電磁直線電機懸架饋能減震設計及參數優化

楊慧榮

(河南工業貿易職業學院汽車工程學院,河南鄭州 451191)

0 引言

傳統結構的懸架系統通常是以熱能耗散的形式實施減振的效果,這種方式對減振器控制性能與壽命都存在不利影響[1、2]。這在一定程度上促進了許多學者對饋能型懸架開展研發工作,這種結構可以把振動能轉變成電能的形式實現回收利用,顯著減緩汽車能耗[3]。

現階段,已有許多國內外學者對饋能潛力與具備能量回收功能的饋能型懸架開展了深入探討。其中,張晗[4]設計了一種通過液電饋能方式建立的半主動懸架并對其進行了臺架測試,結果顯示設定控制電流等于30A的條件下可以獲得13.1%的能量回收率,表明饋能懸架能量回收滿足可行性條件。文獻[5]開發了一種可以實現分級變壓充電的饋能懸架,可以實現半自動控制的效果。許廣燦[6]則通過滾珠絲杠式懸架回收振動能量并取得了較高的回收率。雖然近些年來已有較多研究人員針對懸架能量回收領域開展了大量研究工作,但大部分是從定性層面開展分析,尚未建立定量數學模型,而且也沒有確定明確的能量回收程度,無法達到理想的能量回收效果[7、8]。

本文根據以上研究結果,為電磁直線電機懸架結構構建了1/4懸架動模型,之后對其開展了饋能實驗。以Matlab/Simulink軟件建立了懸架饋能潛力的數學模型,再對其開展回收性能計算,驗證了能量回收電路可靠性與升降壓效果,為振動能量回收率的優化提供了參考價值。

1 電磁直線電機懸架設計

電磁直線電機懸架的組成結構包括電磁直線電機作動器、彈簧部件、阻尼減振器、電容器、饋能電路模塊、加速度傳感器等部分,具體見圖1[9]。

圖1 電磁直線電機饋能減震懸架結構圖

在實際運行過程中,電磁直線電機可以設置饋能與主動兩種工作模式[10]。其中,車輛處于較差路面上時,不能保持良好的平順性,此時電磁直線電機保持主動模式,超級電容對直線電磁直線電機進行供電,可以通過調節饋能電路電流來達到控制電磁直線電機輸出推力的效果,從而提升車輛平順效果與操縱穩定性,確保懸架達到主動調控的性能。

2 電磁直線電機懸架動力學建模

2.1 隨機路面模型

為保證路面位移模擬信息與道路工況更接近,按照濾波白噪聲的方式構建路面模型,再將均值等于零的高斯白噪聲利用低通濾波器處理后得到包含路面不平度的位移數據,同時設置了下截止頻率。以下給出了路面速度計算式

式中,q(t)—路面位移;f0—下截止頻率;Gq(n0)—路面不平度系數;n0—空間頻率;u—車速;wt—高斯白噪聲。

2.3 電磁直線電機饋能模型

處于饋能模式下時,當懸架發生振動時會導致電磁直線電機初級與次級發生相對運動,從而對磁感線造成切割,由此形成感應電動勢與電流,將電磁直線電機看成理想電磁直線電機時,建立電壓和電磁阻尼力關系式如下

式中,Ul—電壓;il—電流;ki—推力系數;ke—直線電磁直線電機的反電動勢系數;r—直線電磁直線電機的內阻;R—饋能電阻;Fg—電磁阻尼力。

進行組合后得到以下表達式

計算懸架振動狀態下的直線電磁直線電機能量Wl

3 懸架參數優化

以30km/h車速行駛于B級路面上時,控制懸架參數按照20%N梯度選擇7個值開展仿真測試,得到圖2的結果,各項測試結果列于表2中。

表2 懸架饋能功率均方根值

圖2 饋能功率隨懸架參數變化

根據圖2可知,當輪胎剛度與非簧載質量提高后,饋能功率均方根也呈現線性增長的現象,而阻尼系數提高時則發生了線性降低的趨勢。當簧載質量和懸架剛度介于0.4～1.0N范圍內,饋能功率均方根都表現為線性增大的規律,后懸架剛度引起的饋能功率均方根則發生了降低。

從表2中可以看到仿真得到的饋能功率均方根值極差,其中,輪胎剛度與非簧載質量屬于饋能潛力的最重要影響因素,而且輪胎剛度相對非簧載質量引起的饋能潛力變化程度更明顯。其余各項參數對饋能功率均方根只產生了較小的作用,幾乎不會引起饋能潛力的變化。

圖3與圖4給出了輪胎剛度和非簧載質量引起的系統動力學變化結果。通過圖3與圖4結果可知,增大輪胎剛度和非簧載質量時,獲得了更大的車身加速度與輪胎相對動載,這對車輛乘坐舒適度以及操縱過程都存在不利影響。

圖3 輪胎剛度對動力學性能影響

圖4 非簧載質量對動力學性能影響

4 結語

本文開展汽車電磁直線電機饋能減震懸架設計及參數優化,得到如下有益結果:(1)當輪胎剛度與非簧載質量提高后,饋能功率均方根也呈現線性增長,懸架剛度引起的饋能功率均方根則發生了降低。(2)增大輪胎剛度和非簧載質量時,獲得了更大的車身加速度與輪胎相對動載,這對車輛乘坐舒適度以及操縱過程都存在不利影響。