復合式饋能懸掛能量回收特性分析

黃大山， 張進秋， 劉義樂， 滕 濤

(裝甲兵工程學院裝備試用與培訓大隊，北京 100072)

復合式饋能懸掛能量回收特性分析

黃大山， 張進秋， 劉義樂， 滕 濤

(裝甲兵工程學院裝備試用與培訓大隊，北京 100072)

針對饋能懸掛作動器因頻繁工況切換而導致能量回收效率低及回收特性量化標準不統(tǒng)一等問題，設計了可使主動控制與能量回收全過程并存的復合式饋能懸掛作動器，采用功率流方法分析了懸掛系統(tǒng)在被動饋能和主動控制2種工作模式下的能力流動和轉換過程，并在此基礎上建立了能力回收特性評價準則，最后通過設計相應的模型對其進行了仿真分析。仿真結果表明：復合式饋能懸掛自供能能力較強，所建立的饋能能力評價準則能夠量化分析懸掛系統(tǒng)的能量回收特性。

懸掛系統(tǒng)；能量回收特性；功率流

車輛懸掛系統(tǒng)運用彈性元件和阻尼元件來緩和或衰減路面起伏傳遞給車體的沖擊，從而降低車體振動。傳統(tǒng)的被動懸掛系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代車輛對行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，而主動懸掛系統(tǒng)雖能使車輛獲得更好的行駛特性，但實施振動控制需要消耗大量的能量。饋能懸掛引入能量回收裝置，能夠將原懸掛系統(tǒng)中被轉換成熱能而耗散的能量回收利用，從而降低主動懸掛的能量消耗，其已成為解決主動懸掛系統(tǒng)實車運用問題的新方向[1-2]。Karnopp[3]研究了車輛懸掛系統(tǒng)的能量消耗過程，并分析了懸掛系統(tǒng)的能量需求。Nakano等[4]通過研究證明：在一定條件下，主動控制所需能量可由懸掛系統(tǒng)所回收的能量完全提供。Bose公司[5]研制了基于直線電機式電磁作動器的饋能懸掛系統(tǒng)。于長淼等[6-7]通過仿真分析指出：減振器耗散的能量具有很大的回收價值。宋鵬云等[8]設計了基于直線電機式作動器的饋能懸掛系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)實現(xiàn)能量平衡條件。通過上述研究可以看出：國內外對懸掛系統(tǒng)能量回收特性的分析方法各不相同，有的僅考慮懸掛系統(tǒng)內部的饋能效率[4,8]，有的則把懸掛饋能功率與整車功率進行比較計算[7]，懸掛系統(tǒng)能量回收特性分析還缺少統(tǒng)一的量化標準。此外，當前饋能懸掛通過一個作動器的工況切換來實現(xiàn)主動控制或能量回收，這種結構的能量回收效率低，且影響作動器的使用壽命。本文設計了一種復合式饋能懸掛系統(tǒng)，采用功率流方法分析其能量轉換過程，并給出了相應的能量回收特性評價準則及計算公式，為車輛饋能懸掛能量回收特性分析提供了理論依據(jù)。

1 復合式饋能懸掛模型

當前饋能懸掛系統(tǒng)采用電磁作動器取代被動懸掛系統(tǒng)中的減振器，電磁作動器既為主動控制裝置，又為能量回收裝置，其依據(jù)特定的控制策略在2種工況間切換，這種設計結構需要在振動控制和饋能效率之間進行折中，實際回收的能量有限[9-10]。本文設計了一種新型饋能懸掛系統(tǒng)，其采用作動器和饋能器進行主動控制和能量回收，并通過運動方式轉換裝置——滾珠絲杠或齒輪齒條——相連構成饋能式電磁作動器，如圖1所示，這樣的設計能夠實現(xiàn)主動控制和能量回收的全過程并存且保證各自效果。

圖1 新型饋能式電磁作動器

1.1 二自由度模型

由于二自由度“1/4車輛”模型包含了懸掛系統(tǒng)的主要運動特征，因此，本文以此模型為研究對象進行模型假設[11]：1) 車輛左、右兩側完全對稱；2) 車輛前、后部分之間相互影響很?。?) 輪胎的垂向動力學特性可簡單地等效為一個忽略阻尼的彈簧。新型饋能懸掛系統(tǒng)的“1/4車輛”等效模型結構如圖2所示，其中：ms為懸置質量；mt為非懸置質量；ks為懸掛系統(tǒng)的等效剛度；kt為車輪的等效剛度；cmmn為作動器的機械阻尼系數(shù)；Fan為作動器輸出的電磁力；cmgn為饋能器的機械阻尼系數(shù)；cegn為饋能器的電磁阻尼系數(shù)；xs為懸置質量的絕對位移；xt為非懸置質量的絕對位移；xr為路面激勵。

圖2 新型饋能懸掛系統(tǒng)的“1/4車輛”等效模型結構

根據(jù)牛頓動力學定律，可建立復合式饋能懸掛系統(tǒng)的運動微分方程：

(1)

饋能器產(chǎn)生的感應電壓Eg和感應電流I1g分別為

(2)

(3)

式中：Rlg為饋能器負載電阻。

饋能懸掛主動控制時，則有

Fan=φmi，

(4)

式中：φm為作動器電動勢常數(shù)[9,12-13]；i為驅動電流。

懸掛系統(tǒng)被動饋能時，則有

(5)

作動器產(chǎn)生的感應電壓Em和感應電流I1m分別為

(6)

(7)

式中：Rlm為作動器負載電阻。

1.2 主動控制算法設計

(8)

其中f為路面激勵瞬時頻率，忽略路面激勵位移與速度之間的相位差。

Y=CX+DU，

(9)

式中：

車輛懸掛性能評價指標主要有3種，分別為代表乘坐舒適性的車體加速度、代表操縱穩(wěn)定性的車輪動行程和代表行駛安全性的懸掛動撓度。本文采用線性二次型最優(yōu)控制算法，將上述3項性能指標的加權平方及在時域T內的積分值作為目標性能指標[9]，其表達式為

q3(xt-xr)2]dt，

(10)

式中：q1、q2、q3分別為車身加速度、車輪動行程和懸掛動撓度的加權系數(shù)。

將式(9)代入式(10)，性能指標可轉化為

(11)

式中：

Q=CTQ0C；R=DTQ0D；N=CTQ0D。

由式(11)可求得作動器的最優(yōu)控制力

U=-KX=-R-1(BTP+NT)X,

(12)

式中：K為最優(yōu)狀態(tài)反饋增益矩陣；P由Riccati方程[14]

PA+ATP-(PB+N)R-1(BTP+NT)+Q=0

解出。

2 能量回收特性量化分析

2.1 功率流分析

復合式饋能懸掛系統(tǒng)有被動饋能和主動控制2種工作模式，其在不同工作模式下具有不同的能量流動和轉換過程。

2.1.1 被動饋能工作模式

懸掛系統(tǒng)被動饋能模式功率流如圖3所示，可見：懸掛系統(tǒng)饋能器和作動器的地位與工作方式相同——作為被動阻尼器使用，用于回收振動能量；電磁懸掛系統(tǒng)吸收發(fā)動機輸出的能量，一部分被饋能器與作動器的被動阻尼耗散，另一部分由相應的電磁阻尼吸收，再經(jīng)過內阻耗散后由電磁懸掛輸出，作為回收的能量。被動饋能時懸掛系統(tǒng)吸收功率可表示為

Ppri=Ppre+Ppdm，

(13)

被動饋能時懸掛系統(tǒng)輸出功率可表示為

Ppro=Ppre-Ppdi，

(14)

圖3 被動控制模式功率流

2.1.2 主動控制工作模式

從能量流動方向角度來分析，復合式饋能懸掛系統(tǒng)的主動控制有全主動控制和折中主動控制2種工作狀態(tài),其懸掛系統(tǒng)主動饋能模式功率流如圖4所示。

當懸掛系統(tǒng)作動器輸出的控制力占主導地位時,為全主動控制，此時懸掛系統(tǒng)能夠達到預期的控制狀態(tài),如圖4(a)所示，此時電磁懸掛系統(tǒng)吸收發(fā)動機和電源輸出的能量，在經(jīng)過作動器內阻耗散之后,由作動器電磁阻尼吸收產(chǎn)生主動控制力，并有3個流向：1)被饋能器與作動器的被動阻尼耗散；2)由饋能器的電磁阻尼吸收，在經(jīng)過內阻耗散部分能量之后,由電磁懸掛輸出，作為回收的能量；3)直接由電磁懸掛輸出，用來改變車輛狀態(tài)，達到振動控制的目的。

當懸掛系統(tǒng)路面激勵輸入占主導地位時，為折中主動控制，此時懸掛系統(tǒng)主動控制只能起到緩解或衰減車輛振動的作用，不能達到所有預期的控制狀態(tài),如圖4(b)所示，此時不消耗電源能量，與新型饋能懸掛系統(tǒng)被動饋能工作模式的功率流過程相似，只是饋能器電磁阻尼吸收的能量被其負載電阻消耗，不能回收。

圖4 主動控制模式功率流

主動控制時懸掛系統(tǒng)控制需求功率可表示為

(15)

主動控制時懸掛系統(tǒng)能量回收功率可表示為

Pro=Preg-Pdig，

(16)

2.2 能量回收特性評價準則

為統(tǒng)一懸掛系統(tǒng)能量回收特性的量化計算標準，根據(jù)車輛懸掛系統(tǒng)工作模式以及上述功率流分析結果，給出如下懸掛系統(tǒng)饋能能力評價準則。

1) 饋能潛力

(17)

2) 饋能效用比

(18)

3) 自供能系數(shù)

(19)

4) 平均饋能功率

3 能量回收特性仿真分析

為研究復合式饋能懸掛能量回收特性，本文設計了主動懸掛(主動控制模式)和被動懸掛(被動饋能模式)2個饋能懸掛系統(tǒng)，其模型參數(shù)如表1所示。

表1 饋能懸掛系統(tǒng)模型參數(shù)

圖5 D級路面不同車速下懸掛系統(tǒng)饋能能力比較

圖6 不同工作模式下車速比較

圖7 不同等級路面20 m/s車速下懸掛 系統(tǒng)饋能能力比較

圖8 H級路面20 m/s車速下的振動響應特性

4 結論

本文設計了一種復合式饋能懸掛系統(tǒng)，引入與作動器并聯(lián)的饋能器回收振動能量，可以實現(xiàn)懸掛系統(tǒng)振動控制和能量回收的全過程并存，并保證各自效果。采用功率流方法分析了懸掛系統(tǒng)能量的轉換方式及流動過程，給出了各部分功率的量化計算公式，并建立4個懸掛系統(tǒng)能量回收特性評價準則，規(guī)范統(tǒng)一了懸掛系統(tǒng)能量回收特性量化分析計算的標準。

懸掛系統(tǒng)饋能效用比、自供能系數(shù)和平均饋能功率與系統(tǒng)自身和對其施加的主動控制算法有關，若要提高懸掛系統(tǒng)饋能效用比、自供能特性及平均饋能功率，還需要設計有效的主動控制算法。本文仿真分析表明了各評價指標隨不同條件變化的一般規(guī)律，由于沒有考慮車輛懸掛動行程、乘坐舒適性等因素的影響，使得在某些情況下如(車輪共振頻率附近)的仿真數(shù)值過高，下一步還需要進行深入的研究。

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(責任編輯:尚菲菲)

Analysis of Energy Recovery Features of Complex Energy-regenerative Suspension System

HUANG Da-shan, ZHANG Jin-qiu, LIU Yi-le, TENG Tao

(Brigade of Equipment Trial and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

A Complex Energy-regenerative Suspension (CES) system is designed to solve the problem of low energy-recovery efficiency caused by the frequent alternation of operating modes in the current energy-regenerative suspension system, and the energy recovery and active control of CES could be implemented simultaneously. The power flow method is employed to solve the problem of uncertain method and lacking of the uniform standard on quantification and analyze the energy transformation mode and flow process of suspension system. The flowing and transforming processes of power with the corresponding computational formula of CES are provided. Four evaluation criteria of energy recovery features are established to evaluate the suspension system in terms of relative energy-regenerative ability and absolute energy-regenerative ability. The simulation results show that the self-sustaining of power supply of CES can be realized, and the established evaluation criteria are capable of analyzing energy recovery features.

suspension system; energy recovery features; power flow

1672-1497(2015)02-0040-07

2015-01-30

軍隊科研計劃項目

黃大山(1988-)，男，博士研究生。

U463.33

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.008