的潛力，伴隨著電磁材料和電機測控技術的進步，越來越多的電機作動器可能被開發。磁懸浮技術在軌道車輛上的應用較為成熟，但在道路車輛上因受限于可用的車輛懸架空間，磁懸浮減振器還僅停留在理論研究層面。隨著電動車的迅猛發展，研究熱點之一將是性能高、整合程度高的輪轂電機車輛，研究者們正在努力使電磁懸架技術與輪轂電機車輛相結合，這對未來車輛底盤的設計開發將產生重要影響。

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