《電磁饋能式主動懸架概述及研究開發(fā)》--重點參考

1、分析電磁饋能式主動懸架概述及研究開發(fā)2019-02-111. 研究背景輪邊或輪轂電機驅(qū)動的分布式驅(qū)動方案具有傳動效率高、控制靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等突出 優(yōu)點，在汽車“電動化”進程中廣受關(guān)注。但較大的非簧載質(zhì)量惡化了懸架性能，一定 程度上制約了該方案的運用。目前， 國內(nèi)外企業(yè)和高校的專家學者圍繞抑制非簧載質(zhì)量對懸架性能的不良影響展開 了研究，主要技術(shù)手段包括：1）輕量化設計：主要包括新型輕量化材料和高功率密度電機兩個方面；2）驅(qū)動系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計；3）動力吸振器轉(zhuǎn)移和消耗振動能量；4）主動 / 半主動懸架控制。2. 現(xiàn)狀概述2.1 市場與政策在國務院印發(fā)的中國制造 2025 對研發(fā)一體

2、化純電動平臺的進一步說明中，具體 地提到了開發(fā)主動懸架系統(tǒng)。 采用電磁式作動器的主動懸架相比其他形式的主動懸架 具有響應快、效率高、具有饋能潛力等優(yōu)勢，而且在汽車電動化進程中，電磁主動懸 架需要的高壓電源變得更容易獲得。因此，電磁主動懸架逐漸成為企業(yè)和高校的研究 熱點。目前已實現(xiàn)量產(chǎn)的主動懸架類型，根據(jù)作動器的不同可主要分為油氣式主動懸架、液 壓式主動懸架和空氣彈簧主動懸架，但系統(tǒng)高能耗與節(jié)能環(huán)保的時代主題相悖?？紤] 到車輛振動是一種能量來源，而傳統(tǒng)被動、半主動懸架阻尼器通過發(fā)熱耗散這部分振動能量未免可惜。兼具響應快和高效特點的電磁式作動器，可靈活工作于主動和饋能模式，既彌補了現(xiàn)有主動懸架系統(tǒng)

3、響應慢的缺點，又不與能耗要求相沖突，因而采用 電磁式作動器的主動懸架，或可在懸架高性能和低能耗間取得平衡。2.2 典型企業(yè)及產(chǎn)品米其林公司于 1998 年研發(fā)了集成輪內(nèi)驅(qū)動系統(tǒng)和電磁式主動懸架的總成，并申請了 相關(guān)專利，如圖 1 所示。圖 1 米其林主動輪Bose 主動懸架采用 Linear Electromagnetic Motor (直線電磁電機)作為作動器， 其整車布置如圖 2(a) 所示， 系統(tǒng)能回收部分振動能量， 總能耗(充電和發(fā)電能量總和) 約為汽車空調(diào) 1/3 ，而有無主動懸架系統(tǒng)的車身姿態(tài)對比，如圖 2(b) 所示。圖 2 Bose 主動懸架2016 年奧迪公司電磁式主動懸架“

4、 eROT ”，如圖3 所示，其在城市道路工況中，系統(tǒng) 能耗為 4060W ，在高速公路為 1020W 。圖 3 奧迪電磁式主動懸架作動器采埃孚和大眾集團聯(lián)合開發(fā)了可實現(xiàn)車身姿態(tài)主動控制的電磁式作動器， 作動器如圖4 所示。系統(tǒng)采用 12V 電源供電，輔以傳統(tǒng)阻尼器，與液壓作動器相比具有高性價比 且系統(tǒng)能耗較低。圖 4 采埃孚電磁式作動器舍弗勒著手研發(fā)一款能夠布置在傳統(tǒng)阻尼器空間內(nèi)并能取代阻尼器的電磁式作動器(如圖 5(a) 所示)該作動器可有效回饋系統(tǒng)振動能量，能量回饋大小隨路面激勵幅值 和車速的增加而增加。圖 5 舍弗勒“主動機電阻尼器”福特汽車公司、通用汽車公司、本田技研工業(yè)株式會社和日

5、產(chǎn)自動車株式會社，先后從事電磁式主動懸架的研發(fā)，其作動器均為旋轉(zhuǎn)式電機輔以滾珠絲桿結(jié)構(gòu)的形式，作 動器方案分別如圖 6(a)-(d) 所示。圖 6 各車企的主動懸架作動器方案3. 課題研究 研究室在電磁饋能式主動懸架的研究，首先對標市場上配備主動懸架系統(tǒng)的車型，分 析并得到應用電磁饋能式主動懸架對標車型的整車參數(shù)、懸架參數(shù)和懸架空間；通過 考慮不同車型懸架結(jié)構(gòu)并不完全相同且懸架空間有限， 分析得到具有普適性的電磁饋 能式主動懸架作動器構(gòu)型，后測試得到不同控制策略的控制器效果。3.1 對標車型的懸架分析各車型的空氣彈簧和可調(diào)阻尼器的空間布置并不固定，或采用集成設計，或采用分布設計。對標車型的懸架

6、結(jié)構(gòu)、功能和作動器空間布置如表 1 所示。表 1 對標車型的懸架結(jié)構(gòu)、功能和作動器空間布置最終，考慮對于不同懸架結(jié)構(gòu)應具有普適性，選擇電磁饋能式主動懸架的懸架結(jié)構(gòu)為雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)，之后可以此為基礎，靈活應用于如多連桿懸架等不同類型的懸架設 計中。3.2 作動器構(gòu)型分析現(xiàn)有的電磁饋能式主動懸架作動器結(jié)構(gòu)可歸納為直線電機式、 旋轉(zhuǎn)電機結(jié)合滾珠絲杠 式和旋轉(zhuǎn)電機結(jié)合齒輪齒條式三大類，其結(jié)構(gòu)方案對比如表 2 所示。表 2 不同電磁式作動器結(jié)構(gòu)方案對比(如折衷考慮，采用旋轉(zhuǎn)電機結(jié)合傳動機構(gòu)方案設計電磁饋能式主動懸架作動器?？紤]將圖 7(a) 所示 ) 及其作動器總成(如圖7(b) 所示)。圖 7 基于雙

7、橫臂懸架的電磁饋能式主動懸架方案器彈簧 8 和推 / 拉桿 2 支撐于下橫臂 1 上。當車輪 3 受到不平路面激勵時，下橫臂 1伸彈簧 8 ，并通過齒輪副 11 帶動旋轉(zhuǎn)電機 12 旋轉(zhuǎn)。3.3 電磁饋能式主動懸架控制策略試驗驗證螺旋彈簧集成于作動器，設計了一種基于雙橫臂懸架的電磁饋能式主動懸架方案作動器總成 6 固定于車架 7 ，并通過推 / 拉桿 2 與下橫臂 1 相連，則車架7 通過作動繞車架7 旋轉(zhuǎn)并對推 /拉桿 2 施加推力或拉力。推 /拉桿 2 進而通過搖臂9 壓縮或拉評價指標：簧載質(zhì)量加速度 SA(Sprung Mass Acceleration)懸架動行程 SWS(Suspen

8、sion Working Stroke)輪胎動載荷 DTL(Dynamic Tire Load)3.3.1 試驗臺架方案取整車懸架的 1/4 角，則一套電磁饋能式主動懸架系統(tǒng)方案如圖 8 所示。圖 8 電磁饋能式主動懸架系統(tǒng)方案 試驗臺架是基于原有的傳動試驗臺架的基礎上搭建的， 主要是驗證凸塊激勵下電磁主 動懸架樣機及其控制器的性能，整個實驗臺架包含轉(zhuǎn)轂試驗臺、整車/ 懸架控制器和用于模擬簧上質(zhì)量的鋼板。激勵方案如圖 9 所示，測功電機發(fā)出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過帶輪減速增扭，驅(qū)動安裝有凸塊的轉(zhuǎn) 鼓轉(zhuǎn)動。圖 9 試驗臺架激勵方案電磁主動懸架臺架如圖 10 所示，懸架的形式為豪華車常用的雙叉臂懸架，旋轉(zhuǎn)電機發(fā)

9、出作動扭矩，兩級齒輪減速器減速增扭，搖臂和推桿將扭矩轉(zhuǎn)換成垂向作用力，作用在下叉臂上，從而改變懸架的性能。圖 10 研究室開發(fā)的電磁主動懸架臺架3.3.2 試驗激勵方案轉(zhuǎn)轂垂向激勵采用兩塊高為 30mm ，弧長為 100mm 的凸塊。通過改變車速，以改變 激勵頻率。圖 11 凸塊激勵圖示3.3.3 控制器部分算法方案及試驗魯棒 H 控制試驗凸塊激勵下， 簧載質(zhì)量加速度 SA 和懸架動行程曲線 SWS ，如圖 12 所示。 由圖 12(a) 可看出魯棒 H 控制下簧載質(zhì)量加速度曲線的極值比隨動狀態(tài)改善50% 左右，主動控制迅速地消除了懸架振動；由圖 12(b) 可看出在主動控制下通過凸塊上升階段

10、的懸架 動行程幅值較大，通過凸塊水平段的懸架動行程較小，即簧載質(zhì)量的絕對位移更小， 且懸架迅速得回復到靜平衡位置。魯棒 H 控制改善凸塊激勵下的車輛行駛平順性和 操縱穩(wěn)定性，減小了系統(tǒng)在共振峰處的簧載質(zhì)量加速度和懸架動行程功率譜密度，有效地抑制了簧下質(zhì)量負效應。圖 12 魯棒 H 控制與被動系統(tǒng)的響應對比魯棒 H 控制效果請看下方視頻：綜合魯棒控制試驗（舒適性與快速穩(wěn)定）o 舒適性SA 和 SWS 如圖 13凸塊激勵實驗下，綜合魯棒控制模式下和無控制被動模式下的 所示，舒適控制模式下 SWS 的壓縮行程明顯增加且更快穩(wěn)定。圖 13 舒適控制系統(tǒng)與被動系統(tǒng)的響應對比o 快速穩(wěn)定性凸塊激勵實驗下，

11、綜合魯棒控制模式下和無控制被動模式下的 SA 和 SWS 如圖 14 所示， 快速穩(wěn)定模式下 SA 峰值的增加并不明顯， 而 SWS 無論是幅值還是穩(wěn)定時間， 相較于被動系統(tǒng)和前述舒適控制系統(tǒng)，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)勢明顯。圖 14 快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)與被動系統(tǒng)的響應對比快速穩(wěn)定性的綜合魯棒控制效果視頻請看下方視頻：3.4 電磁饋能式主動懸架控制策略 典型的主動懸架控制策略主要有：天棚、地棚、天 / 地混合棚控制，魯棒控制，線性最 優(yōu)控制，滑?？刂疲赃m應控制和模糊控制。研究中驗證不同算法效果：o 魯棒 H 控制、 考慮乘坐舒適性的綜合魯棒控制器和系統(tǒng)快速穩(wěn)定的綜合魯棒控制 器的控制器效果見上文。o PID (比例( proportion )、積分( integral )、微分( derivative )控制器：在 凸塊激勵工況下能穩(wěn)定工作， 而且能有效改善凸塊激勵工況下 1/4 車輛模型的 SA ， 改善舒適性和輪胎接地性。o 天 / 地混合棚控制器：能在一定程度上改善簧上質(zhì)量加速度和懸架動行程的同時具有 回饋系統(tǒng)振動能量的能力， 驗證了舒適控制系統(tǒng)對簧上質(zhì)量加速度改善的優(yōu)越性及系 統(tǒng)能耗較低，驗證了快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)對穩(wěn)定系統(tǒng)的能力及饋能能力。4. 總結(jié)電磁饋能式主動懸架能夠改善汽車尤其是簧下質(zhì)量大的輪內(nèi)驅(qū)動新能源汽車的舒適 性和行駛安全性?？刂撇呗阅軌蚋鶕?jù)用