汽車饋能式懸架結構研究現狀及其懸架動力學模型設計

張敏 尹崇進

摘要：本文在分析汽車饋能式懸架結構研究現狀的基礎上，給出了電液式饋能懸架工作原理和懸架動力鞋模型。本研究為后續的車饋能式懸架結構優化提供一定的研究基礎。

關鍵詞：汽車；懸架結構；動力學模型；設計

1 汽車懸架結構研究現狀

汽車懸架系統的主要作用之一就是為了緩和路面不平，汽車加速和剎車等導致的車身的垂直震動。傳統汽車多使用油液減震器來緩和車身震動，振動能量最終使液壓油的溫度升高并通過筒壁與空氣熱交換將熱量耗散掉。武漢理工大學的過學迅、張晗等實車驗證了車輛在空載、B級路面的行駛情況下，車速達到70km H1時，回收峰值可達264.9W其中提到了重型商用車能量回收潛力更大。因此，重型商用車筒式減震器的能量回收具有較好的應用前景。喻凡等將永磁直流無刷電機與滾珠絲杠等機械機構組成新型的主動懸架，滾珠絲杠等機械機構將車身的上下震動轉變為電機的旋轉震動，實現能量回收。其工作原理主要是將發電機轉子位置傳感器產生的驅動信號和懸架動撓度傳感器產生的電信號收集到微處理器，經無刷電機換相邏輯、電磁蓄能控制算法和主動懸架控制律處理后，通過驅動及蓄能電路和車載電源電路，實時控制電機作動器的正反轉、反接制動或再生制動狀態，以主動地緩沖或衰減由路面不平激勵引起的、由車輪傳導至車身的沖擊和振動，同時還將再生制動電能回收再利用。同時試制了電動懸架的樣機并通過整車臺架試驗檢驗了電動懸架在隨動態下的懸架動力學特征和自饋能特性。現有的電液式饋能懸架主要有機電類型和電磁類型。機電類型懸架是將懸架的上下運動轉換成發動機的旋轉運動，進而實現對電能的存貯。電磁類型懸架是利用永磁鐵和線圈組成的能量回收裝置來代替傳動液壓傳動，進而實現對電能的控制。

2 電液式饋能懸架工作原理

參考各類型饋能懸架的優缺點可以得出電液式饋能懸架是最優的饋能懸架方案，在查閱了大量國內外文獻后設計了一種改進型電液式饋能懸架，分析得出安裝48V電機的饋能懸架輸出功率會提高，并利用了2個單向閥組成的液壓式整流橋可以取代原有的4個單向閥式的整流橋，并將液壓蓄能器布置在液壓馬達的出口端，以減小減震油液對液壓元件的沖擊。改進的電液式饋能懸架如圖1所示，饋能懸架主要包括液壓執行原件、單向閥、蓄能器、液壓馬達、發電機、蓄電池及饋能電路組成。當汽車行駛在不平路面時，活塞桿在車體的作用下會推動活塞上下移動，進而推動油液沿管道流動，在單向閥組成的液壓整流橋作用下，可以保持液壓馬達管路中的油液單向流動，進而馬達帶動發電機單向轉動，可以提高發電效率以及延長發電機的使用壽命。

1液壓執行元件；2，4單向閥；3蓄能器；5液壓馬達；

6發動機；7蓄電池

該電液式饋能懸架的工作原理可以表述為：（1）當液壓執行元件工作在壓縮行程時，活塞桿向下移動，油液從無桿腔室流出，這時單向閥1打開，一部分油液補償有桿腔室抽出空腔的部分，相當于活塞桿的油液流經馬達，最后流入蓄能器儲存器存起來。（2）當液壓執行元件工作在復原行程時，活塞向上移動，油液從有桿腔室流出，流經馬達，進而帶動發電機轉動，由于無桿腔室出現空腔，儲存在蓄能器當中的油液經過單向閥2進行補償。在上述壓縮復原行程中，液壓馬達始終單向旋轉，從而帶動發電機單向旋轉，提高發電機的輸出功率和使用壽命；通過調整外接電路的負載大小，即可實現阻尼的調節；伸張和復原行程時流經液壓馬達的液體流量不同，復原行程的流量為液壓缸與活塞桿之間環腔的體積，而壓縮行程的流量為活塞桿的體積，這保證復原和壓縮行程時減震器可以提供的阻尼力范圍具有不對稱性；并且，只要車輛有震動，該饋能減震器就會回收能量，從而提高了震動能量的回收效率。

3 懸架模型

根據汽車動力學特性，建立汽車懸架的車身車輪雙質量模型。m2為簧上質量；K 為彈簧剛度；C為懸架阻尼；m1為簧下質量；K1為輪胎等效剛度；q為路面高程；z1為簧下質量位移；z2為簧上質量位移。

根據牛頓第二定律，可得車身車輪雙質量系統動力學方程：

m2Z¨1+C（Z2-Z1）+K（z2-z1）=0

m1Z¨1+C（Z1-Z2）+K（z1-z2）+Kt（z1-q）=0

4 結論

本文在分析汽車饋能式懸架結構研究現狀的基礎上，給出了電液式饋能懸架工作原理和懸架動力鞋模型。只要車輛有震動，該饋能減震器就會回收能量，從而提高了震動能量的回收效率。

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