汽車電磁主動(dòng)懸架技術(shù)研究

汽車電磁主動(dòng)懸架技術(shù)研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)汽車的舒適度、垂直性和安全性的要求逐漸增加。而懸架系統(tǒng)直接影響了汽車在行駛過程中的平順性、操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能,為提高車輛平順性與舒適性,各類新型懸架得到了飛快的發(fā)展。相比不可控的被動(dòng)/半主動(dòng)懸架難以適應(yīng)各類路面的狀況及駕駛環(huán)境的變化,主動(dòng)懸架根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和路面狀況的變化產(chǎn)生主動(dòng)控制力,保證懸架系統(tǒng)總是處于最佳減振狀態(tài)。本文針對(duì)近年國內(nèi)外車輛電磁主動(dòng)懸架研究,對(duì)各類車輛電磁主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,并對(duì)電磁主動(dòng)懸架的能耗及能量回收的研究進(jìn)行了總結(jié)分析。應(yīng)用汽車電磁主動(dòng)懸架主要有滾珠絲桿式、感應(yīng)直線電機(jī)式和永磁直線電機(jī)式,電磁主動(dòng)懸架的饋能特性是解決懸架應(yīng)用過程中高能耗的主要途徑,最后探討了懸架饋能的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)。1電控液壓主動(dòng)懸架主動(dòng)懸架早在1954年就被GM公司的ErspielLabrossc在懸架設(shè)計(jì)中被提出,發(fā)展到現(xiàn)在,主動(dòng)懸架一般采用一個(gè)液動(dòng)或電動(dòng)的力發(fā)生器(稱為作動(dòng)器)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)被動(dòng)懸架中的彈簧與減振器,而目前用于實(shí)車上的主動(dòng)懸架一般為液壓式主動(dòng)懸架。如Nissan公司研發(fā)了一款電控液壓主動(dòng)懸架,其主要有液壓和電子控制兩大系統(tǒng)組成,其控制系統(tǒng)采用天棚阻尼與頻率阻尼裝置,該懸架系統(tǒng)用于infinitiQ45豪華轎車上,但液壓主動(dòng)懸架存在油液泄漏、管道破裂、環(huán)境污染、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn),且大部分油液為有毒物質(zhì)。自1980起B(yǎng)ose公司通過24年的研究,成功研發(fā)了一款電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng),用于實(shí)車中具有較好的舒適性與操穩(wěn)性,懸架系統(tǒng)采用空氣彈簧支撐靜態(tài)簧載質(zhì)量以減少電能消耗,在輪轂中安裝阻尼器減少垂向振動(dòng),并且該懸架系統(tǒng)具有較寬的頻域特性。與液壓式主動(dòng)懸架相比電磁主動(dòng)懸架具有有無接觸摩擦、無潤(rùn)滑、功耗低、響應(yīng)快、控制力大、適應(yīng)頻帶寬、輸出位移和輸出力較大、可控性好等優(yōu)點(diǎn)。其中高可控性是電磁主動(dòng)懸架的最大特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)電磁主動(dòng)懸架技術(shù)大致有旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)合傳動(dòng)裝置、電磁感應(yīng)直線電機(jī)和永磁無刷直線電機(jī)。2電子天平壓垂直分類2.1旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能滾珠絲桿式電磁主動(dòng)懸架是由旋轉(zhuǎn)式電機(jī)與旋轉(zhuǎn)直線轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成的裝置演變而來,在旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有成熟設(shè)計(jì)與控制方法基礎(chǔ)上,主動(dòng)懸架采用傳動(dòng)裝置將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng),對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的控制。該類懸架系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代美國德克薩斯大學(xué)電機(jī)中心進(jìn)行了一系列研究,初始采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)與齒輪齒條結(jié)合實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換與力矩的傳遞。東京大學(xué)Kawamoto、Suda等人對(duì)該類電磁作動(dòng)器具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),解決了等效慣量大、結(jié)構(gòu)沖擊等問題,同時(shí)對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行了深入的理論研究、仿真建模、實(shí)車樣機(jī)試驗(yàn),結(jié)果表明,采用該懸架系統(tǒng)汽車平順性得以提高,且懸架系統(tǒng)能量能實(shí)現(xiàn)自供應(yīng),功率值為-15.3W。國內(nèi)西南交通大學(xué)歐陽東等人采用最優(yōu)控制算法,對(duì)滾珠絲桿式電磁主動(dòng)懸架的饋能系統(tǒng)進(jìn)行了研究,上海交通大學(xué)喻凡等人基于某款乘用車研制一款滾珠絲桿式電磁作動(dòng)器,對(duì)懸架系統(tǒng)的性能改善和回收能量特性進(jìn)行深入的理論研究和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證,研究表明該懸架系統(tǒng)用于實(shí)車上有助于改善車輛的平順性與舒適性,具有廣闊的前景。滾珠絲杠式懸架其主要特點(diǎn)在于推力體積大、傳動(dòng)效率高、過載能力強(qiáng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好?；谠搼壹茏陨斫Y(jié)構(gòu),作動(dòng)器電磁力是旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)變而來,結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致具有較大等效慣量和結(jié)構(gòu)沖擊影響作動(dòng)器性能。雖然滾珠絲桿使得傳動(dòng)效率有一定提高,但作動(dòng)器工作時(shí)仍具有較大摩擦阻尼影響作動(dòng)器的效率,因此,結(jié)構(gòu)優(yōu)化和效率提高是此類主動(dòng)懸架的研究重點(diǎn)。2.2電磁主動(dòng)懸架的應(yīng)用感應(yīng)直線電機(jī)式懸架作動(dòng)器是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變出的直線電機(jī)而來,因而直線電機(jī)也是電磁主動(dòng)懸架研究熱點(diǎn),其中電磁感應(yīng)直線電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電磁主動(dòng)懸架方式之一。電磁主動(dòng)懸架采用與車身彈簧并聯(lián)的方式以減小能量消耗,為方便與車身彈簧并聯(lián)安裝并保證電磁力大小,在電磁主動(dòng)懸架中圓柱電磁感應(yīng)直線電機(jī)為圓筒。重慶大學(xué)來飛等人對(duì)電磁感應(yīng)直線電機(jī)主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究,設(shè)計(jì)如圖1所示感應(yīng)直線電機(jī)。研究表明:在不平路面激勵(lì)為2Hz、5Hz時(shí),車身垂向振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)載荷都有很大改善,在激勵(lì)為10Hz時(shí),垂向加速度有較小改善,而動(dòng)行程、動(dòng)載荷性能變差。電磁感應(yīng)直線電機(jī)具有推力體積比大、無接觸摩擦、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速等特點(diǎn),采用通電線圈產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)避免了采用永磁體可能產(chǎn)生退磁、溫度影響磁場(chǎng)分布等問題。電磁感應(yīng)直線電機(jī)也存在其固有的缺陷,動(dòng)態(tài)縱向效應(yīng)導(dǎo)致推力波動(dòng)、作動(dòng)器滑移率的啟動(dòng)推力和高推力下的高溫是此類主動(dòng)懸架的主要問題,減小推力波動(dòng),降低滑移率影響和滿足溫度條件下提高作動(dòng)器推力是發(fā)展該類主動(dòng)懸架的首要任務(wù)。2.3汽車電磁作動(dòng)器haolbach永磁直線電機(jī)是是實(shí)現(xiàn)電磁主動(dòng)懸架的另一種方式,其最大特點(diǎn)與感應(yīng)直線電機(jī)相同具有高推力體積比,構(gòu)成與感應(yīng)直線電機(jī)相同。與感應(yīng)直線電機(jī)用于懸架系統(tǒng)相同,其結(jié)構(gòu)形式為圓筒型。在永磁直線電機(jī)中永磁體排列方式有軸向、徑向和Halbach三類?；谧鲃?dòng)器高推力體積比特點(diǎn),徑向與Halbach排列磁路理論分析是電磁主動(dòng)懸架作動(dòng)器的研究重點(diǎn)。相比徑向排列,Halbach排列的圓筒型永磁直線電機(jī)產(chǎn)生更高的電磁力。IsmenioMartin等人在比較了電磁主動(dòng)懸架和液壓主動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一款7極20槽的永磁直線作動(dòng)器,外徑為110mm,行程為180mm。建立對(duì)應(yīng)的有限元仿真模型,并加工出樣機(jī),搭建了1/4懸架試驗(yàn),研究表明,作動(dòng)器電磁力大小與電流大小基本呈線性變化,表明電磁作動(dòng)器具有較高可控性,適用于主動(dòng)懸架系統(tǒng)。謝菲爾德大學(xué)JiabinWang等人對(duì)用于主動(dòng)懸架的永磁直線電機(jī)的徑向、Halbach排列進(jìn)行了深入理論分析、推導(dǎo)了各類永磁直線電機(jī)磁路分析公式、對(duì)應(yīng)建立仿真模型,針對(duì)車輛主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)電磁作動(dòng)器,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并建立對(duì)應(yīng)溫度模型,作動(dòng)器最高推力為1354N,均方根力為518N,利用二次線性調(diào)節(jié)技術(shù)(LQR)設(shè)計(jì)主動(dòng)懸架控制器,對(duì)懸架系統(tǒng)的仿真表明車身加速度降低了38%。荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)BartL.J.Gysen、J.L.G.Janssen等人針對(duì)車型BMW545i建立了1/4主動(dòng)懸架模型,采用Halbach排列作為永磁體排列方式,分析Halbach永磁體外排列、內(nèi)排列電磁力大小。如圖2所示,永磁內(nèi)排列、外排列兩類永磁直線電機(jī)式電磁主動(dòng)懸架,仿真結(jié)果與樣機(jī)在1/4懸架臺(tái)架試驗(yàn)表明,作動(dòng)器在5.1A/mmSeunghoLee等人對(duì)采用永磁直線電機(jī)式電磁主動(dòng)懸架的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,利用三個(gè)PWM放大器供應(yīng)三相電流,針對(duì)圓筒型永磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)反饋控制器、二次線性控制器和模糊控制器分別作為主動(dòng)懸架控制器,進(jìn)行了仿真試驗(yàn),試驗(yàn)表明,與被動(dòng)懸架相比,衰減路面擾動(dòng)分別為73%、64%、77%,其中采用模糊控制器可降低簧上質(zhì)量加速度69%,研究表明,比其他控制器,模糊控制器相更適應(yīng)于永磁直線式電磁主動(dòng)懸架。國內(nèi)重慶大學(xué)鄧兆祥、阮德玉等人采用永磁體內(nèi)部徑向排列設(shè)計(jì)一款永磁直線電機(jī)式電磁主動(dòng)懸架,分析永磁直線電機(jī)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁力的影響,值得注意的是在作動(dòng)器溫度分析表明,作動(dòng)器堵轉(zhuǎn)180s時(shí)溫度仍為40°左右,具有較好的溫度特性,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明作動(dòng)器的電磁力控制系統(tǒng)滿足了車輛主動(dòng)懸架作動(dòng)器電磁力的要求。永磁直線電機(jī)式懸架作動(dòng)器具有感應(yīng)直線電機(jī)所有優(yōu)點(diǎn),其高推力體積比也優(yōu)于感應(yīng)直線電機(jī)式,消除了滑移率的存在。但也帶來永磁體材料固有的問題,如內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、磁后效等引起的可逆與不可逆變換,雖稀土永磁材料快速發(fā)展有很大改善,但是一些固有退磁問題是難以避免,繞線開槽和邊端突變導(dǎo)致的永磁直線電機(jī)推力波動(dòng)是影響推力精確控制主要因素。則保證推力平穩(wěn)性和減小永磁體固有特性影響是永磁直線電機(jī)式主動(dòng)懸架考慮的主要問題。3基于能量回收的電磁主動(dòng)懸架電磁主動(dòng)懸架在工作需持續(xù)供電,能耗則成為懸架系統(tǒng)的主要問題?；陔姶胖鲃?dòng)懸架工作原理,作動(dòng)器提供可控推力,同時(shí)在不通電狀態(tài)可充當(dāng)發(fā)電機(jī),儲(chǔ)能系統(tǒng)以蓄電池儲(chǔ)能方式將電能儲(chǔ)存,提供作動(dòng)器工作時(shí)的電能,以此減小電磁主動(dòng)懸架的能量消耗。針對(duì)各類電磁主動(dòng)懸架,感應(yīng)直線電機(jī)懸架,磁場(chǎng)是由感應(yīng)線圈通電產(chǎn)生,其能量回收是建立在能量消耗的基礎(chǔ)上,難以滿足能量回收的要求。滾珠絲桿式與永磁直線電機(jī)式的能量回收磁場(chǎng)分別由轉(zhuǎn)子永磁瓦和動(dòng)子永磁體提供,滿足能量回收條件,此兩類電磁主動(dòng)懸架是主動(dòng)懸架能量回收研究熱點(diǎn)。Kawamoto等人在設(shè)計(jì)滾珠絲桿式電磁主動(dòng)懸架同時(shí)對(duì)懸架系統(tǒng)能量控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)電磁作動(dòng)器的能量消耗與回收公式進(jìn)行了推導(dǎo),通過1/4懸架臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)懸架采用能量回收系統(tǒng)基本能實(shí)現(xiàn)自供應(yīng),總能量消耗值為-15.3W。Okada等人采用直流直線電機(jī)作為懸架系統(tǒng)能量回收裝置,采用雙壓充電電路對(duì)電能進(jìn)行回收利用,通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了該作動(dòng)器能量回收特性可行性。AntoninStribrsky等人采用CopleyControls公司TBX3810三相同步永磁直線電機(jī)作為電磁作動(dòng)器,利用液壓作為路面激勵(lì)建立1/4懸架試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。提出電磁作動(dòng)器的能量控制原則,并對(duì)能量控制策略進(jìn)行了分析,采用H基于能量回收特性,滾珠絲桿式在能量回收方面更具有優(yōu)勢(shì),研究發(fā)現(xiàn)滾珠絲桿式基本能實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)的自供應(yīng)。永磁直線電機(jī)式目前還未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自供應(yīng),但采用能量回收系統(tǒng)后其能量消耗有一定降低。4電機(jī)、電機(jī)和能量回收特性本文基于近年對(duì)國內(nèi)外對(duì)電磁主動(dòng)懸架的研究,對(duì)各類電磁主動(dòng)懸架技術(shù)進(jìn)行了分析與綜述。電磁主動(dòng)懸架中,滾珠絲桿式與直線電機(jī)式將成為近幾年電磁主動(dòng)懸架研究熱點(diǎn)。成熟的旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)與完善控制算法保證